如圖所示,一輕彈簧上面連接一輕質光滑導熱活塞,活塞的面積為S,彈簧的勁度系數為K。一質量為m的光滑導熱汽缸開始與活塞恰好無縫銜接,汽缸在重力作用下下降直至最終穩定。汽缸未接觸地面,且彈簧仍處于彈性限度內,環境溫度未發生變化。汽缸壁與活塞無摩擦且不漏氣,汽缸深度為h,外界大氣壓強為 Po,重力加速度為g,求:
(1)整個過程汽缸下降的距離Δh。
解:初狀態:P1=Po,V1=Sh? ? ? 末狀態:P2=mg/S+Po,V2=Sh2
由理想氣體狀態方程,做等溫變化:
P1V1=P2V2
PoSh=(mg/S+Po)Sh2
Δh=mg/K? +(h—h2)=mg/k + mgh/(mg+PoS)
(2)當外界壓強增大時,Δh如何變?
這里很容易會根據(1)問中的Δh=mg/k + mgh/(mg+PoS),得出Po增大,Δh變小的結論。
很明顯當外界壓強增大時,氣缸內的壓強會增大,此時氣缸內氣體的氣體會減少,即氣缸會向下移動,Δh會增加。
但上面的計算結果Δh=mg/k + mgh/(mg+PoS),Δh卻是變小,這是為什么呢,這是因為在外界壓強增大時,理想氣體狀態方程初狀態PoSh是不會變的,變化的只是(mg/S+Po)Sh2中的Po增大,所以在判斷時,下面等式的左邊和右邊Po是不能合并的,只能是等式右邊的Po在增大,而等式左邊的Po不變。
PoSh=(mg/S+Po)Sh2