题目
一定量的理想气体等温压缩时,分子的平均碰撞次数overline(Z)和平均自由程overline(lambda)的变化情况是()A. overline(Z)增大,overline(lambda)增大B. overline(Z)减小,overline(lambda)增大C. overline(Z)增大,overline(lambda)减小D. overline(Z)减小,overline(lambda)减小
一定量的理想气体等温压缩时,分子的平均碰撞次数$\overline{Z}$和平均自由程$\overline{\lambda}$的变化情况是()
A. $\overline{Z}$增大,$\overline{\lambda}$增大
B. $\overline{Z}$减小,$\overline{\lambda}$增大
C. $\overline{Z}$增大,$\overline{\lambda}$减小
D. $\overline{Z}$减小,$\overline{\lambda}$减小
题目解答
答案
C. $\overline{Z}$增大,$\overline{\lambda}$减小
解析
考查要点:本题主要考查理想气体等温过程中分子平均碰撞次数$\overline{Z}$和平均自由程$\overline{\lambda}$的变化规律,需结合气体动理论相关公式进行分析。
解题核心思路:
- 明确等温压缩过程:温度不变,体积减小,压强增大,气体分子数密度$n$增加。
- 关联物理量变化:
- 平均碰撞次数$\overline{Z}$与分子数密度$n$成正比,因此$n$增大时$\overline{Z}$增大。
- 平均自由程$\overline{\lambda}$与$n$成反比,因此$n$增大时$\overline{\lambda}$减小。
- 综合判断:$\overline{Z}$增大,$\overline{\lambda}$减小,对应选项C。
关键公式:
- 平均碰撞次数:
$\overline{Z} = n \sigma \sqrt{\frac{\pi k T}{2m}}$
其中$n$为分子数密度,$\sigma$为碰撞截面,$T$为温度,$m$为分子质量。 - 平均自由程:
$\overline{\lambda} = \frac{1}{\sqrt{2} n \sigma}$
等温压缩过程分析:
- 温度不变:$T$恒定,$\sqrt{\frac{\pi k T}{2m}}$为常数。
- 体积减小:根据理想气体状态方程$PV = NkT$($N$为分子总数),体积$V$减小,压强$P$增大,分子数密度$n = \frac{N}{V}$增大。
- $\overline{Z}$的变化:由公式$\overline{Z} \propto n$,$n$增大导致$\overline{Z}$增大。
- $\overline{\lambda}$的变化:由公式$\overline{\lambda} \propto \frac{1}{n}$,$n$增大导致$\overline{\lambda}$减小。
结论:$\overline{Z}$增大,$\overline{\lambda}$减小,正确答案为C。