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1、三、气体的压强跟温度的关系在日常生活中，我们常会遇到这样一些情况：夏天给旧的自行车车胎打气，不宜打得很 足，不然，在太阳下骑行，车胎容易爆裂；卡车在运输汽水等饮料时，由于太阳曝晒，一些 质地较差的汽水瓶往往会爆裂。这些现象都表明气体压强的大小跟温度的高低有关。我们可以用实验的方法来研究一定质量的气体，在体积不变时，它的压强跟温度的关系。查理定律通过实验探索，我们初步得出一定质量气体在体积不变时，它的压强随着温度的升高而 增大的结论。从实验数据描绘出的p-t图象，基本上是一条倾斜的直线(图2-7),但是这样 还没有反映出压强和温度间确切的关系。O图 2-7最早定量研究气体压强跟温度的关系的是法国
2、物理学家查理(1746-1823)。我们为了精 确测量一定质量气体在体积不变时，不同温度下的压强，采用了图2-8 所示的实验装置。容 器A中有一定质量的空气，空气的温度可由温度计读出，空气的压强可由跟容器A连在一 起的水银压强计读出。但温度升高后，容器A中的空气会膨胀，由于压强计两臂间是用橡 皮管相连的，它的右臂可以上下移动。移上时，受热膨胀后的空气就能被压缩到原来的体积。控制变量法自然界发生的各种现象，往往是错综复杂的。决定某一个现象的产生和变化的因素常常 也很多。为了弄清事物变化的原因和规律，必须设法把其中的一个或几个因素用人为的方法 控制起来，使它保持不变，然后来比较、研究其他两个变量之
3、间的关系，这是一种研究问题 的科学方法。例如物体吸收热量温度会升高，温度升高多少是由多个因素决定的，跟吸收的热量、物 体的质量以及组成物体的物质性质有关。在研究时，可以先使一些因素保持不变，如在物质 相同、质量相同的情况下，观察物体温度升高跟所吸收热量的关系；接着再研究同种物质， 不同质量的物体吸收相等热量时，温度升高跟质量的关系等等，从而得出物体温度升高跟所 吸收的热量、物体的质量和组成物体的物质性质的关系。控制变量的科学方法在物理学的研 究中是经常使用的。这个实验是按以下步骤进行的：先把容器A浸没在冰水混和物中，这时容器A中的空气温度为0C,调节压强计右臂 的位置使两臂内水银面位于同一高度
4、，这时容器 A 中的空气压强就等于大气压强，记下 压强计左臂内水银面的位置B,这就是0C时容器A内空气体积V0的一个标记图2-8（a）。然后将烧杯中的冰水混和物倒去，换成热水，经搅拌器搅拌后，读取热水温度，即为容 器A中空气的温度。容器A中的空气受热后压强增大，体积也变大，这时压强计两臂内的 水银面的高度差并不表示气体体积不变时的压强增加量，必须提起压强计的可动臂（右臂）， 使左臂内水银面回到位置B,增大容器A内空气的压强，以保持原来的空气体积V0,这时， 压强计两臂内的水银面的高度差将变大，读出这一高度差h如图2-8 （b）所示，就可根据 P = P0+ph，算出这一温度下容器A中空气的压强
5、。实验时每一次改变热水温度后，都必须重新调节压强计可动臂的高度，使容器A中的 空气体积保持不变，并应记录每一次改变温度后，容器中空气的温度值和相应的压强值。查理用各种气体进行实验，结果表明，一定质量的各种气体在体积不变时，温度升高1（或降低）1C,压强的增加量（或减小量）等于它在oc时压强的肃1。这个实验结论叫 做查理定律。热力学温标根据查理定律可知，一定质量的气体在体积不变时，它的温度从0C降低到一1C,气 体压强将减小0C时压强的。若把这个结论进行合理外推，便可得出当温度降低到一273C 时，气体压强将减小到零的推论（图 2-9）。p( Pa)一 2730t(C)图 2-9英国物理学家、数
6、学家开尔文（1824-1907）认为，既然-273C时气体的压强为零，就 意味着这时气体分子的运动已停顿，这是绝对的零度，因此一273 C被称为绝对零度。1848 年，开尔文提出了建立以一273 C为零点的温标，叫做开氏温标，现称做热力学温标，用热 力学温标表示的温度，叫做热力学温度。热力学温度用 T 表示，它的单位是开尔文，简称 为开，符号是K。就每一开和每一度的大小来说，热力学温度和摄氏温度是相等的。热力学 温度T和摄氏温度t之间的换算关系是1 精确值应是 1/278.15T=t+273, t=T273。我们从图2-9的p-t图象可以看出，如果把直角坐标系的横坐标由摄氏温t变为热力学 温度
7、T将坐标轴的原点取在热力学温度的零开(即一273)处。这样，气体压强p和热 力学温度T之间就有了正比关系(图2-10)。于是，查理定律的表述就可以简化为：一定质量的气体在体积不变时，它的压强跟热力学温度成正比。若气体压强用p表示，热力学温度用T表示，查理定律可用以下公式表示p =Trri Op2 T2图 2-104 3 2 1 0 p ppppp【例题1】室温为20C时，把一只空瓶盖紧，当时的大气压强为1.0X105帕。把这只瓶移到炉灶 旁，当瓶内空气温度升高到40C时，它的压强是多大？【解】把瓶子盖紧时，瓶内空气压强p1=p0=1.0X105帕，温度-=(20+273)开。 移到炉灶旁，温度
8、T2=(40+273)开，瓶内空气的压强发生了变化，但它的质量和体积都 保持不变。根据查理定律p =令，p2T2瓶内空气压强,313帕=293X105 帕= 1.07X105 帕。PT21.0X105X(40+273)p2= T =20+273【例题 2】钢瓶内贮有一定质量的氧气，在温度为20C时，瓶内氧气压强为6.0X106帕。如钢瓶 的耐压值为14X106帕，则存放这瓶氧气的环境温度不得高于几度？【解】由于钢瓶的容积不变，当环境温度升高时，瓶内氧气的压强会增大，钢瓶的耐压 值也就是瓶内氧气允许达到的压强最大值。根据查理定律p1 =，已知-=(20+273)开，p1 = 6.0X106 帕，
9、p2= 14X106 帕, p2T2所以开684开,T =唄=14X106X(20+273)2 p16.0X106即环境温度不得超过t2=T2273=(684273)C=411CO所以在常温下使用或存放这瓶氧气是安全的，但不可把它放在十分靠近锅炉等温度很高 的地方。工厂或医院发生火灾时，消防人员十分注意火区中是否存放氧气瓶。如果有，则首 先要控制住这些地方的火势，迅速将氧气瓶转移到安全的地方。不然，温度过高引起氧气瓶 爆炸，会造成更大的破坏。思考1 .上海地区1990年78月份的平均气温比1989年相同月份的平均气温高出4.8C, 怎样用热力学温度来表示？图 2-11图 2-122. 采用密封
10、式罐装、使用助推剂喷雾的杀虫药水，说明书上写明“本品切勿放置在温 度高于50摄氏度的地方”。因此，即使把用完了的药水罐随手搁在暖气片上（图2-11），也 是不允许的。这是什么道理？3. 在炉灶上放一块铁板，烧热后，将一些带壳的干稻谷放在铁板上。过一会儿只听到 稻谷“噼”“啪”作响，同时有一些就变成了爆米花（图2-12）。试说明原因。练习四1. 在固定容积的容器里有一定质量的氧气，当温度从30C上升到60C时,有的同学说， 容器里的氧气压强将会增大到原来压强的2倍。这样的考虑对吗？如果要使它的压强增大到 原来压强的2倍，则容器里的氧气温度必须从30C升高到几度？2. 盛在钢瓶中的氢气，在0C时，测得其压强为910千帕。当温度升高到27C时，压 强将变为多大？3. 盛在钢瓶中的氧气，在17C时，测得其压强为9.0兆帕。把它搬到环境温度为37C 的高温车间内，钢瓶内氧气的压强变为9.3兆帕。钢瓶中的氧气是否有泄漏？为什么？4. 在大气压强为1.0X105帕、温度为30C时，把一只空瓶用橡皮塞塞住，然后把这只 瓶子放在一18C的冰箱冷冻室内，过一会儿取出瓶子。如果要计算橡皮塞所受压力的大小, 还必须知道什么条件？5. 白炽灯泡内充有氮和氩的混合气体，要使灯泡内的混合气体在100C时压强不超过 1.0X105帕，那么在室温20C制作灯泡时，所充混合气体的压强至多只能多大？
