(10分)热等静压设备广泛应用于材料加工中。该设备工作时,…——2019 高考物理第 14 题答案解析

2019_新课标I Paper

2019 National Question 14 Free-response Differentiating
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14.(10分)热等静压设备广泛应用于材料加工中。该设备工作时,先在室温下把惰性气体用压缩机压入到一个预抽真空的炉腔中,然后炉腔升温,利用高温高气压环境对放入炉腔中的材料加工处理,改善其性能。一台热等静压设备的炉腔中某次放入固体材料后剩余的容积为 $0 . 1 3 \mathrm { m } ^ { 3 }$ ,炉腔抽真空后,在室温下用压缩机将10瓶氩气压入到炉腔中。已知每瓶氩气的容积为 $3 . 2 \times 1 0 ^ { - 2 } \mathrm { m } ^ { 3 }$ ,使用前瓶中气体压强为 $1 . 5 \times 1 0 ^ { 7 } \mathrm { P a }$ ,使用后瓶中剩余气体压强为 $2 . 0 \times 1 0 ^ { 6 } \mathrm { P a }$ ;室温温度为 $2 7 \mathrm { } ^ { \circ } \mathrm { C }$ .氩气可视为理想气体。

(i)求压入氩气后炉腔中气体在室温下的压强;

(ⅱ)将压入氩气后的炉腔加热到 $1 2 2 7 ^ { \circ } \mathrm { C }$ ,求此时炉腔中气体的压强。

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(i)设每瓶氩气的容积为 $V_0 = 3.2 \times 10^{-2} \mathrm{~m}^3$,使用前压强 $p_0 = 1.5 \times 10^7 \mathrm{~Pa}$,使用后剩余压强 $p_1 = 2.0 \times 10^6 \mathrm{~Pa}$。
气体温度保持室温 $T_0 = 27^\circ\mathrm{C} = 300 \mathrm{~K}$ 不变,发生等温变化。
对于一瓶氩气,根据玻意耳定律,若将其全部膨胀至压强为 $p_1$,其总体积 $V'$ 满足:
$$p_0 V_0 = p_1 V'$$
解得:
$$V' = \frac{p_0}{p_1} V_0$$
则一瓶中压入炉腔的气体在压强 $p_1$ 下的体积 $\Delta V$ 为:
$$\Delta V = V' - V_0 = \left( \frac{p_0}{p_1} - 1 \right) V_0$$
10 瓶氩气压入炉腔后,这些气体在压强 $p_1$ 下的总体积为 $10 \Delta V$。
设压入后炉腔内气体压强为 $p_2$,炉腔容积 $V_{\text{腔}} = 0.13 \mathrm{~m}^3$。
再次对这部分气体应用玻意耳定律(从状态 $p_1, 10\Delta V$ 变化到 $p_2, V_{\text{腔}}$):
$$p_1 \cdot (10 \Delta V) = p_2 V_{\text{腔}}$$
代入 $\Delta V$ 的表达式:
$$p_2 = \frac{10 p_1}{V_{\text{腔}}} \left( \frac{p_0}{p_1} - 1 \right) V_0 = \frac{10 V_0 (p_0 - p_1)}{V_{\text{腔}}}$$
代入数据计算:
$$p_2 = \frac{10 \times 3.2 \times 10^{-2} \times (1.5 \times 10^7 - 2.0 \times 10^6)}{0.13}$$
$$p_2 = \frac{0.32 \times 1.3 \times 10^7}{0.13} = 3.2 \times 10^7 \mathrm{~Pa}$$

(ii)炉腔加热过程气体体积不变,发生等容变化。
初态:$p_2 = 3.2 \times 10^7 \mathrm{~Pa}$,$T_0 = 27 + 273 = 300 \mathrm{~K}$
末态:$p_3 = ?$,$T_1 = 1227 + 273 = 1500 \mathrm{~K}$
根据查理定律:
$$\frac{p_2}{T_0} = \frac{p_3}{T_1}$$
解得:
$$p_3 = \frac{T_1}{T_0} p_2 = \frac{1500}{300} \times 3.2 \times 10^7 = 5 \times 3.2 \times 10^7 = 1.6 \times 10^8 \mathrm{~Pa}$$

✅ 来源:2019年 · 全国 · 2019_新课标I卷 · 第 14 题 · 本题已通过全部自动发布校验
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