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01章_热力学第一定律及其应用_图文

辅导答疑 1.1
1.1 可逆过程有哪些特点? 答:可逆过程应具备如下特点: (1)状态变化时推动力与阻力相差无限小,体系与环 境始终无限接近于平衡态; (2)过程中的任何一个中间态都可以从正、逆两个方 向到达; (3)体系变化一个循环后,体系和环境均恢复原态, 变化过程中无任何耗散效应; (4)等温可逆过程中,体系对环境作最大功,环境对 体系作最小功。
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2013-8-7

辅导答疑 1.2
1.2 判断下列八个过程中,哪些是可逆过程? (1)用摩擦的方法生电 (2)房间内一杯水蒸发为气 (3)水在沸点时变成同温、同压的蒸气 (4)用干电池使灯泡发光 (5)对消法测电动势 (6)在等温等压下混合N2(g)和O2(g) (7)恒温下将1mol水倾入大量溶液中,溶液浓度未变 (8)水在冰点时变成同温、同压的冰 答:只有(3),(5),(8)是可逆过程,其余为不可逆过程。
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2013-8-7

辅导答疑 1.3
1.3 状态固定后状态函数都固定,反之亦然, 这说法对吗?

答:对,因为状态函数是状态的单值函数。

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2013-8-7

辅导答疑 1.4
1.4 状态改变后,状态函数一定都改变?

答:不对,有一个状态函数变了,状态也就变了,
但并不是所有的状态函数都得变。

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2013-8-7

辅导答疑 1.5
1.5 因为? U = QV , ?H = QP ,所以 QP,QV 是特定条件下的状态函数?

答:不对。?U,?H 本身仅是状态函数的变量, 在特定条件下与QV,QP的数值相等,所以QV,QP不

是状态函数。

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2013-8-7

辅导答疑 1.6
1.6 气缸内有一定量理想气体,反抗一定外 压作绝热膨胀,则 ?H ? Qp ? 0 ,对不对? 答:不对。这是一个等外压过程,而不是等压 过程,所以 ?H 不等于 Q p 。绝热膨胀时Q = 0 ,而不是 Qp ? 0 。

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2013-8-7

辅导答疑 1.7
1.7 在等压下用搅拌器快速搅拌液体,使其 温度升高,这时液体的 ?H ? Qp ?

答:不对,因为有机械功, W f ? 0 ,所以

?H ? Qp



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辅导答疑 1.8
1.8 理想气体绝热可逆和绝热不可逆过程的 功,都可用公式 W ? CV ?T 计算,那两种过 程的功是否一样? 答:当然不一样,因为从同一始态,绝热可逆 与绝热不可逆两个过程不可能到达同一终态, ?T 不可能相同,所以做的功也不同。

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辅导答疑 1.11
1.11 在一个绝热真空箱上刺一个小洞,让空气很 快进入,当两边压力相等时,两边温度是否相同? 如不同不是和焦耳实验矛盾了吗? 答:不同,内部温度比外面高。 这和焦耳实验不矛盾,因为两个实验所取的体系 及其占有的体积不同。在焦耳实验中,体系是全部气 体,体积是两个球的空间,后面的气体对前面的气体 作功,升温与降温抵消,故最终体系温度不变。 本实验中,体系是冲入箱内的气体,体积是这些 气体原来占有的体积和真空箱的体积。气体冲入瓶内 ,体积缩小,环境对体系作了功,故体系温度升高。
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辅导答疑 1.9
1.9 可逆热机效率最高,那将可逆热机去开 火车一定很快咯?

答:不,可逆过程是无限缓慢的,可逆热机没有

实用价值。实际过程中用的都是不可逆热机,不
可逆热机的效率很低。

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辅导答疑 1.14
1.14 请指出所列公式的适用条件:

(1) H = U + pV
答:热力学中公式较多,但都有适用条件,不能随便 使用,否则会导致错误结论。

以下所列公式只适用于封闭体系和热力学平衡态。
(1) H=U+pV 是定义式,适用于任何处于热力学平衡

态的封闭体系。
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辅导答疑 1.14
1.14 请指出所列公式的适用条件:

(2) ?H = QP

答:适用于不作非膨胀功的等压过程。

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辅导答疑 1.14
1.14 请指出所列公式的适用条件:

(3) ?U = QV
答:适用于不作非膨胀功的等容过程。

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辅导答疑 1.14
1.14 请指出所列公式的适用条件:

(4) ?H = Cp dT
答:适用于不作非膨胀功、状态连续变化的 等压过程。

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辅导答疑 1.14
1.14 请指出所列公式的适用条件:

(5)

V1 W ? nRT ln V2

答:适用于不作非膨胀功、理想气体的等温 可逆过程。

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辅导答疑 1.14
1.14 请指出所列公式的适用条件:

(6) W = - p?V
答:适用于不作非膨胀功的等外压过程。

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2013-8-7

辅导答疑 1.16
1.16 下列状态函数中,哪些是容量性质?哪些是强 度性质? 压力 p ,温度 T ,体积 V ,热力学能 U , 焓 H ,吉氐自由能 G ,熵 S ,赫氐自由能 A ,粘 度 ? ,密度 ? ,质量 m ,等压热容 , 等容热 容 CV ,摩尔热力学能 U m ,摩尔焓 ,摩尔熵 S m , 摩尔吉氐自由能 Gm,摩尔赫氐自由能 Am 等。 答:

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

p, T ,?, ? ,U m , H m , Sm , Gm , Am 是强度性质。
在一定条件下容量性质和强度性质可以转化。
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2013-8-7

辅导答疑 1.19
1.19 总结不同过程中 W,Q,?U 和? H 的计算。 第一定律为?U = Q + W ,设不作非膨胀功。
过程 ig 自由膨胀

W
0

Q
0 =W

?U 0 0
=Q

?H 0 0

ig 等温可逆 -nRTlnV2/V1 ig 等容可逆 ig 绝热可逆 等T,p可逆相变
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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

辅导答疑 1.15
1.15 用热力学概念判断下列各过程中功、热、热 力学能和焓的变化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (1)范氏气体等温自由膨胀 答:W = 0 因为自由膨胀外压为零。 Q ? 0 范氏气体分子间有引力。体积增大分子间 势能增加,为了保持温度不变,必须从环境吸热。 ? U ? 0 因为从环境所吸的热使体系的热力学能 增加。 ?H ? 0 根据焓的定义式可判断焓值是增加的。
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2013-8-7

辅导答疑 1.13
1.13 使用基尔霍夫定律计算公式应满足什么条件?

答:(1)按反应计量方程式,反应进度为 1 mol 。 (2)参加反应物质的种类和相态在该温度区间内不

发生变化。如果有相态变化,则积分不连续,要分步
计算。

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2013-8-7

辅导答疑 1.15
1.15 用热力学概念判断下列各过程中功、热、热 力学能和焓的变化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (2)Zn(s)+ 2HCl(l)= ZnCl2 + H2(g) 进行非绝热等压反应 等压
可以活动的活塞

答: W ? 0

Zn+2HCl
非绝热
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放出的氢气推动活塞,体系 克服外压对环境作功。 Q ? 0 反应是放热反应。 ?U ? 0 体系既放热又对外作功,热 力学能下降。 ?H ? 0 因为这是等压反应,?H = QP
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辅导答疑 1.15
1.15 用热力学概念判断下列各过程中功、热、热 力学能和焓的变化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (3)H2(g)+ Cl2(g)= 2HCl(g) 在绝热钢瓶中进行 答:W = 0 在刚性容器中是恒容反应, 不作膨胀功。 Q = 0 绝热钢瓶 ?U = 0 根据热力学第一定律,能量守 恒,热力学能不变。 ?H ? 0 因为是在绝热刚瓶中发生的放 热反应,气体分子没有减少, 钢瓶内温度升高压力也增高。
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2013-8-7

H2

Cl2

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辅导答疑 1.15
1.15 用热力学概念判断下列各过程中功、热、热 力学能和焓的变化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (4) H2(g)+ Cl2(g)= 2HCl(g) 在非绝热钢瓶中进行

答:W = 0
H2

Cl2

刚性容器中的反应是恒容反 应,膨胀功为零。 Q ? 0 该反应是放热反应,而钢瓶 又不绝热。 ?U ? 0 体系放热后热力学能下降。 ?H ? 0 反应前后气体分子数相同, ?H = ?U 。
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辅导答疑 1.15
1.15 用热力学概念判断下列各过程中功、热、热 力学能和焓的变化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (5)理想气体经焦耳-汤姆逊节流实验
压缩区 多孔塞 膨胀区 压缩区 多孔塞 膨胀区

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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辅导答疑 1.15
答:?H = 0 ?U = 0

Q = 0 W = 0

节流过程是一个等焓过程。 理想气体的分子间无作用力,节流膨胀 后温度不变,而理想气体的热力学能只 是温度的函数,所以热力学能不变。 节流过程是在绝热管中进行的。 根据热力学第一定律,因为Q,?U 都等 于零,所以 W 也等于零。

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2013-8-7

辅导答疑 1.15
1.15 用热力学概念判断下列各过程中功、热、热 力学能和焓的变化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (6)常温、常压下水结成冰(273.15 K,p?) 答: W ? 0 水结成冰,体积增大,体系对外作功.

Q ? 0 水结冰的过程是放热过程,放出凝聚热. ?U ? 0 体系既放热又对外作功,热力学能下降. ?H ? 0 焓变等于相变热,水结冰是放热的。
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辅导答疑 1.15
1.15 用热力学概念判断下列各过程中功、热、热 力学能和焓的变化值。第一定律 ?U ? Q ? W 。 (7)氢气和氧气在绝热钢瓶中爆鸣生成水,电 火花能量不计

H2 O2

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2013-8-7

辅导答疑 1.15
答:W = 0 在刚性容器中是恒容反应,膨胀功为零. Q = 0 因为是绝热容器 ?U = 0 根据能量守恒定律,因为功、热都等于 零,所以热力学能保持不变。 ?H ? 0 因为气体反应生成液体,容器内压力下降 ,根据焓的定义式得到, ?H = ?U + V?p,?p小于零,所以?H 也 小于零。
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2013-8-7

辅导答疑 1.17
1.17 在相同的温度和压力下,一定量氢气和氧气 从四种不同的途径生成水:(1)氢气在氧气中燃烧 ,(2)爆鸣,(3)氢氧热爆炸,(4)氢氧燃料电池。 请问这四种变化途径的热力学能和焓的变化值是否 相同?

答:应该相同。因为热力学能和焓是状态函数,只 要始终态相同,无论通过什么途径,其变化值一定 相同。这就是:异途同归,值变相等。
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2013-8-7

辅导答疑 1.18
1.18 一定量的水,从海洋蒸发变为云,云在高

山上变为雨、雪,并凝结成冰。冰、雪熔化变成
水流入江河,最后流入大海,整个循环水的热力 学能和焓的变化是多少? 答:其变化值都为零。因为热力学能和焓是状态函

数,不论经过怎样的循环,其值都保持不变。这就
是:周而复始,数值还原。

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2013-8-7

辅导答疑 1.20
1.20 298K,105Pa压力下,一杯水蒸发为同温、同 压的气是不可逆过程,试将它设计成可逆过程。 答:可逆过程(1)绕到沸点;(2)绕到饱和蒸气压

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

辅导答疑 1.10
1.10 在合成氨反应中,实验测得T1和T2温度下:

N 2 + 3H 2 = 2NH3

T1 T2

?H1 ?H 2

但用基尔霍夫定律计算所得的热效应却与实验
值不符,为什么?

答:因为基尔霍夫定律计算的是反应进度为
1 mol时的热效应,而实验测的是反应达平衡时 的热效应,两者发生反应物质的量不同,所以 热效应也不同。
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2013-8-7

辅导答疑 1.12
1.12 水蒸气的生成焓等于氢气的燃烧热还是氧气

的燃烧热?
答:该题目本身就有错误: (1)氧气是助燃剂,本身无燃烧热。 (2)氢气燃烧的最终产物是水而不是水蒸气。

所以,水蒸气的生成焓应该等于液态水的生成焓加
上水的气化热,即氢气的燃烧热加上水的气化热。

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2013-8-7


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