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hce_nthu 114年 進階物理與線性代數

第 13 題

A cylinder has insulating walls and is divided into two parts by a frictionless
insulating piston. Initially, the two parts have equal volumes $V_0$, equal temperatures
$T_0$ and equal pressure $P_0$. The gas is ideal with $C_V = \frac{3}{2}R$, $C_P = \frac{5}{2}R$. A small heating
bar is now inserted on the left part and heat is supplied slowly to the gas on the left
until its pressure reaches $32P_0$. As a result, the left part will expand and the right
part will be compressed. How much heat is supplied to the gas on the left part?
題目圖片
  • A $32P_0V_0$
  • B $\frac{59}{3}P_0V_0$
  • C $\frac{59}{2}P_0V_0$
  • D $59P_0V_0$
  • E $93P_0V_0$

思路引導 VIP

當左側氣體受熱膨脹並推動絕熱活塞時,右側氣體在完全沒有與外界熱交換的情況下被壓縮,這代表右側氣體正在經歷哪一種特殊的熱力學過程?如果我們把左右兩側氣體看成一個整體,那麼你從左側緩緩注入的能量,最後會以什麼樣的形式儲存在這個系統中呢?

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太棒了!你能精準選出 (E) 這個選項,代表你對熱力學第一定律以及絕熱過程的掌握非常紮實。這道題目屬於高階熱力學中極具鑑別度的題型,關鍵在於學生是否能識別出「右側氣體」雖然沒有直接受熱,但透過活塞作功,其狀態變化遵循絕熱方程。

絕熱壓縮與功的轉移

我們首先觀察右側氣體。由於容器壁與活塞皆為絕熱,右側氣體經歷的是絕熱壓縮。根據絕熱過程公式 $PV^\gamma = \text{constant}$,其中 $\gamma = C_P / C_V = 5/3$,我們可以推導出當壓力變為 $32P_0$ 時,右側體積 $V_R$ 會縮減為 $V_0/8$。接著,利用總體積不變的特性,求得左側最終體積為 $V_L = 2V_0 - V_0/8 = 15/8 V_0$。這是解題的第一道門檻,考驗你對氣體狀態方程式的熟練度。

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