1、為什么第一定律數(shù)學表示式dU=δQ-δW 中內能前面用微分號d,而熱量和功的前面用δ符號?
答:因為內能是狀態(tài)函數(shù),具有全微分性質。而熱量和功不是狀態(tài)函數(shù),其微小
改變值用δ表示。
2、公式H=U+PV中H > U,發(fā)生一狀態(tài)變化后有ΔH =ΔU +Δ(PV), 此時ΔH >ΔU嗎?為什么?
答:不一定。因為Δ(PV)可以為零、正數(shù)和負數(shù)。
3、ΔH = Qp , ΔU = Qv兩式的適用條件是什么?
答:ΔH = Qp此式適用條件是:封閉系等壓非體積功為零的體系。
ΔU = Qv此式適用條件是:封閉系等容非體積功為零的體系。 (1)狀態(tài)確定后,狀態(tài)函數(shù)的值即被確定。
答:對。
(2)狀態(tài)改變后,狀態(tài)函數(shù)值一定要改變。
答:不對。如:理想氣體等溫膨脹過程,U和H的值就不變化。 (3)有一個狀態(tài)函數(shù)值發(fā)生了變化,狀態(tài)一定要發(fā)生變化。 答:對。
4、想氣體絕熱向真空膨脹,ΔU=0,ΔH=0對嗎?
答:對。因理想氣體絕熱向真空膨脹過程是一等溫過程。
5、恒壓、無相變的單組分封閉體系的焓值當溫度升高時是增加、減少還是不變? 答:增加。
6、當體系將熱量傳遞給環(huán)境后,體系的焓值是增加、不變還是不一定改變? 答:不一定改變。
7、等溫等壓進行的某化學反應,實驗測得T1和T2時的熱效應分別為ΔrH1和ΔrH2,用基爾霍夫公式驗證時,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不相等。為什么?
解:用基爾霍夫公式計算的ΔrHm,1和ΔrHm,2是反應物完全變成產物時的值。而ΔrH1和ΔrH2是該化學反應達到平衡時實驗測得的值。
8、“功、熱與內能均是能量,所以它們的性質相同”這句話正確否? 答:不正確。雖然功、熱與內能都有能量的量綱,但在性質上不同,內能是體系的本身性質,是狀態(tài)函數(shù)。而熱與功是體系與環(huán)境間交換的能量,是與熱力學過程相聯(lián)系的過程量。功與熱是被“交換”或“傳遞”中的能量,不是體系本身的性質,不是狀態(tài)函數(shù),與內能性質不同。熱與功也有區(qū)別,熱是微粒無序運動而傳遞的能量,功是微粒有序運動而傳遞的能量。
9、 為什么本教材中熱力學第一定律表達式是:ΔU=Q+W,而有些書中采用ΔU=Q-W,兩者是否有矛盾,為什么?
答:因為本教材規(guī)定:體系吸熱為正,放熱為負;體系對外作功,W為負值,環(huán)境對體系作功,W為正值,總的來說,體系在過程中得到能量為正,失去能量為負。在這個規(guī)定下,要滿足能量守衡原理,則必須是體系吸的熱加上環(huán)境對體系作的功后,才等于體系內能的變化值,所以是ΔU=Q+W。而有些書上,功的符號與上述規(guī)定相反,(體系向環(huán)境做功,W 為正值,環(huán)境向體系做功,W 為負值),則就是ΔU=Q-W。
10、一體系由A態(tài)到B態(tài),沿途徑Ⅰ放熱 100J,對體系作功 50J。問(1)由A態(tài)沿途徑Ⅱ到B態(tài)體系作功 80J,其Q值為多少?(2) 如體系由B態(tài)沿途徑Ⅲ回到
A態(tài)得50J功,體系吸熱環(huán)是放熱?Q為多少?
答:(1) ΔUA→B=-100+50=-50J Q=ΔUA→B-W=-50-(-80)=30J (2) ΔUB→A=-ΔUA→B=50J Q=ΔUB→A-W=50-50=0 體系不吸熱也放熱
11、已知體系的狀態(tài)方程式F(T,p,V)=0,由U=f(T,V)寫出當壓力不變時氣體的內能對溫度的變化率的表達式。
答:dU=(ЭU/ЭT)VdT+(ЭU/ЭV)TdV壓力不變時,除以dT:(ЭU/ЭT)p=(Э
U/ЭT)V+(ЭU/ЭV)T(ЭV/ЭT)p
12、為什么無非體積功的等壓過程的熱,只決定于體系的初、終態(tài)? 答:因為無其它功的等壓過程中Qp=ΔH,而 ΔH 是體系狀態(tài)函數(shù)的改變值,其大小只決定于體系的始終態(tài),所以在無其它功的等壓過程 Qp 大小只決定于初終態(tài)。
13、“因 ΔH=Qp,所以只有等壓過程才有 ΔH。”這句話是否正確? 答:不正確。H是狀態(tài)函數(shù),H=U+pV,凡是體系狀態(tài)發(fā)生變化,不管經過什么過程,體系的焓值都可能變化,即 ΔH 有可能不等于零。
14、因為“ΔH=Qp,所以Qp 也具有狀態(tài)函數(shù)的性質”對嗎?為什么? 答:不對,ΔH=Qp,只說明Qp 等于狀態(tài)函數(shù)H的變化值 ΔH,僅是數(shù)值上相等,并不意味著Qp 具有狀態(tài)函數(shù)的性質。ΔH=Qp 只能說在恒壓而不做非體積功的特定條件下,Qp 的數(shù)值等于體系狀態(tài)函數(shù) H 的改變,而不能認為 Qp 也是狀態(tài)函數(shù)。 15、試證明在無非體積功的等容過程中體系的ΔU=QV。
證明:ΔU=Q+W 等容時 ΔV=0,又無其它功,W=0 ∴ ΔU=QV 16、為什么對于理想氣體,公式ΔU=nCV,mdT 可用來計算任一過程的ΔU,并不受定容條件的限制?
答:因為對理想氣體,U=f(T),內能僅是溫度的函數(shù),從始態(tài)出發(fā),不論經什么過程,達到不同的終態(tài),只要始終態(tài)溫度分別相同,ΔU 就一定相同。所以公式ΔU=CV,mdT并不受定容條件的限制。
恒容過程ΔU1
CV,mdT 兩者終態(tài)的溫度相同
恒壓過程 ΔU2=ΔU1+ΔU3 ∴ ΔU3=0 ∴ ΔU2=ΔU1=CV,mdp 即 1mol理想氣體不論什么過程,只要變到相同溫度的終態(tài)其ΔU 總是等于CV,mdT 17、為什么理想氣體常數(shù)R在數(shù)值上等于1mol理想氣體升高1K時所作的等壓體積功?
答:W=-p外ΔV=-p(V2-V1)=-nR(T2-T1) 當 n=1mol T2-T1=1K 時 W=R 18、體系中有100克N2,完全轉化成NH3,如按計量方程式N2+3H2→2NH3,Δξ=?
N2
H2—→NH3,Δξ=?,如反應前體系中N2的物質的
量n(N2)=10mol,分別按上述二計量方程式所得的Δξ計算反應后的 n'(N2)=? 答:nN2(0)=100/28=3.57mol nN2(ξ)=0 Δξ1=[nN2(ξ)-nN2(0)]/νB=(0-3.57)/(-1)=3.57mol Δξ2=(0-3.57)/(-1/2)=7.14mol
公式:nB(ξ)=nB(0)+νBΔξ nB(0)=10mol
按方程式:N2+3H2→2NH3, nN2(3.57)=10-(-1)×3.57=6.43mol
N2
H2→NH3, n'N2(7.14)=10-(-1/2)×7.14=6.43mol
兩者結果相同。
19、根據(jù)Qp,m=QV,m+∑νB(g)RT,Qp,m 一定大于QV,m 嗎?為什么?舉例說明。
答:Qp,不一定大于QV,其大小比較取決于 ∑νB(g) 的符號,若∑νB(g)>0, m m, 則 Qp,m> QV,m,但若 ∑νB(g)<0, Qp,m<QV,m 例如:H2(g)
O2(g)—→H2O(l)
ΔHm=Qp=-285.9 kJ·mol-1 ∑νB(g)=-1.5<0
QV,m=Qp,m-∑νB(g)RT=-285.8×103+1.5×8.314×298=-282 kJ·mol-1 Qp,m<QV,m
又例如:Zn(s)+H2SO4(aq)—→ZnSO4(aq)+H2(g)↑ Qp,m=-177.9 kJ·mol-1 ∑νB(g)=1>0
QV,m=Qp,m-∑νB(g)RT=-177.9×10-3-8.314×298=-180.37 KJ·mol-1 Qp,m>QV,m
20、“穩(wěn)定單值的焓值等于零”;“化合物摩爾生成熱就是 1mol 該物質所具有的焓值” 對嗎?為什么?
答:不對。穩(wěn)定單質的焓值并不等于零。但可以說標準狀態(tài)下穩(wěn)定單質的規(guī)定焓值等于零,人為規(guī)定標準狀態(tài)下,穩(wěn)定單質的生成焓,即規(guī)定焓為0?;衔锏哪柹?成熱不是 1mol 物質所具有的焓的絕對值,而是相對于生成它的穩(wěn)定單質的焓的相對值。即是以標準狀態(tài)下穩(wěn)定單質生成熱為零作基線,得出的相對值。 21、 證明由鍵焓計算反應的 ΔHm 的公式是:ΔrHm=(-∑ni答:化合物的ΔfH
ni(ΔH
)-(∑nj
j
i
)(反應物-產物)
)
)-∑(n
j
而反應熱效應 ΔrHm=∑νB(ΔHm,f)B=∑νB[∑ni(ΔH
j
)]B
)B-∑νB(∑nj
jB
=∑νB(∑niΔH
)
因組成產物與反應物的元素相同,且各種原子的數(shù)目也相等, 即 ∑νB(∑niΔH
=-∑νB(∑nj
jB
)B=0 便有ΔHm=-∑νB(∑nj)(反應物)-∑νB(∑nj
j
jB
)
)(產物)
jB
若將反應物的計量系數(shù)νB考慮為正值,則上式(-∑νB(∑nj為∑νB(∑nj
jB
)(反應物),便成
)(反應物),再將一個B分子中的j鍵數(shù)nj乘上方程式中反應物
i
的計量系數(shù)ν,便是該反應方程中反應物總j鍵數(shù)nj,改寫為ni,鍵焓 么,反應物的總鍵焓值便為(∑ni正值,則為 (∑ni物)。
i
i
,那
)(反應物)。同理對產物的計量系數(shù)考慮為
i
)(產物)。便得:ΔHm=(∑ni)(反應物)-(∑ni
i
)(產
22、反應 A(g)+2B(g)—→C(g) 的ΔrHm(298.2K)>0,則此反應進行時必定吸熱,對嗎? 為什么?
答:不對。只有在等壓下,無非體積功時,Qp=ΔHm,ΔHm>0,故 Qp>0,體系必定吸熱。但在有非體積功,或者非等壓條件下,ΔHm≠Qp ,ΔHm>0,Qp可以小于0,等于0,不一定吸熱。例如,絕熱容器中H2與O2 燃燒,ΔHm>0,但Q=0,不吸熱。
23、 “可逆過程一定是循還過程,循還過程一定是可逆過程”這種說法對嗎? 為什么?
答:不對。可逆過程不一定為循環(huán)過程。因為只要體系由A態(tài)在無摩擦等消耗效應存在的情況下,經由一系列無限接近平衡狀態(tài)到達B態(tài),則由A到B的過程是可逆。顯然,如果初態(tài) A 與終態(tài) B 是兩個不同的狀態(tài),則A到B便不是循環(huán)過程;如果B態(tài)就是A 態(tài)則該過程便是可逆循環(huán)過程。循環(huán)過程不一定是可逆的,由始態(tài)A開始,狀態(tài)經過變化,不論途徑可逆與否,只要回到始態(tài)A,就是循環(huán)
過程。只是,由A態(tài)開始,在無摩擦等消耗效應存在的情況下,經過由一系列無限接近平衡狀態(tài),又回到A態(tài)的循環(huán)過程才是可逆循環(huán)過程??傊赡孢^程與循環(huán)過程是兩個完全不同的概念。
24、 氣體同一初態(tài)(p1,V1)出發(fā)分別經等溫可逆壓縮與絕熱可逆壓縮,至終態(tài),終態(tài)體積都是V2,哪一個過程所作壓縮功大些?為什么?
答:(規(guī)定環(huán)境做功為正值),絕熱可逆壓縮功大于等溫可逆壓縮功。這是因為絕熱壓縮 時,環(huán)境所做功全部都變成氣體的內能,因而氣體的溫度升高,故當氣體終態(tài)體積為V2 時,氣體的壓力比經等溫可逆到達V2 時氣體的壓力要高,即絕熱可逆壓縮時,環(huán)境施加的壓力大些,因而所做壓縮功也多些。
25、 從同一初態(tài)(p1,V1)分別經可逆的絕熱膨脹與不可逆的絕熱膨脹至終態(tài)體積都是V2時,氣體壓力相同嗎?為什么?
答:不相同??赡娼^熱膨脹由(p1,V1)到V2 體系付出的功大于不可逆絕熱膨脹由(p1,V1)到V2 所付出的功。而兩過程的 Q 都等于零,因而前一過程中體系內能降低得更多,相應終態(tài)氣體的溫度也低些。所以可逆絕熱膨脹比不可逆絕熱膨脹到終態(tài)V2 時氣體的壓力低些。
第一章 熱力學第一定律 1.“根據(jù)道爾頓分壓定律p=∑B pB壓力具有加和性,因此是廣延性質。”這一結論正確否?為什么?
答:不對。壓力與溫度一樣是強度性質。不具有加和性,所謂加和性,是指一個熱力學平衡體系中,
某物質的數(shù)量與體系中物質的數(shù)量成正比,如 Cp=∑nBCp,m(B)。而道爾頓分壓定律中的分壓pB
是指在一定溫度下,組分B單獨占有混合氣體相同體積時所具有的壓力。總壓與分壓的關系不是同
一熱力學平衡體系中物量之間的關系,與物質的數(shù)量不成正比關系,故p=∑pB不屬加和性。本題
所犯錯誤是把混和氣體中 總壓 p與各組分分壓 pB 關系誤認為是熱力學平衡體系中整體與部分的關系。 2.“凡是體系的溫度升高時就一定吸熱,而溫度不變時,體系既不吸熱也不放熱”,這種說法對否? 舉實例說明。
答:不對。例如:絕熱條件下壓縮氣體,體系溫度升高,但并未從環(huán)境中吸熱。
又如:在絕熱體容器
中,將 H2SO4 注入水中,體系溫度升高,但并未從環(huán)境吸熱。再如:理想氣體等溫膨脹,從環(huán)境
吸了熱,體系溫度并不變化。在溫度不變時,體系可以放熱或吸熱,相變時就是這樣。例如水在
1atm、100℃下變成水蒸氣,溫度不變則吸熱。
3.-p(外)dV與-p(外)ΔV有何不同?-pV就是體積功,對嗎?為什么在例2中-pVm(g)是體積功? 答:-p(外)dV 是指極其微小的體積功。-p(外)ΔV 是在指外壓不變的過程體積功。即在外壓 p 不
變的過程中體積由 V1變化到 V2(ΔV=V2-V1)時的體積功。-pV不是體積功,體積功是指在外壓
(p外)作用下,外壓p與體積變化值(dV)的乘積。V與 dV 是不同的,前者是指體系的體積,后
者是體積的變化值。體積變化時才有體積功。例2中的-pVm(g)實為-p[Vm(g)-Vm(l)],在這里忽略
了Vm(l),這里的Vm(g)實為ΔV=Vm(g)-Vm(l),因此-pVm是體積功。 4.“功、熱與內能均是能量,所以它們的性質相同”這句話正確否?
答:不正確。雖然功、熱與內能都有能量的量綱,但在性質上不同,內能是體系的本身性質,是狀
態(tài)函數(shù)。而熱與功是體系與環(huán)境間交換的能量,是與熱力學過程相聯(lián)系的過程量。功與熱是被
“交換”或“傳遞”中的能量,不是體系本身的性質,不是狀態(tài)函數(shù),與內能性質不同。熱與功
也有區(qū)別,熱是微粒無序運動而傳遞的能量,功是微粒有序運動而傳遞的能量。
5. 為什么本教材中熱力學第一定律表達式是:ΔU=Q+W,而有些書中采用ΔU=Q-W,
兩者是否有矛盾,為什么?
答:因為本教材規(guī)定:體系吸熱為正,放熱為負;體系對外作功,W為負值,環(huán)境對體系作功,
W為正值,總的來說,體系在過程中得到能量為正,失去能量為負。在這個規(guī)定下,要滿
足能量守衡原理,則必須是體系吸的熱加上環(huán)境對體系作的功后,才等于體系內能的變化值,
所以是ΔU=Q+W。而有些書上,功的符號與上述規(guī)定相反,(體系向環(huán)境做功,W 為正值,
環(huán)境向體系做功,W 為負值),則就是ΔU=Q-W。
6.一體系由A態(tài)到B態(tài),沿途徑Ⅰ放熱 100J,對體系作功 50J。問(1)由A態(tài)沿途徑Ⅱ到B態(tài)體系
作功 80J,其Q值為多少?(2) 如體系由B態(tài)沿途徑Ⅲ回到A態(tài)得50J功,
體系吸熱環(huán)是放熱? Q為多少?
答:(1) ΔUA→B=-100+50=-50J Q=ΔUA→B-W=-50-(-80)=30J (2) ΔUB→A=-ΔUA→B=50J Q=ΔUB→A-W=50-50=0 體系不吸熱也放熱
7.已知體系的狀態(tài)方程式F(T,p,V)=0,由U=f(T,V)寫出當壓力不變時氣體的內能對溫度的 變化率的表達式。
答:dU=(U/T)VdT+(U/V)TdV
壓力不變時,除以dT:(U/T)p=(U/T)V+(U/V)T(V/T)p
8.為什么無非體積功的等壓過程的熱,只決定于體系的初、終態(tài)?
答:因為無其它功的等壓過程中Qp=ΔH,而 ΔH 是體系狀態(tài)函數(shù)的改變值,其大小只決定于體
系的始終態(tài),所以在無其它功的等壓過程 Qp 大小只決定于初終態(tài)。 9.“因 ΔH=Qp,所以只有等壓過程才有 ΔH?!边@句話是否正確?
答:不正確。H是狀態(tài)函數(shù),H=U+pV,凡是體系狀態(tài)發(fā)生變化,不管經過什么過程,體系的焓
值都可能變化,即 ΔH 有可能不等于零。
10.因為“ΔH=Qp,所以Qp 也具有狀態(tài)函數(shù)的性質”對嗎?為什么?
答:不對,ΔH=Qp,只說明Qp 等于狀態(tài)函數(shù)H的變化值 ΔH,僅是數(shù)值上相等,并不意味著Qp
具有狀態(tài)函數(shù)的性質。ΔH=Qp 只能說在恒壓而不做非體積功的特定條件下,Qp 的數(shù)值等于體
系狀態(tài)函數(shù) H 的改變,而不能認為 Qp 也是狀態(tài)函數(shù)。
11.試證明在無非體積功的等容過程中體系的ΔU=QV。 證明:ΔU=Q+W 等容時 ΔV=0,又無其它功,W=0 ∴ ΔU=QV
12.為什么對于理想氣體,公式ΔU=nCV,mdT 可用來計算任一過程的ΔU,
并不受定容條件的限制?
答:因為對理想氣體,U=f(T),內能僅是溫度的函數(shù),從始態(tài)出發(fā),不論經什么過程,
達到不同的終態(tài),只要始終態(tài)溫度分別相同,ΔU 就一定相同。所以公式ΔU=CV,mdT
并不受定容條件的限制。
恒容過程ΔU1=CV,mdT 兩者終態(tài)的溫度相同
恒壓過程 ΔU2=ΔU1+ΔU3 ∴ ΔU3=0 ∴ ΔU2=ΔU1=CV,mdp
即 1mol理想氣體不論什么過程,只要變到相同溫度的終態(tài)其ΔU 總是等于CV,mdT
13.為什么理想氣體常數(shù)R在數(shù)值上等于1mol理想氣體升高1K時所作的等壓體積功?
答:W=-p外ΔV=-p(V2-V1)=-nR(T2-T1) 當 n=1mol T2-T1=1K 時 W=R
14.體系中有100克N2,完全轉化成NH3,如按計量方程式N2+3H2→2NH3,Δξ=?,如按計量
方程式N2+H2—→NH3,Δξ=?,如反應前體系中N2的物質的量n(N2)=10mol,分別按
上述二計量方程式所得的Δξ計算反應后的 n'(N2)=? 答:nN2(0)=100/28=3.57mol nN2(ξ)=0
Δξ1=[nN2(ξ)-nN2(0)]/νB=(0-3.57)/(-1)=3.57mol Δξ2=(0-3.57)/(-1/2)=7.14mol
公式:nB(ξ)=nB(0)+νBΔξ nB(0)=10mol
按方程式:N2+3H2→2NH3, nN2(3.57)=10-(-1)×3.57=6.43mol
按方程式:N2+H2→NH3, n'N2(7.14)=10-(-1/2)×7.14=6.43mol 兩者結果相同。
15. 根據(jù)Qp,m=QV,m+∑νB(g)RT,Qp,m 一定大于QV,m 嗎?為什么?舉例說明。 答:Qp,m 不一定大于QV,m,其大小比較取決于 ∑νB(g) 的符號,若∑νB(g)>0, 則 Qp,m> QV,m,但若 ∑νB(g)<0, Qp,m<QV,m 例如:H2(g)+O2(g)—→H2O(l)
ΔHm=Qp=-285.9 kJ·mol-1 ∑νB(g)=-1.5<0
QV,m=Qp,m-∑νB(g)RT=-285.8×103+1.5×8.314×298=-282 kJ·mol-1 Qp,m<QV,m
又例如:Zn(s)+H2SO4(aq)—→ZnSO4(aq)+H2(g)↑ Qp,m=-177.9 kJ·mol-1 ∑νB(g)=1>0
QV,m=Qp,m-∑νB(g)RT=-177.9×10-3-8.314×298=-180.37 KJ·mol-1 Qp,m>QV,m
16.“穩(wěn)定單值的焓值等于零”;“化合物摩爾生成熱就是 1mol 該物質所具有的焓值”
對嗎?為什么?
答:不對。穩(wěn)定單質的焓值并不等于零。但可以說標準狀態(tài)下穩(wěn)定單質的規(guī)定焓值等
于零,人為規(guī)定標準狀態(tài)下,穩(wěn)定單質的生成焓,即規(guī)定焓為0?;衔锏哪柹?/span>
成熱不是 1mol 物質所具有的焓的絕對值,而是相對于生成它的穩(wěn)定單質的焓的相
對值。即是以標準狀態(tài)下穩(wěn)定單質生成熱為零作基線,得出的相對值。
17. 證明由鍵焓計算反應的 ΔHm 的公式是:ΔrHm=(-∑nii)(反應物-產物) 答:化合物的ΔfHni(ΔH)-(∑njj)
而反應熱效應 ΔrHm=∑νB(ΔHm,f)B=∑νB[∑ni(ΔH)-∑(nj
j)]B
=∑νB(∑niΔH)B-∑νB(∑njj)B
因組成產物與反應物的元素相同,且各種原子的數(shù)目也相等,
即 ∑νB(∑niΔH)B=0
便有ΔHm=-∑νB(∑njj)B
=-∑νB(∑njj)B(反應物)-∑νB(∑njj)(產物)
若將反應物的計量系數(shù)νB考慮為正值,則上式(-∑νB(∑njj)B(反應物),便成為
∑νB(∑njj)B(反應物),再將一個B分子中的j鍵數(shù)nj乘上方程式中反應物的計
量系數(shù)ν,便是該反應方程中反應物總j鍵數(shù)nj,改寫為ni,鍵焓 i,那么,
反應物的總鍵焓值便為(∑nii)(反應物)。同理對產物的計量系數(shù)考慮為正值,
則為 (∑nii)(產物)。便得:ΔHm=(∑nii)(反應物)-(∑nii)(產物)。
18. 反應 A(g)+2B(g)—→C(g) 的ΔrHm(298.2K)>0,則此反應進行時必定吸熱, 對嗎? 為什么?
答:不對。只有在等壓下,無非體積功時,Qp=ΔHm,ΔHm>0,故 Qp>0,體系必定
吸熱。但在有非體積功,或者非等壓條件下,ΔHm≠Qp ,ΔHm>0,Qp可以小于0,
等于0,不一定吸熱。例如,絕熱容器中H2與O2 燃燒,ΔHm>0,但Q=0,
不吸熱。
19. “可逆過程一定是循還過程,循還過程一定是可逆過程”這種說法對嗎? 為什么?
答:不對??赡孢^程不一定為循環(huán)過程。因為只要體系由A態(tài)在無摩擦等消耗效應存在
的情況下,經由一系列無限接近平衡狀態(tài)到達B態(tài),則由A到B的過程是可逆。顯然,
如果初態(tài) A 與終態(tài) B 是兩個不同的狀態(tài),則A到B便不是循環(huán)過程;如
果B態(tài)就是
A 態(tài)則該過程便是可逆循環(huán)過程。循環(huán)過程不一定是可逆的,由始態(tài)A開始,狀態(tài)經
過變化,不論途徑可逆與否,只要回到始態(tài)A,就是循環(huán)過程。只是,由A態(tài)開始,
在無摩擦等消耗效應存在的情況下,經過由一系列無限接近平衡狀態(tài),又回到A態(tài)的
循環(huán)過程才是可逆循環(huán)過程??傊赡孢^程與循環(huán)過程是兩個完全不同的概念。
20. 氣體同一初態(tài)(p1,V1)出發(fā)分別經等溫可逆壓縮與絕熱可逆壓縮,至終態(tài),終態(tài)體
積都是V2,哪一個過程所作壓縮功大些?為什么?
答:(規(guī)定環(huán)境做功為正值),絕熱可逆壓縮功大于等溫可逆壓縮功。這是因為絕熱壓縮
時,環(huán)境所做功全部都變成氣體的內能,因而氣體的溫度升高,故當氣體終態(tài)體積為
V2 時,氣體的壓力比經等溫可逆到達V2 時氣體的壓力要高,即絕熱可逆壓縮時,
環(huán)境施加的壓力大些,因而所做壓縮功也多些。
21. 從同一初態(tài)(p1,V1)分別經可逆的絕熱膨脹與不可逆的絕熱膨脹至終態(tài)體積都是V2
時,氣體壓力相同嗎?為什么?
答:不相同。可逆絕熱膨脹由(p1,V1)到V2 體系付出的功大于不可逆絕熱膨脹由
(p1,V1)到V2 所付出的功。而兩過程的 Q 都等于零,因而前一過程中體系內能
降低得更多,相應終態(tài)氣體的溫度也低些。所以可逆絕熱膨脹比不可逆絕熱膨脹到
終態(tài)V2 時氣體的壓力低些。
22. 理想氣體經一等溫循環(huán),能否將環(huán)境的熱轉化為功?如果是等溫可逆循環(huán)又怎樣?
答:不能。理想氣體的內能在等溫過程中不變。ΔU=0
恒外壓不可逆膨脹
假設它由 A(p1,V1,T1)—————————→B(p2,V2,T1)
所作功 W(不)=-Q(不)=-p2(V2-V1),再經過可逆壓縮回到始態(tài), 可逆壓縮
B(p2,V2,T1)——————→ A(p1,V1,T1)(原初態(tài))
W'=-Q'=-RTln(V1/V2) (因為可逆壓縮環(huán)境消耗的功最?。?整個循環(huán)過程:
W=W(不)+W'=-p2(V2-V1)-RTln(V1/V2)=-Q
∵ -p2(V2-V1)<0,-RTln(V1/V2)>0,并且前者的絕對值小于后者, ∴W=-Q>0,Q<0,環(huán)境得熱,W>0體系得功,即環(huán)境失熱。
說明整個循環(huán)過程中,環(huán)境對體系作功,而得到是等量的熱,不是把環(huán)境的熱變成功。
同樣,如果A—→B是等溫可逆膨脹,B—→A是等溫不可逆壓縮,結果也是W>0,
Q<0,體系得功,環(huán)境得熱,即環(huán)境付出功得到熱。不能把環(huán)境熱變成功。 如果 A——B是等溫可逆膨脹,B——A是等溫可逆壓縮,即為等溫可逆循環(huán)過程,
W=-RTln(V2/V1)-RTln(V1/V2)=0, 則 Q=-W=0,不論是體系還是環(huán)境, 均未得失功,各自狀態(tài)未變。
由上分析,理想氣體經一等溫循環(huán),不能將環(huán)境溫轉化為功。
23. 將置于室內的一電冰箱的箱門打開,使其致冷機運轉,能否降低全室溫度?設該機在
0℃ 與室溫(25℃)作理想可逆循環(huán)每小時能凍出 1Kg 的冰,如房間的總熱容為 150
KJ·K-1,估算電冰箱工作 10 小時后室內溫度的變化?
答:不能。因為,冰箱門打開,箱內與室內空氣流通,使高低兩個熱源溫度相等。致冷機
工作,致冷機消耗的電功以及冰箱內冷卻器 (低溫熱源)吸的熱都以熱的形式放到室
內 (高溫熱源),當冰箱門打開時,室內空氣又流入箱內,使室內氣溫升高。這樣,
總的效果是致冷機消耗電能轉化為室內空氣的內能,反使室內溫度升高。因而使室
內溫度非但不降低反而升高。
1克水的比熱為 4.184 J·K-1,1克水的凝固熱為 339 J·g-1
Q'=1000×(4.184×25+339)×10=4436 KJ
β=T1/(T2-T1)= 273/25 = 10.92 β=Q'/W
W=Q'/10.92=4436/10.92=406.23 KJ
Q2=W-Q'=4842 KJ ΔT=4842/150=32 K
T3=298+32= 330 K ,房間溫度變?yōu)?30K。