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气体膨胀和气体自由膨胀的区别在学到气体状态变化过程以后,很多同学在对气体膨胀过程的分析中存在误区,把气体的膨胀和自由膨胀混为一谈,当成同样的过程来分析。实际上这两个过程是不同的。通常说气体膨胀时都认为气体对外做功,实际上,这种理解是有前提的。气体在膨胀时只有受到外界的阻碍作用,如有活塞密闭,活塞外有气体等,即所谓“外界”的存在,才会对外做功,而一旦所谓“外界”没有的话,如活塞无质量,活塞另一侧是真空等情况,气体膨胀时就不对外做功,叫做自由膨胀。在分析题时一定要区分是气体膨胀还是气体的自由膨胀。下面我们来对比一下两种变化的区别:例如,如图1绝热汽缸内用绝热活塞封闭两部分理想气体,开始时活塞被固定,左侧a部分气体压强大于右侧b部分气体压强;当活塞固定取消后,a,b部分气体内能怎样变化呢?活塞固定取消后,PaPb,活塞向右侧移动,左侧气体膨胀,对活塞做功,右侧气体被压缩,活塞对右侧气体做功,左侧气体内能减少,右侧气体内能增加,如果活塞有质量,在活塞移动过程中,根据能量转化与守恒定律,左侧气体内能减少量等于活塞动能增量和右侧气体内能增量之和,若活塞无质量,则两侧气体内能变化量数值相等。当活塞再次静止时,活塞有无质量,两侧气体内能变化量数值一定相等。ab真空图1 图2再如,如图2绝热汽缸被绝热活塞分成两部分,左侧装有理想气体,右侧为真空,开始活塞被固定,当活塞固定取消后,左侧气体内能怎样变化呢?当活塞固定取消后,左侧气体膨胀,右侧为真空,不会阻碍活塞的运动,如果活塞有质量,气体对活塞做功,气体内能减少量等于活塞动能增量,如果活塞没有质量,则气体自由膨胀,不对外做功,内能不变。例题:如图3所示,两个相通的容器P、Q间装有阀门K, P中充满气体,Q内为真空,整个系统与外界没有热交换。打开阀门K后,P中的气体进入Q中,最终达到平衡,则( )KQPA气体体积膨胀,内能增加B气体分子势能减少,内能增加C气体分子势能增加,压强可能不变 图3DQ中气体不可能自发地全部退回到P 中分析:当打开阀门后,右侧为真空,左侧气体自由膨胀,不对外做功,若气体为理想气体,内能不变,温度不变,压强变小;若气体为一般气体,气体内能不变,体积增大,分子间距离变大,分子势能增大,分子动能减小,温度降低,压强减小,故D选项正确。
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