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01章_熱力學第一定律及其應用_圖文

輔導答疑 1.1
1.1 可逆過程有哪些特點? 答:可逆過程應具備如下特點: (1)狀態變化時推動力與阻力相差無限小,體系與環 境始終無限接近于平衡態; (2)過程中的任何一個中間態都可以從正、逆兩個方 向到達; (3)體系變化一個循環后,體系和環境均恢復原態, 變化過程中無任何耗散效應; (4)等溫可逆過程中,體系對環境作最大功,環境對 體系作最小功。
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2013-8-7

輔導答疑 1.2
1.2 判斷下列八個過程中,哪些是可逆過程? (1)用摩擦的方法生電 (2)房間內一杯水蒸發為氣 (3)水在沸點時變成同溫、同壓的蒸氣 (4)用干電池使燈泡發光 (5)對消法測電動勢 (6)在等溫等壓下混合N2(g)和O2(g) (7)恒溫下將1mol水傾入大量溶液中,溶液濃度未變 (8)水在冰點時變成同溫、同壓的冰 答:只有(3),(5),(8)是可逆過程,其余為不可逆過程。
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2013-8-7

輔導答疑 1.3
1.3 狀態固定后狀態函數都固定,反之亦然, 這說法對嗎?

答:對,因為狀態函數是狀態的單值函數。

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輔導答疑 1.4
1.4 狀態改變后,狀態函數一定都改變?

答:不對,有一個狀態函數變了,狀態也就變了,
但并不是所有的狀態函數都得變。

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輔導答疑 1.5
1.5 因為? U = QV , ?H = QP ,所以 QP,QV 是特定條件下的狀態函數?

答:不對。?U,?H 本身僅是狀態函數的變量, 在特定條件下與QV,QP的數值相等,所以QV,QP不

是狀態函數。

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輔導答疑 1.6
1.6 氣缸內有一定量理想氣體,反抗一定外 壓作絕熱膨脹,則 ?H ? Qp ? 0 ,對不對? 答:不對。這是一個等外壓過程,而不是等壓 過程,所以 ?H 不等于 Q p 。絕熱膨脹時Q = 0 ,而不是 Qp ? 0 。

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輔導答疑 1.7
1.7 在等壓下用攪拌器快速攪拌液體,使其 溫度升高,這時液體的 ?H ? Qp ?

答:不對,因為有機械功, W f ? 0 ,所以

?H ? Qp

。

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輔導答疑 1.8
1.8 理想氣體絕熱可逆和絕熱不可逆過程的 功,都可用公式 W ? CV ?T 計算,那兩種過 程的功是否一樣? 答:當然不一樣,因為從同一始態,絕熱可逆 與絕熱不可逆兩個過程不可能到達同一終態, ?T 不可能相同,所以做的功也不同。

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輔導答疑 1.11
1.11 在一個絕熱真空箱上刺一個小洞,讓空氣很 快進入,當兩邊壓力相等時,兩邊溫度是否相同? 如不同不是和焦耳實驗矛盾了嗎? 答:不同,內部溫度比外面高。 這和焦耳實驗不矛盾,因為兩個實驗所取的體系 及其占有的體積不同。在焦耳實驗中,體系是全部氣 體,體積是兩個球的空間,后面的氣體對前面的氣體 作功,升溫與降溫抵消,故最終體系溫度不變。 本實驗中,體系是沖入箱內的氣體,體積是這些 氣體原來占有的體積和真空箱的體積。氣體沖入瓶內 ,體積縮小,環境對體系作了功,故體系溫度升高。
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輔導答疑 1.9
1.9 可逆熱機效率最高,那將可逆熱機去開 火車一定很快咯?

答:不,可逆過程是無限緩慢的,可逆熱機沒有

實用價值。實際過程中用的都是不可逆熱機,不
可逆熱機的效率很低。

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輔導答疑 1.14
1.14 請指出所列公式的適用條件:

(1) H = U + pV
答:熱力學中公式較多,但都有適用條件,不能隨便 使用,否則會導致錯誤結論。

以下所列公式只適用于封閉體系和熱力學平衡態。
(1) H=U+pV 是定義式,適用于任何處于熱力學平衡

態的封閉體系。
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輔導答疑 1.14
1.14 請指出所列公式的適用條件:

(2) ?H = QP

答:適用于不作非膨脹功的等壓過程。

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輔導答疑 1.14
1.14 請指出所列公式的適用條件:

(3) ?U = QV
答:適用于不作非膨脹功的等容過程。

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輔導答疑 1.14
1.14 請指出所列公式的適用條件:

(4) ?H = Cp dT
答:適用于不作非膨脹功、狀態連續變化的 等壓過程。

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輔導答疑 1.14
1.14 請指出所列公式的適用條件:

(5)

V1 W ? nRT ln V2

答:適用于不作非膨脹功、理想氣體的等溫 可逆過程。

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輔導答疑 1.14
1.14 請指出所列公式的適用條件:

(6) W = - p?V
答:適用于不作非膨脹功的等外壓過程。

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輔導答疑 1.16
1.16 下列狀態函數中,哪些是容量性質?哪些是強 度性質? 壓力 p ,溫度 T ,體積 V ,熱力學能 U , 焓 H ,吉氐自由能 G ,熵 S ,赫氐自由能 A ,粘 度 ? ,密度 ? ,質量 m ,等壓熱容 , 等容熱 容 CV ,摩爾熱力學能 U m ,摩爾焓 ,摩爾熵 S m , 摩爾吉氐自由能 Gm,摩爾赫氐自由能 Am 等。 答:

V ,U , H , G, A, S , m, C p , CV 是容量性質;

p, T ,?, ? ,U m , H m , Sm , Gm , Am 是強度性質。
在一定條件下容量性質和強度性質可以轉化。
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2013-8-7

輔導答疑 1.19
1.19 總結不同過程中 W,Q,?U 和? H 的計算。 第一定律為?U = Q + W ,設不作非膨脹功。
過程 ig 自由膨脹

W
0

Q
0 =W

?U 0 0
=Q

?H 0 0

ig 等溫可逆 -nRTlnV2/V1 ig 等容可逆 ig 絕熱可逆 等T,p可逆相變
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0

?C

V

dT

? C dT
p

Cv(T2-T1)
? pe ?V
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0

=W

?C
Qp

p

dT

Qp

Qp ? W

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2013-8-7

輔導答疑 1.15
1.15 用熱力學概念判斷下列各過程中功、熱、熱 力學能和焓的變化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (1)范氏氣體等溫自由膨脹 答:W = 0 因為自由膨脹外壓為零。 Q ? 0 范氏氣體分子間有引力。體積增大分子間 勢能增加,為了保持溫度不變,必須從環境吸熱。 ? U ? 0 因為從環境所吸的熱使體系的熱力學能 增加。 ?H ? 0 根據焓的定義式可判斷焓值是增加的。
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2013-8-7

輔導答疑 1.13
1.13 使用基爾霍夫定律計算公式應滿足什么條件?

答:(1)按反應計量方程式,反應進度為 1 mol 。 (2)參加反應物質的種類和相態在該溫度區間內不

發生變化。如果有相態變化,則積分不連續,要分步
計算。

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2013-8-7

輔導答疑 1.15
1.15 用熱力學概念判斷下列各過程中功、熱、熱 力學能和焓的變化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (2)Zn(s)+ 2HCl(l)= ZnCl2 + H2(g) 進行非絕熱等壓反應 等壓
可以活動的活塞

答: W ? 0

Zn+2HCl
非絕熱
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放出的氫氣推動活塞,體系 克服外壓對環境作功。 Q ? 0 反應是放熱反應。 ?U ? 0 體系既放熱又對外作功,熱 力學能下降。 ?H ? 0 因為這是等壓反應,?H = QP
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2013-8-7

輔導答疑 1.15
1.15 用熱力學概念判斷下列各過程中功、熱、熱 力學能和焓的變化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (3)H2(g)+ Cl2(g)= 2HCl(g) 在絕熱鋼瓶中進行 答:W = 0 在剛性容器中是恒容反應, 不作膨脹功。 Q = 0 絕熱鋼瓶 ?U = 0 根據熱力學第一定律,能量守 恒,熱力學能不變。 ?H ? 0 因為是在絕熱剛瓶中發生的放 熱反應,氣體分子沒有減少, 鋼瓶內溫度升高壓力也增高。
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2013-8-7

H2

Cl2

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輔導答疑 1.15
1.15 用熱力學概念判斷下列各過程中功、熱、熱 力學能和焓的變化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (4) H2(g)+ Cl2(g)= 2HCl(g) 在非絕熱鋼瓶中進行

答:W = 0
H2

Cl2

剛性容器中的反應是恒容反 應,膨脹功為零。 Q ? 0 該反應是放熱反應,而鋼瓶 又不絕熱。 ?U ? 0 體系放熱后熱力學能下降。 ?H ? 0 反應前后氣體分子數相同, ?H = ?U 。
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輔導答疑 1.15
1.15 用熱力學概念判斷下列各過程中功、熱、熱 力學能和焓的變化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (5)理想氣體經焦耳-湯姆遜節流實驗
壓縮區 多孔塞 膨脹區 壓縮區 多孔塞 膨脹區

pi

pi , Vi , Ti

pf

pi

pf , Vf , Tf

pf

答: ?H = 0 Q = 0
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?U = 0 W = 0
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輔導答疑 1.15
答:?H = 0 ?U = 0

Q = 0 W = 0

節流過程是一個等焓過程。 理想氣體的分子間無作用力,節流膨脹 后溫度不變,而理想氣體的熱力學能只 是溫度的函數,所以熱力學能不變。 節流過程是在絕熱管中進行的。 根據熱力學第一定律,因為Q,?U 都等 于零,所以 W 也等于零。

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2013-8-7

輔導答疑 1.15
1.15 用熱力學概念判斷下列各過程中功、熱、熱 力學能和焓的變化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (6)常溫、常壓下水結成冰(273.15 K,p?) 答: W ? 0 水結成冰,體積增大,體系對外作功.

Q ? 0 水結冰的過程是放熱過程,放出凝聚熱. ?U ? 0 體系既放熱又對外作功,熱力學能下降. ?H ? 0 焓變等于相變熱,水結冰是放熱的。
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輔導答疑 1.15
1.15 用熱力學概念判斷下列各過程中功、熱、熱 力學能和焓的變化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (7)氫氣和氧氣在絕熱鋼瓶中爆鳴生成水,電 火花能量不計

H2 O2

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2013-8-7

輔導答疑 1.15
答:W = 0 在剛性容器中是恒容反應,膨脹功為零. Q = 0 因為是絕熱容器 ?U = 0 根據能量守恒定律,因為功、熱都等于 零,所以熱力學能保持不變。 ?H ? 0 因為氣體反應生成液體,容器內壓力下降 ,根據焓的定義式得到, ?H = ?U + V?p,?p小于零,所以?H 也 小于零。
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2013-8-7

輔導答疑 1.17
1.17 在相同的溫度和壓力下,一定量氫氣和氧氣 從四種不同的途徑生成水:(1)氫氣在氧氣中燃燒 ,(2)爆鳴,(3)氫氧熱爆炸,(4)氫氧燃料電池。 請問這四種變化途徑的熱力學能和焓的變化值是否 相同?

答:應該相同。因為熱力學能和焓是狀態函數,只 要始終態相同,無論通過什么途徑,其變化值一定 相同。這就是:異途同歸,值變相等。
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2013-8-7

輔導答疑 1.18
1.18 一定量的水,從海洋蒸發變為云,云在高

山上變為雨、雪,并凝結成冰。冰、雪熔化變成
水流入江河,最后流入大海,整個循環水的熱力 學能和焓的變化是多少? 答:其變化值都為零。因為熱力學能和焓是狀態函

數,不論經過怎樣的循環,其值都保持不變。這就
是:周而復始,數值還原。

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2013-8-7

輔導答疑 1.20
1.20 298K,105Pa壓力下,一杯水蒸發為同溫、同 壓的氣是不可逆過程,試將它設計成可逆過程。 答:可逆過程(1)繞到沸點;(2)繞到飽和蒸氣壓

H2O(l ,373K,105 Pa) ? H 2O( g ,373K,105 Pa) H2O(l , 298K,105 Pa) ? H 2O( g , 298K,105 Pa)

?

?

?

?

H 2O(l , 298K, ps ) ? H 2O( g , 298K, ps )

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2013-8-7

輔導答疑 1.10
1.10 在合成氨反應中,實驗測得T1和T2溫度下:

N 2 + 3H 2 = 2NH3

T1 T2

?H1 ?H 2

但用基爾霍夫定律計算所得的熱效應卻與實驗
值不符,為什么?

答:因為基爾霍夫定律計算的是反應進度為
1 mol時的熱效應,而實驗測的是反應達平衡時 的熱效應,兩者發生反應物質的量不同,所以 熱效應也不同。
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2013-8-7

輔導答疑 1.12
1.12 水蒸氣的生成焓等于氫氣的燃燒熱還是氧氣

的燃燒熱?
答:該題目本身就有錯誤: (1)氧氣是助燃劑,本身無燃燒熱。 (2)氫氣燃燒的最終產物是水而不是水蒸氣。

所以,水蒸氣的生成焓應該等于液態水的生成焓加
上水的氣化熱,即氫氣的燃燒熱加上水的氣化熱。

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2013-8-7


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