Question

如圖所示，兩個可導熱的氣缸豎直放置，它們的底部都由一細管連通（忽略細管的容積）。兩氣缸各有一個活塞，質量分別為m₁和m₂，活塞與氣缸無摩擦。活塞的下方為理想氣體，上方為真空。當氣體處于平衡狀態時，兩活塞位于同一高度h。（已知m₁＝3m，m₂＝2m）
（1）在兩活塞上同時各放一質量為m的物塊，求氣體再次達到平衡后兩活塞的高度差（假定環境溫度始終保持為T₀）。
（2）在達到上一問的終態后，環境溫度由T₀緩慢上升到T，試問在這個過程中，氣體對活塞做了多少功？氣體是吸收還是放出了熱量？（假定在氣體狀態變化過程中，兩物塊均不會碰到氣缸頂部）。

Answer 1

解：（1）設左、右活塞的面積分別為A'和A，由于氣體處于平衡狀態，故兩活塞對氣體的壓強相等，即：
由此得：
在兩個活塞上各加一質量為m的物塊后，右活塞降至氣缸底部，所有氣體都在左氣缸中
在初態，氣體的壓強為，體積為；在末態，氣體壓強為，體積為（x為左活塞的高度）
由玻意耳－馬略特定律得：
解得：，即兩活塞的高度差為
（2）當溫度由T₀上升至T時，氣體的壓強始終為，設x'是溫度達到T時左活塞的高度，由蓋·呂薩克定律得：
活塞對氣體做的功為：
由熱力學第一定律：，W<0，ΔU>0，∴Q>0，在此過程中氣體吸收熱量