Piston mang vật nặng: áp suất khí phải cân bằng cả khí quyển và tải

Vật lý 12 · Ôn tập kiến thức THPT

Cân bằng piston cho p_khí=p_ngoài+Mg/S. Áp suất khí chưa chắc bằng khí quyển dù bình có piston chuyển động tự do; còn phải nâng tải phía trên.

Piston thẳng đứng, tiết diện S=0,010m², tổng tải10kg; g=10m/s², áp suất khí quyển100000Pa. Bỏ ma sát, coi tải đã gồm khối lượng piston. Lực khí pS cân bằng p_ngoàiS+Mg, nên p=100000+100/0,010=110000Pa.

Khí ban đầu V₁=1,0L,T₁=300K. Đun chậm đến450K trong khi tải không đổi, lượng khí kín và khí quyển giữ không đổi. p giữ110kPa, nên V₂=V₁T₂/T₁=1,5L. Thể tích tăng0,5L=5×10⁻⁴m³; độ nâng x=ΔV/S=0,050m=5cm.

Không lấy x bằng0,5m vì con số thể tích0,5 mang đơn vị lít, chưa phải độ dài. Cũng không bỏ khí quyển: tải chỉ gây thêm10kPa, còn áp suất tuyệt đối dùng trong phương trình khí là110kPa.

Tự luyện: giữ nhiệt độ300K nhưng tăng tổng tải từ10 lên20kg. Áp suất cân bằng120kPa; cùng khí đẳng nhiệt V₂=1,0·110/120≈0,9167L. Piston hạ xuống, đúng xu hướng nén khi tải tăng. Không dùng tỉ số10/20 cho thể tích vì hai tải không phải hai áp suất tuyệt đối.

Điều kiện cơ học tạo p không đổi chỉ có khi tải, tiết diện và áp suất ngoài giữ nguyên. Nếu piston vướng chốt, có lò xo hoặc ma sát, đun nóng chưa chắc làm piston dịch ngay; phương trình cân bằng phải bổ sung lực tương ứng. Tất cả kết quả là mô hình bài tập chậm cân bằng, không xem thiết bị áp lực thật là hoàn toàn không ma sát.

Đọc tiếp: Phương trình khí lí tưởng · Số mol và phân tử.