题目
某理想气体自状态1经历一个可逆多变过程到达状态2,其温度下降、熵增大,则气体A. 压力升高、比容减小,外界对气体做功B. 压力降低、比容减小,外界对气体做功C. 压力升高、比容增大,对外做功D. 压力降低、比容增大,对外做功
某理想气体自状态1经历一个可逆多变过程到达状态2,其温度下降、熵增大,则气体
A. 压力升高、比容减小,外界对气体做功
B. 压力降低、比容减小,外界对气体做功
C. 压力升高、比容增大,对外做功
D. 压力降低、比容增大,对外做功
题目解答
答案
D. 压力降低、比容增大,对外做功
解析
本题考查理想气体的状态方程、熵变公式以及热力学第一定律在可逆多变过程中的应用。解题的关键在于根据已知的温度变化和熵变情况,结合理想气体的相关公式,逐步推导压力、比容的变化以及做功情况。
- 分析温度和熵变与比容的关系:
- 对于理想气体,熵变公式为$\Delta s = c_{v}\ln\frac{T_{2}}{T_{1}}+R_{g}\ln\frac{v_{2}}{v_{1}}$,其中$\Delta s$为熵变,$c_{v}$为定容比热,$T_{1}$、$T_{2}$分别为初、末态温度,$R_{g}$为气体常数,$v_{1}$、$v_{2}$分别为初、末态比容。
- 已知温度下降,即$T_{2}<T_{1}$,那么$\ln\frac{T_{2}}{T_{1}}<0$。又因为熵增大,即$\Delta s>0$,所以$R_{g}\ln\frac{v_{2}}{v_{1}}> - c_{v}\ln\frac{T_{2}}{T_{1}}>0$,由此可得$\ln\frac{v_{2}}{v_{1}}>0$,即$v_{2}>v_{1}$,这表明比容增大。
- 根据理想气体状态方程分析压力变化:
- 理想气体状态方程为$p_{1}v_{1}=RT_{1}$,$p_{2}v_{2}=RT_{2}$($p_{1}$、$p_{2}$分别为初、末态压力,$R$为气体常数),变形可得$\frac{p_{2}}{p_{1}}=\frac{T_{2}}{T_{1}}\cdot\frac{v_{2}}{v_{1}}$。
- 由前面分析可知$T_{2}<T_{1}$,$v_{2}>v_{1}$,且$\Delta s = c_{v}\ln\frac{T_{2}}{T_{1}}+R_{g}\ln\frac{v_{2}}{v_{1}}>0$,$c_{v}$、$R_{g}$均为正数,可推出$\frac{T_{2}}{T_{1}}\cdot\frac{v_{2}}{v_{1}}<1$,即$p_{2}<p_{1}$,所以压力降低。
- 判断做功情况:
- 对于可逆过程,气体对外做功$w=\int_{1}^{2}pdv$。因为比容增大,即$dv>0$,压力$p>0$,所以$w>0$,这意味着气体对外做功。