理想气体从同一初态V_1作等温可逆膨胀或绝热可逆膨胀到达相同的终态压力,则等温可逆膨胀后体积V_2与绝热可逆膨胀后体积V_2'相比( )。A. V_2 > V_2'B. V_2 = V_2'C. V_2 D. 不确定
A. $V_2 > V_2'$
B. $V_2 = V_2'$
C. $V_2 < V_2'$
D. 不确定
题目解答
答案
解析
本题考查理想气体等温可逆膨胀和绝热可逆膨胀过程的特点以及理想气体状态方程的应用。解题思路是分别根据等温可逆膨胀和绝热可逆膨胀的过程特点,结合理想气体状态方程,推导出两种过程终态体积与初态体积、压力的关系,然后比较两种过程终态体积的大小。
1. 等温可逆膨胀过程
对于理想气体的等温可逆膨胀过程,温度 $T$ 保持不变,根据理想气体状态方程 $pV = nRT$(其中 $p$ 为压力,$V$ 为体积,$n$ 为物质的量,$R$ 为理想气体常数),在初态 $p_1$、$V_1$ 和终态 $p_2$、$V_2$ 有:
$p_1V_1 = p_2V_2$
由此可解得终态体积 $V_2$ 为:
$V_2 = V_1\frac{p_1}{p_2}$
2. 绝热可逆膨胀过程
对于理想气体的绝热可逆膨胀过程,系统与外界没有热量交换,即 $Q = 0$。根据热力学第一定律 $\Delta U = Q+W$,可得 $\Delta U = W$。因为是膨胀过程,系统对外做功 $W\lt{}0$,所以 $\Delta U\lt{}0$。
对于理想气体,内能 $U$ 只是温度 $T$ 的函数,$\Delta U = nC_{V,m}(T_2 - T_1)\lt{}0$(其中 $C_{V,m}$ 为等容摩尔热容),这表明终态温度 $T_2$ 低于初态温度 $T_1$,即 $T_2 \lt T_1$。
再根据理想气体状态方程 $p_2V_2' = nRT_2$ 和 $p_1V_1 = nRT_1$,由于 $T_2 \lt T_1$,且已知终态压力相同 $p_2$,可得:
$p_2V_2' = nRT_2 \lt nRT_1 = p_1V_1$
又因为 $p_1V_1 = p_2V_2$,所以 $p_2V_2' \lt p_2V_2$,两边同时除以 $p_2$($p_2\gt{}0$),得到 $V_2' \lt V_2$。
另外,对于理想气体的绝热可逆过程,有 $pV^{\gamma}=C$(其中 $\gamma=\frac{C_{p,m}}{C_{V,m}}\gt{}1$,$C_{p,m}$ 为等压摩尔热容,$C$ 为常数)。在初态 $p_1$、$V_1$ 和终态 $p_2$、$V_2'$ 有:
$p_1V_1^{\gamma}=p_2V_2'^{\gamma}$
由此可解得终态体积 $V_2'$ 为:
$V_2' = V_1\left(\frac{p_1}{p_2}\right)^{\frac{1}{\gamma}}$
因为 $\gamma\gt{}1$,所以 $\frac{1}{\gamma}\lt{}1$,对于相同的 $\frac{p_1}{p_2}$($p_1\gt{}p_2$),$\left(\frac{p_1}{p_2}\right)^{\frac{1}{\gamma}}\lt{}\frac{p_1}{p_2}$,即 $V_2' \lt V_2$。