一道高考热学气体变质量问题的多种解法与启示

黄俊俊

摘 要：笔者从一个生活问题联系到一道高考题，分析了热学中气体的变质量问题，用理想气体状态方程从不同的角度与方法来分析、解答这一问题，并且简单做了总结与反思。同时，也从探析热学中气体变质量问题的多种解法中得出启示：如果能够应灵活运用理想气体状态方程来求解气体物质的量，则可以让问题变得简单、清晰。

关键词：热学；气体；变质量；解法；启示

2017年5月，某电视台报道称，我国开采可燃冰的工作取得巨大突破，在海域可燃冰试开采中能够连续稳定产气，这一突破将对我国的能源结构和经济发展起到非常大的促进作用。在报道时，该电视台为了突显可燃冰的价值进行了如下分析：100L的可燃冰能够释放出16m3的天然气，使用天然气作为燃料的汽车加100L的罐装天然气能够行驶300km，那么16m3的天然气相当于160罐100L的天然气，由此可得总行驶路程为160×300km=48000km≈5万公里，结论：100L的可燃冰可供汽车行驶5万公里。乍一看，这分析还挺有道理，然而所得出的结论却被广大网友批评不切实际，该电视台的相关人员还被批评连高中物理基本知识都没有掌握好。

那么按照高中物理知识来分析，得到的结论又应该是怎样的呢？

一、解法与分析

我们先来分析与该问题类似的一道2016年全国高考二卷物理试题中的热学题，并从不同的角度与方法来分析、解答这一题目。具体题目如下：

一氧气瓶的容积为0.08m3，开始时瓶中氧气的压强为20个大气压。某实验室每天消耗1个大气压的氧气0.36m3。当氧气瓶中的压强降低到2个大气压时，需重新充气。若氧气的温度保持不变，求这瓶氧气重新充气前可供该实验室使用多少天。

方法总结：由混合理想气体分压定律可知，恒温下，混合气体中各组分气体所产生的分压强则等于它单独占有整个容器（与总气体混合物相同体积时）所产生的压强。题目三个状态下的氧气可以看作是三组混合气体，则开始时瓶中氧气的压强应该等于每天消耗氧气与剩余氧气在相同体积与温度条件下的压强之和，本题中氧气温度不变，故可以把三个状态下氧气的体积都转换成氧气瓶的体积，求出对应的压强，用氧气的压强来代表氧气量的多少，计算三个状态下氧气压强的倍数关系即可知道瓶中氧气可供使用的天数。

二、总结与启示

高中物理热学部分，在分析气体状态变化时用得最多的是玻意耳定律（p与V的关系）、查理定律（p与T的关系）和盖·吕萨克定律（V与T的关系），然而这三条定律都有一个共同的条件：只适用于一定质量的气体。所以当题目中出现气体的质量变化或物质的量变化的问题时，这三条定律就显得不是那么方便。而我们如果能够应灵活运用理想气体状态方程来求解气体物质的量，则可以让问题变得简单、清晰。

參考文献

[1]吴英.一道热学题的多种解法与启示[J].中学生数理化（高二版），2012（Z1）.

[2]秦允豪.普通物理学教程热学（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]白玉湖，李清平.海洋天然气水合物藏开采若干问题研究[J].中国工程科学，2011（05）.

[4]吴震.新型洁净能源可燃冰的研发现状[J].节能，2009（02）.