材料物理化学 第三篇习题
鲁科版 高中化学 选修三 第3章 物质的聚集状态与物质性质 寒假复习题含答案
绝密★启用前鲁科版高中化学选修三第3章物质的聚集状态与物质性质寒假复习题本试卷分第Ⅰ卷和第Ⅱ卷两部分,共100分,考试时间90分钟。
第Ⅰ卷一、单选题(共10小题,每小题4.0分,共40分)1.某离子化合物的晶胞如图所示。
阳离子位于晶胞的中心,阴离子位于晶胞的8个顶点上,则该离子化合物阴、阳离子的个数比为 ()A. 1∶8B. 1∶4C. 1∶2D. 1∶12.如图是氯化铯晶体的晶胞(晶体中的最小重复单元),已知晶体中两个最近的Cs+离子核间距离为a cm,氯化铯的相对分子质量为M,N A为阿伏加德罗常数,则氯化铯晶体的密度是()A.g·cm-3B.g·cm-3C.g·cm-3D.g·cm-33.氮化硅是一种新合成的结构材料,它是一种超硬、耐磨、耐高温的物质。
下列各组物质熔化时,所克服的微粒间的作用力与氮化硅熔化所克服的微粒间的作用力都相同的是( )A.硝石和金刚石B.晶体硅和水晶C.冰和干冰D.萘和蒽4.我国科学家研制出一种催化剂,能在室温下高效催化空气中甲醛的氧化,其反应如下:HCHO+O2CO2+H2O。
下列有关说法正确的是()A.该反应为吸热反应B. CO2分子晶体中的化学键为非极性键,C. HCHO分子中既含σ键又含π键D.每生成1.8 g H2O消耗2.24 L O25.为了确定SbCl3、SbCl5是否为离子化合物,以下分析正确的是()A.常温下,SbCl3、SbCl5均为液体,说明SbCl3和SbCl5都是离子化合物B. SbCl3、SbCl5的熔点依次为73.5 ℃、2.8 ℃。
说明SbCl3、SbCl5都不是离子化合物C.SbCl3、SbCl5溶液中,滴入酸化的AgNO3溶液,产生白色沉淀。
说明:SbCl3、SbCl5都是离子化合物D. SbCl3、SbCl5的水溶液都可以导电。
说明:SbCl3、SbCl5都是离子化合物6.钛酸钡的热稳定性好,介电常数高,在小型变压器、话筒和扩音器中都有应用.钛酸钡晶体的晶胞结构示意图如图所示,它的化学式是()A. BaTi8O12B. BaTi4O6C. BaTi2O4D. BaTiO37.四氯化硅的分子结构与四氯化碳类似,对其作出如下推测:①四氯化硅晶体是分子晶体②常温常压下四氯化硅是液体③四氯化硅分子是由极性键形成的分子④四氯化硅熔点高于四氯化碳。
第五版物理化学第三章习题答案-图文
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第三章热力学第二定律3.1卡诺热机在(1)热机效率;(2)当向环境作功。
解:卡诺热机的效率为时,系统从高温热源吸收的热及向低温热源放出的热的高温热源和的低温热源间工作。
求根据定义3.2卡诺热机在(1)热机效率;(2)当从高温热源吸热解:(1)由卡诺循环的热机效率得出时,系统对环境作的功的高温热源和的低温热源间工作,求:及向低温热源放出的热(2)3.3卡诺热机在(1)热机效率;(2)当向低温热源放热解:(1)时,系统从高温热源吸热及对环境所作的功。
的高温热源和的低温热源间工作,求1(2)3.4试说明:在高温热源和低温热源间工作的不可逆热机与卡诺机联合操作时,若令卡诺热机得到的功wr等于不可逆热机作出的功-w。
假设不可逆热机的热机效率大于卡诺热机效率证:(反证法)设ηir>ηr不可逆热机从高温热源吸热则,向低温热源放热,对环境作功,其结果必然是有热量从低温热源流向高温热源,而违反势热力学第二定律的克劳修斯说法。
逆向卡诺热机从环境得功则从低温热源吸热向高温热源放热若使逆向卡诺热机向高温热源放出的热不可逆热机从高温热源吸收的热相等,即总的结果是:得自单一低温热源的热,变成了环境作功,违背了热力学第二定律的开尔文说法,同样也就违背了克劳修斯说法。
23.5高温热源温度低温热源,求此过程。
,低温热源温度,今有120KJ的热直接从高温热源传给解:将热源看作无限大,因此,传热过程对热源来说是可逆过程3.6不同的热机中作于情况下,当热机从高温热源吸热(1)可逆热机效率(2)不可逆热机效率(3)不可逆热机效率解:设热机向低温热源放热。
物理化学习题解
物理化学习题解 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第三章 化学反应系统热力学 练 习 题3-4 在291~333K 温度范围内,下述各物质的C p,m /(JK -1mol -1)分别为 CH 4(g): 35.715; O 2(g): 29.36; CO 2(g): 37.13; H 2O(l): 75.30;在298.2K 时,反应 CH 4 (g) + 2O 2(g)==CO 2(g) + 2H 2O(l) 的恒压反应热效应为 -890.34kJmol -1。
.求 333K 时该反应的恒容反应热效应为多少解:(1) 求333K 时恒压反应热效应: ΔH (333K) =ΔH (298.2K)+⎰∆333298d TC p = -887.0 kJ mol -1(2) 求恒容反应热效应: ΔU (333K) =ΔH (333K) - ∑BB )(RT g ν= -881.6kJmol -13-5 由以下数据计算2,2,3,3四甲基丁烷的标准生成热。
已知:Om f H ∆[H(g)]=217.94 kJ mol -1,Omf H ∆[C(g)]=718.38 kJmol -1,εC-C =344 kJmol -1,εC-H = 414 kJmol -1。
解:Om f H ∆[CH 3C(CH 3)2 C(CH 3)2 CH 3 (g)]=18Om f H ∆[H(g)]+8Om f H ∆[C(g)]-7εC-C -18εC-H = -190 kJ mol -13-6 已知计算25解:CH 3OH(l)→CH 3OH(g) ,Om r G ∆=[-200.7-(-238.7)]-T [239.7-127.0]×10-3= 4.4 kJ mol -1 O m r G ∆=O ln K RT -, O K =p */O p , p *=1.7×104Pa3-8 已知反应C(石墨)+H 2O(g)→CO(g)+H 2(g) 的 Om r H ∆(298.15 K) =133 kJ mol -1,计算该反应在125℃时的 Om r H ∆(398.15K)。
物理化学3答案资料
物理化学试卷班级 姓名 分数一、选择题 ( 共 8题 15分 ) 1. 2 分 (5553) 55531-1 级对峙反应 12AB k k 由纯 A 开始反应,当进行到 A 和 B 浓度相等的时间为: (正、逆向反应速率常数分别为 k 1 ,k 2) ( ) (A) t = ln12k k (B) t =11221ln kk k k -(C) t =1121212ln k k k k k +-(D) 112121ln k t k k k k =+-2. 2 分 (9109) 9108吉布斯自由能判据可以写作: ( ) (A )(d G )T, p, W =0 ≤0 (B )(d G )f,,0T p W=≤0(C )(d G )T, p, W =0 ≥0 (D )(d G )f,,0T p W=≥03. 2 分 (2184) 2184在310 K,纯H 2O(l)的蒸气压为6.275 kPa,现有1 mol 不挥发物质B(s)溶于4 mol H 2O(l)形成溶液,若溶液中水的活度为0.41(以纯水为标准态),则溶解过程中1 mol H 2O(l)的Gibbs 自由能变化为:( ) (A) -557 J ⋅mol -1 (B) -2298 J ⋅mol -1 (C) -4148 J ⋅mol -1 (D) 4148 J ⋅mol -14. 2 分(0186)0186一定量的理想气体从同一始态出发,分别经(1) 等温压缩,(2) 绝热压缩到具有相同压力的终态,以H1,H2分别表示两个终态的焓值,则有:( )(A) H1> H2(B) H1= H2(C) H1< H2(D) H1 H25. 2 分(0847)0847101.325 kPa,-5℃时,H2O(s)−−→H2O(l),其体系熵变:( )(A) Δfus S体系>0(B) Δfus S体系<0(C) Δfus S体系≤0(D) Δfus S体系=06. 2 分(1704)1704有关化学势与物质流动方向的关系中下述哪种说法是不正确的。
高师《物理化学》第三版习题全解
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
体系不吸热也放热
7.已知体系的状态方程式F(T,P,V)=0,由U=f(T,V)写出当压力不变时气体的内
所作功W(不)=-Q(不)=-P2(V2-V1),再经过可逆压缩回到始态,
可逆压缩
B(P2,V2,T1)———=-RTln(V1/V2)(因为可逆压缩环境消耗的功最小)
整个循环过程:
W=W(不)+W'=-P2(V2-V1)-RTln(V1/V2)=-Q
9.“因ΔH=QP,所以只有等压过程才有ΔH。”这句话是否正确?
答:不正确。H是状态函数,H=U+PV,凡是体系状态发生变化,不管经过什么过程,
体系的焓值都可能变化,即ΔH有可能不等于零。
10.因为“ΔH=QP,所以QP也具有状态函数的性质”对吗?为什么?
答:不对,ΔH=QP,只说明QP等于状态函数H的变化值ΔH,仅是数值上相等,并
QV,m=QP,m-∑νB(g)RT=-177.9×10-3-8.314×298=-180.37 KJ·mol-1
QP,m>QV,m
16.“稳定单值的焓值等于零”;“化合物摩尔生成热就是1mol该物质所具有的焓值”
对吗?为什么?
答:不对。稳定单质的焓值并不等于零。但可以说标准状态下稳定单质的规定焓值等
等于0,不一定吸热。例如,绝热容器中H2与O2燃烧,ΔHm>0,但Q=0,
不吸热。
19.“可逆过程一定是循还过程,循还过程一定是可逆过程”这种说法对吗?为什么?
答:不对。可逆过程不一定为循环过程。因为只要体系由A态在无摩擦等消耗效应存在
万洪文《物理化学》教材习题解答
第一篇化学热力学第一章热力学基本定律.1-1 0.1kg C6H6(l)在,沸点353.35K下蒸发,已知(C6H6) =30.80 kJ mol-1。
试计算此过程Q,W,ΔU和ΔH值。
解:等温等压相变。
n/mol =100/78 , ΔH = Q = n = 39.5 kJ , W= - nRT = -3.77 kJ ,ΔU =Q+W=35.7 kJ1-2 设一礼堂的体积是1000m3,室温是290K,气压为,今欲将温度升至300K,需吸收热量多少?(若将空气视为理想气体,并已知其C p,m为29.29 J K-1·mol-1。
)解:理想气体等压升温(n变)。
Q=nC p,m△T=(1000)/(8.314×290)×C p,m△T=1.2×107J1-3 2 mol单原子理想气体,由600K,1.0MPa对抗恒外压绝热膨胀到。
计算该过程的Q、W、ΔU和ΔH。
(Cp ,m=2.5 R)解:理想气体绝热不可逆膨胀Q=0 。
ΔU=W ,即 nC V,m(T2-T1)= - p2 (V2-V1),因V2= nRT2/ p2 , V1= nRT1/ p1,求出T2=384K。
ΔU=W=nCV,m(T2-T1)=-5.39kJ ,ΔH=nC p,m(T2-T1)=-8.98 kJ1-4 在298.15K,6×101.3kPa压力下,1 mol单原子理想气体进行绝热膨胀,最后压力为,若为;(1)可逆膨胀(2)对抗恒外压膨胀,求上述二绝热膨胀过程的气体的最终温度;气体对外界所作的功;气体的热力学能变化及焓变。
(已知C p,m=2.5 R)。
解:(1)绝热可逆膨胀:γ=5/3 , 过程方程 p11-γT1γ= p21-γT2γ, T2=145.6 K ,ΔU=W=nC V,m(T2-T1)=-1.9 kJ , ΔH=nC p,m(T2-T1)=-3.17kJ(2)对抗恒外压膨胀 ,利用ΔU=W ,即 nC V,m(T2-T1)= - p2 (V2-V1) ,求出T2=198.8K。
物理化学第四版课后习题答案
物理化学第四版课后习题答案【篇一:物理化学第四版上册课后答案天津大学第三章】>3.1卡诺热机在(1)热机效率;的高温热源和的低温热源间工作。
求(2)当向环境作功源放出的热。
时,系统从高温热源吸收的热及向低温热解:卡诺热机的效率为根据定义3.5高温热源温度,低温热源。
今有120 kj的热直接从高温热源传给低温热源,龟此过程的解:将热源看作无限大,因此,传热过程对热源来说是可逆过程3.6 不同的热机中作于的高温热源及的低温热源之时,两热源的总熵变间。
求下列三种情况下,当热机从高温热源吸热。
(1)可逆热机效率(2)不可逆热机效率(3)不可逆热机效率。
解:设热机向低温热源放热,根据热机效率的定义因此,上面三种过程的总熵变分别为。
3.7 已知水的比定压热容下列三种不同过程加热成100 ?c的水,求过程的(1)系统与100 ?c的热源接触。
今有1 kg,10 ?c的水经。
(2)系统先与55 ?c的热源接触至热平衡,再与100 ?c的热源接触。
(3)系统先与40 ?c,70 ?c的热源接触至热平衡,再与100 ?c的热源接触。
解:熵为状态函数,在三种情况下系统的熵变相同在过程中系统所得到的热为热源所放出的热,因此3.8 已知氮(n2, g)的摩尔定压热容与温度的函数关系为将始态为300 k,100 kpa下1 mol的n2(g)置于1000 k的热源中,求下列过程(1)经恒压过程;(2)经恒容过程达到平衡态时的解:在恒压的情况下。
在恒容情况下,将氮(n2, g)看作理想气体将代替上面各式中的,即可求得所需各量3.9始态为同途径变化到,,的某双原子理想气体1 mol,经下列不的末态。
求各步骤及途径的。
(1)恒温可逆膨胀;(2)先恒容冷却至使压力降至100 kpa,再恒压加热至;(3)先绝热可逆膨胀到使压力降至100 kpa,再恒压加热至。
解:(1)对理想气体恒温可逆膨胀,?u = 0,因此(2)先计算恒容冷却至使压力降至100 kpa,系统的温度t:(3)同理,先绝热可逆膨胀到使压力降至100 kpa时系统的温度t:根据理想气体绝热过程状态方程,各热力学量计算如下【篇二:物理化学第四章课后答案傅献彩第五版】lass=txt>第七章电化学7.1 用铂电极电解能析出多少质量的解:电极反应为溶液。
物理化学第三章习题和答案
第三章 化学反应系统热力学 (习题答案) 2007-6-6§3.1 标准热化学数据 练习1 所有单质的 Om f G ∆ (T )皆为零?为什么?试举例说明?答:所有处于标准状态的稳定单质的O m f G ∆ (T )(因为生成稳定单质,稳定单质的状态未发生改变);如单质碳有石墨和金刚石两种,O m f G ∆ (298.15K ,石墨,)=0kJmol -1.而O m f G ∆ (298.15K ,金刚石,)=2.9kJmol -1, (课本522页),石墨到金刚石状态要发生改变,即要发生相变,所以O m f G ∆ (298.15K ,金刚石,)=2.9kJmol -1,不等于零。
2 化合物的标准生成热(焓)定义成:“由稳定单质在298.15K 和100KPaPa 下反应生成1mol 化合物的反应热”是否准确?为什么?答:单独处于各自标准态下,温度为T 的稳定单质生成单独处于标准态下、温度为T 的1mol 化合物B 过程的焓变。
此定义中(1)强调压力为一个标准大气压,而不强调温度;(2)变化前后都单独处于标准态。
所以题中的定义不准确,3 一定温度、压力下,发生单位化学反应过程中系统与环境交换的热Q p 与化学反应摩尔焓变n r H ∆是否相同?为什么?答: 等压不作其他功时(W ’=0),数值上Q p =n r H ∆; Q p 是过程量,与具体的过程有关,而n r H ∆是状态函数与过程无关,对一定的化学反应有固定的数值;如将一个化学反应至于一个绝热系统中Q p 为零,但n r H ∆有确定的数值。
§3.2 化学反应热力学函数改变值的计算. 练习1 O m r G ∆(T ),m r G ∆(T ),Om f G ∆(B ,相态,T )各自的含义是什么?答:Om r G ∆(T ): 温度为T ,压力为P θ,发生单位反应的ΔG;m r G ∆(T ): 温度为T ,压力为P ,发生单位反应的ΔG;Omf G ∆(B ,相态,T ): 温度为T ,压力为P θ,由各自处于标准状态下的稳定单质,生成处于标准态1mol 化合物反应的ΔG;2 25℃时,H 2O(l)及H 2O(g)的标准摩尔生成焓分别为-285.838及-241.825kJ mol -1 。
物理化学第三版答案
物理化学第三版答案【篇一:物理化学核心教程课后答案完整版(第二版学生版)】s=txt>第一章气体一、思考题1. 如何使一个尚未破裂而被打瘪的乒乓球恢复原状?采用了什么原理?答:将打瘪的乒乓球浸泡在热水中,使球壁变软,球中空气受热膨胀,可使其恢复球状。
采用的是气体热胀冷缩的原理。
2. 在两个密封、绝热、体积相等的容器中,装有压力相等的某种理想气体。
试问,这两容器中气体的温度是否相等?答:不一定相等。
根据理想气体状态方程,若物质的量相同,则温度才会相等。
3. 两个容积相同的玻璃球内充满氮气,两球中间用一玻管相通,管中间有一汞滴将两边的气体分开。
当左球的温度为273 k,右球的温度为293 k时,汞滴处在中间达成平衡。
试问:(1)若将左球温度升高10 k,中间汞滴向哪边移动?(2)若两球温度同时都升高10 k, 中间汞滴向哪边移动?答:(1)左球温度升高,气体体积膨胀,推动汞滴向右边移动。
(2)两球温度同时都升高10 k,汞滴仍向右边移动。
因为左边起始温度低,升高10 k所占比例比右边大,283/273大于303/293,所以膨胀的体积(或保持体积不变时增加的压力)左边比右边大。
4. 在大气压力下,将沸腾的开水迅速倒入保温瓶中,达保温瓶容积的0.7左右,迅速盖上软木塞,防止保温瓶漏气,并迅速放开手。
请估计会发生什么现象?答:软木塞会崩出。
这是因为保温瓶中的剩余气体被热水加热后膨胀,当与迅速蒸发的水汽的压力加在一起,大于外面压力时,就会使软木塞崩出。
如果软木塞盖得太紧,甚至会使保温瓶爆炸。
防止的方法是灌开水时不要太快,且要将保温瓶灌满。
5. 当某个纯物质的气、液两相处于平衡时,不断升高平衡温度,这时处于平衡状态的气-液两相的摩尔体积将如何变化?答:升高平衡温度,纯物的饱和蒸汽压也升高。
但由于液体的可压缩性较小,热膨胀仍占主要地位,所以液体的摩尔体积会随着温度的升高而升高。
而蒸汽易被压缩,当饱和蒸汽压变大时,气体的摩尔体积会变小。
物理化学第三章模拟试卷B及答案
物理化学第三章模拟试卷B班级姓名分数一、选择题( 共10题20分)1. 2 分NH3分子的平动、转动、振动、自由度分别为:( )(A) 3, 2, 7(B) 3, 2, 6(C) 3, 3, 7(D) 3, 3, 62. 2 分如果我们把同一种分子分布在二个不同能级ε与ε 上的n与n' 个分子看成是“不同种”的分子 A 与A',则这“两种分子”将可按A' A 进行转化而达到平衡。
请计算这个“化学平衡”的K n。
3. 2 分在298.15 K 和101.325 kPa时,摩尔平动熵最大的气体是:( )(A) H2(B) CH4(C) NO (D) CO24. 2 分近独立定域粒子体系和经典极限下的非定域粒子体系的( )(A) 最概然分布公式不同(B) 最概然分布公式相同(C) 某一能量分布类型的微观状态数相同(D) 以粒子配分函数表示的热力学函数的统计表达示相同5. 2 分在相同温度和压力下,H2O(g)和HOD(g)的平动熵和转动熵的大小为:()(A)S t,m(H2O)<S t,m(HOD), S r,m(H2O)<S r,m(HOD)(B)S t,m(H2O)=S t,m(HOD), S r,m(H2O)=S r,m(HOD)(C)S t,m(H2O)<S t,m(HOD), S r,m(H2O)=S r,m(HOD)(D)S t,m(H2O)>S t,m(HOD), S r,m(H2O)>S r,m(HOD)6. 2 分2 mol CO2的转动能U r为:( )(A) (1/2)RT(B) RT(C) (3/2)RT(D) 2RT7. 2 分H2O 分子气体在室温下振动运动时C V,m的贡献可以忽略不计。
则它的C p,m /C V,m值为(H2O 可当作理想气体):( )(A) 1.15 (B) 1.4(C) 1.7 (D) 1.338. 2 分有6 个独立的定位粒子,分布在三个粒子能级ε0, ε1, ε2上,能级非简并,各能级上的分布数依次为N0=3,N1=2,N2=1,则此种分布的微态数在下列表示式中哪一种是错误的:( )(A) P63P32P11(B) C 63C 32C 11 (C) 6!/3!2!1! (D) {6!/3!(6-3)!} {(3!/2!(3-2)!} {1!/1!(1-1)!}9. 2 分气体CO 和N 2有相近的转动惯量和相对分子摩尔质量,在相同温度和压力时,两者平动和转动熵的大小为: ( )(A) S t,m (CO)=S t,m (N 2), S r,m (CO)>S r,m (N 2) (B) S t,m (CO)>S t,m (N 2), S r,m (CO)>S r,m (N 2) (C) S t,m (CO)=S t,m (N 2), S r,m (CO)<S r,m (N 2) (D) S t,m (CO)=S t,m (N 2), S r,m (CO)=S r,m (N 2)*. 2 分晶体 CH 3D 中的残余熵S 0, m 为: ( ) (A) R ln2 (B) (1/2)R ln2 (C) (1/3)R ln2 (D) R ln4二、填空题 ( 共 9题 18分 ) 11. 2 分2 mol CO 2转动能U r = 。
物理化学第五版上册习题答案
物理化学第五版上册习题答案10-1 请回答下列问题:(1) 常见的亚稳定状态有哪些?为什么产生亚稳态?如何防止亚稳态的产生?(2) 在一个封闭的钟罩内,有大小不等的两个球形液滴,问长时间放置后,会出现什么现象?(3) 下雨时,液滴落在水面上形成一个大气泡,试说明气泡的形状和理由? (4) 物理吸附与化学吸附最本质的区别是什么?(5) 在一定温度、压力下,为什么物理吸附都是放热过程?答: (1) 常见的亚稳态有:过饱和蒸汽、过热液体、过冷液体、过饱和溶液。
产生这些状态的原因就是新相难以生成,要想防止这些亚稳状态的产生,只需向体系中预先加入新相的种子。
(2) 一断时间后,大液滴会越来越大,小液滴会越来越小,最终大液滴将小液滴“吃掉”,根据开尔文公式,对于半径大于零的小液滴而言,半径愈小,相对应的饱和蒸汽压愈大,反之亦然,所以当大液滴蒸发达到饱和时,小液滴仍未达到饱和,继续蒸发,所以液滴会愈来愈小,而蒸汽会在大液滴上凝结,最终出现“大的愈大,小的愈小”的情况。
(3) 气泡为半球形,因为雨滴在降落的过程中,可以看作是恒温恒压过程,为了达到稳定状态而存在,小气泡就会使表面吉布斯函数处于最低,而此时只有通过减小表面积达到,球形的表面积最小,所以最终呈现为球形。
(4) 最本质区别是分子之间的作用力不同。
物理吸附是固体表面分子与气体分子间的作用力为范德华力,而化学吸附是固体表面分子与气体分子的作用力为化学键。
43331432r133r2r13a1222r2-r12)(1?10)1?10?9?33-10-6)2?r2?r4?r=2?58.91?100.1?10 ?6?32?58.91?100.1?10 ?6?34?58.91?100.1?10 ?6?3----2?r=2?22.3?105?10 ?5?3=892 pa?3h=2?cos?r?g=2?22.3?105?10 ?5?1?789.4?9.8=0.1153 m-时,计算(1) 开始形成水滴的半径;(2) 每个水滴中所含水分子的个数。
物理化学第三章模拟试卷C及答案
物理化学第三章模拟试卷C班级 姓名 分数一、填空题 ( 共19题 38分 ) 1. 2 分以粒子的配分函数q 表达热力学函数 F 时,独立可别粒子体系的 F = _____ 。
不可别粒子体系的 F = _________ ,用体系的配分函数Z 表达时,F = ________ 。
2. 2 分热力学函数与分子配分函数的关系式对于定域粒子体系和离域粒子体系都相同的是 。
3. 2 分在N 个NO 分子组成的晶体中,每个分子都有两种可能的排列方式,即NO 和ON ,也可将晶体视为NO 和ON 的混合物,在0 K 时,该体系的熵值S 0,m = 。
4. 2 分300 K 时,分布在J =1转动能级上的分子数是J =0能级上的3exp(-0.1)倍,则该分子转动特征温度r Θ= 。
5. 2 分1 mol 纯物质的理想气体,设分子的某内部运动形式只有三种可能的能级,它们的能量和简并度分别为ε1=0,g 1=1;ε2/k =100 K,g 2=3;ε3/k =300 K,g 3=5。
其中,k 为Boltzmann 常数,则200 K 时分子的配分函数q = 。
6. 2 分玻耳兹曼统计的基本假设是 ____________________________ 。
7. 2 分根据结构分析,液体分子是近距有序的,故液体可视为晶体模型处理,现将 N A 个分子的液体 A 和 N B 个分子的液体 B 混合形成理想液体,设A ,B 纯态的热力学概率为 1,则溶液的总微态数为 ___________ 。
8. 2 分已知CO 的转动惯量I =1.45⨯10-26 kg·m 2,k =1.38123K J 10--⋅⨯, h =6.627s J 1034⋅⨯-, 则CO 的转动特征温度为r Θ= 。
9. 2 分三种统计方法中所用的基本假设是哪一种? ( 以"√"表示 )*. 2 分已知N 2分子的v Θ=2.89 K ,则N 2在25°C ,101 325 Pa 压力下的标准摩尔振动吉布斯自由能m,v G $= 。
物理化学习题及答案
物理化学习题及答案篇一:物理化学课后习题答案第1章化学热力学基本定律1.1mol双原子理想气体在300 K、101 kPa下,经恒外压恒温压缩至平衡态,并从此状态下恒容升温至370 K、压强为1 010 kPa。
求整个过程的?U、?H、W及Q。
(答案:△U = 1455 J,△H = 2037 J,W=17727 J,Q = -16272 J)解:第一步:恒外压恒温压缩至平衡态,?U=0,?H=0V1=×300/101=,此平衡态的体积就是末态的体积V2, V2=×370/1010=此平衡态的压强P’=×300/(×10-3)=W=-P’(V2-V1)=-×103×()×10-3 =17727 J= kJ-Q=W= kJ Q=- kJ第一步:因恒容W=0?U=Qv=Cv,m(T2-T1) =×(370-300)= J= kJ?H=(+R)×70= J= kJ整个过程:W= kJ;Q= -+= - kJ;?U= kJ ;?H= kJ。
2.设有 kg N2,温度为 K,压强为101325 Pa,分别进行下列过程,求?U、?H、Q及W。
(1) 恒容加热至压强为 Pa; (2) 恒压膨胀至原体积的2倍;(3) 恒温可逆膨胀至原体积的2倍; (4) 绝热可逆膨胀至原体积的2倍。
(答案:①△U = QV = ×104 J,△H = ×104 J,W = 0;②△H = QP = kJ,△U = kJ,W= - kJ;③ Q = 5622 J ,W = -5622 J,△H = △U = 0 J;④ Q = 0,W = △U = -4911 J,△H = - 6875 J)解:将N2 气视为双原子理想气体,则Cp,m= J·mol-1·K-1;Cv,m= J·mol-1·K-1(1) W=0, 末态温度 T2==× K∴?U=Qv=n Cv(T2-T1) =(100/28)××(×)=×104 J?H= n Cp(T2-T1) =(100/28)××(×)=×104 J(2) 末态温度 T2=2T1=2×?H=Qp= n Cp(T2-T1) =(100/28)××(2×) =28388 J= kJ?U=n Cv(T2-T1) =(100/28)×× = 20201 J= kJW= -P?V= -101325×(100/28)××/101325= -8110J= -(3) 理想气体恒温,?H=?U=0,W= -Q= -(100/28)×××ln2= -5622 J= - kJ(4) 运用理想气体绝热过程方程:?T2=(1/2)×T1=(1/2)× =207 K;Q=0W=?U= n Cv,m?T= (100/28)××()= -4911 J= - kJ?H= (100/28)××()=-6875 J= - kJ3.在 K、101325 Pa下,1 mol水缓慢蒸发。
物理化学第三章习题答案
第三章热力学第二定律3.1 卡诺热机在的高温热源和的低温热源间工作;求1 热机效率;2 当向环境作功时,系统从高温热源吸收的热及向低温热源放出的热;解:卡诺热机的效率为根据定义3.2 卡诺热机在的高温热源和的低温热源间工作,求:1 热机效率;2 当从高温热源吸热时,系统对环境作的功及向低温热源放出的热解:1 由卡诺循环的热机效率得出23.3 卡诺热机在的高温热源和的低温热源间工作,求1热机效率;2当向低温热源放热时,系统从高温热源吸热及对环境所作的功;解: 123.4 试说明:在高温热源和低温热源间工作的不可逆热机与卡诺机联合操作时,若令卡诺热机得到的功r W 等于不可逆热机作出的功-W ;假设不可逆热机的热机效率大于卡诺热机效率,其结果必然是有热量从低温热源流向高温热源,而违反势热力学第二定律的克劳修斯说法;证: 反证法 设 r ir ηη>不可逆热机从高温热源吸热,向低温热源放热,对环境作功则逆向卡诺热机从环境得功从低温热源吸热向高温热源放热则若使逆向卡诺热机向高温热源放出的热不可逆热机从高温热源吸收的热相等,即总的结果是:得自单一低温热源的热,变成了环境作功,违背了热力学第二定律的开尔文说法,同样也就违背了克劳修斯说法;3.5 高温热源温度,低温热源温度,今有120KJ的热直接从高温热源传给低温热源,求此过程;解:将热源看作无限大,因此,传热过程对热源来说是可逆过程3.6 不同的热机中作于的高温热源及的低温热源之间;求下列三种情况下,当热机从高温热源吸热时,两热源的总熵变;1 可逆热机效率;2 不可逆热机效率;3 不可逆热机效率;解:设热机向低温热源放热,根据热机效率的定义因此,上面三种过程的总熵变分别为;3.7 已知水的比定压热容;今有1 kg,10℃的水经下列三种不同过程加热成100 ℃的水,求过程的;1系统与100℃的热源接触;2系统先与55℃的热源接触至热平衡,再与100℃的热源接触;3系统先与40℃,70℃的热源接触至热平衡,再与100℃的热源接触;解:熵为状态函数,在三种情况下系统的熵变相同在过程中系统所得到的热为热源所放出的热,因此3.8 已知氮N2, g的摩尔定压热容与温度的函数关系为将始态为300 K,100 kPa下1 mol的N2g置于1000 K的热源中,求下列过程1经恒压过程;2经恒容过程达到平衡态时的;解:1在恒压的情况下2在恒容情况下,将氮N2, g看作理想气体将代替上面各式中的,即可求得所需各量3.9 始态为,的某双原子理想气体1 mol,经下列不同途径变化到,的末态;求各步骤及途径的;1 恒温可逆膨胀;2先恒容冷却至使压力降至100 kPa,再恒压加热至;3 先绝热可逆膨胀到使压力降至100 kPa,再恒压加热至;解:1对理想气体恒温可逆膨胀,△U= 0,因此2先计算恒容冷却至使压力降至100 kPa,系统的温度T:3同理,先绝热可逆膨胀到使压力降至100 kPa时系统的温度T:根据理想气体绝热过程状态方程,各热力学量计算如下3.10 1mol理想气体在T=300K下,从始态100KPa 到下列各过程,求及;1 可逆膨胀到压力50Kpa;2 反抗恒定外压50Kpa,不可逆膨胀至平衡态;3 向真空自由膨胀至原体积的2倍3.11 某双原子理想气体从始态,经不同过程变化到下述状态,求各过程的解:1 过程1为PVT变化过程232.12 2 mol双原子理想气体从始态300 K,50 dm3,先恒容加热至400 K,再恒压加热至体积增大到100 dm3,求整个过程的;解:过程图示如下先求出末态的温度因此,3.13 4mol单原子理想气体从始态750K,150KPa,先恒容冷却使压力降至50KPa,再恒温可逆压缩至100KPa,求整个过程的解:ab3.14 3mol双原子理想气体从始态,先恒温可逆压缩使体积缩小至,再恒压加热至,求整个过程的及;解:ab3.15 5 mol单原子理想气体,从始态300 K,50 kPa先绝热可逆压缩至100 kPa,再恒压冷却至体积为85dm3的末态;求整个过程的Q,W,△U,△H及△S;3.16 始态300K,1MPa的单原子理想气体2mol,反抗0.2MPa的恒定外压绝热不可逆膨胀至平衡态;求过程的解:3.17 组成为的单原子气体A与双原子气体B的理想气体混合物共10 mol,从始态,绝热可逆压缩至的平衡态;求过程的;解:过程图示如下混合理想气体的绝热可逆状态方程推导如下容易得到3.18 单原子气体A与双原子气体B的理想气体混合物共8 mol,组成为,始态;今绝热反抗恒定外压不可逆膨胀至末态体积的平衡态;求过程的;解:过程图示如下先确定末态温度,绝热过程,因此3.19 常压下将100 g,27℃的水与200 g,72℃的水在绝热容器中混合,求最终水温t及过程的熵变;已知水的比定压热容;解:3.20 将温度均为300K,压力均为100KPa的100的的恒温恒压混合;求过程,假设和均可认为是理想气体;解:3.21 绝热恒容容器中有一绝热耐压隔板,隔板一侧为2mol的200K,的单原子理想气体A,另一侧为3mol的400K,100的双原子理想气体B;今将容器中的绝热隔板撤去,气体A与气体B混合达到平衡态,求过程的;解:A Bn=2mol n=3moln=2+3molT=200K T=400K T=V=V=V=∵绝热恒容 混合过程,Q = 0, W = 0 ∴△U = 00=40025×320023×20=4002002222)-)+-)-)+-T R T R T C n T C n B m ,V B A m ,V A ((((T 2 = 342.86K注:对理想气体,一种组分的存在不影响另外组分;即A 和B 的末态体积均为容器的体积;3.22 绝热恒容容器中有一绝热耐压隔板,隔板两侧均为N 2g;一侧容积50 dm 3,内有200 K 的N 2g 2 mol ;另一侧容积为75 dm 3, 内有500 K 的N 2g 4 mol ;N 2g 可认为理想气体;今将容器中的绝热隔板撤去,使系统达到平衡态;求过程的;解:过程图示如下同上题,末态温度T 确定如下经过第一步变化,两部分的体积和为即,除了隔板外,状态2与末态相同,因此注意21与22题的比较;3.23 甲醇在101.325KPa下的沸点正常沸点为,在此条件下的摩尔蒸发焓,求在上述温度、压力条件下,1Kg液态甲醇全部成为甲醇蒸汽时;解:3.24 常压下冰的熔点为0℃,比熔化焓,水的比定压热熔;在一绝热容器中有1 kg,25℃的水,现向容器中加入0.5 kg,0℃的冰,这是系统的始态;求系统达到平衡后,过程的;解:过程图示如下将过程看作恒压绝热过程;由于1 kg,25℃的水降温至0℃为只能导致克冰融化,因此3.25 常压下冰的熔点是,比熔化焓,水的比定压热熔,系统的始态为一绝热容器中1kg,的水及0.5kg 的冰,求系统达到平衡态后,过程的熵; 解:3.27 已知常压下冰的熔点为0℃,摩尔熔化焓,苯的熔点为5.5 1℃,摩尔熔化焓;液态水和固态苯的摩尔定压热容分别为及;今有两个用绝热层包围的容器,一容器中为0℃的8 mol H2Os与2 mol H2Ol成平衡,另一容器中为5.510℃的5 mol C6H6l与5 mol C6H6s成平衡;现将两容器接触,去掉两容器间的绝热层,使两容器达到新的平衡态;求过程的;解:粗略估算表明,5 mol C6H6l 完全凝固将使8 mol H2Os完全熔化,因此,过程图示如下总的过程为恒压绝热过程, ,3.28 将装有0.1 mol乙醚C2H52Ol的小玻璃瓶放入容积为10 dm3的恒容密闭的真空容器中,并在35.51℃的恒温槽中恒温;35.51℃为在101.325 kPa下乙醚的沸点;已知在此条件下乙醚的摩尔蒸发焓;今将小玻璃瓶打破,乙醚蒸发至平衡态;求1乙醚蒸气的压力;2过程的;解:将乙醚蒸气看作理想气体,由于恒温各状态函数的变化计算如下△H=△H1+△H2△S=△S1+△S2忽略液态乙醚的体积3.30.容积为20 dm3的密闭容器中共有2 mol H2O成气液平衡;已知80℃,100℃下水的饱和蒸气压分别为及,25 ℃水的摩尔蒸发焓;水和水蒸气在25 ~ 100 ℃间的平均定压摩尔热容分别为和;今将系统从80℃的平衡态恒容加热到100℃;求过程的;解:先估算100 ℃时,系统中是否存在液态水;设终态只存在水蒸气,其物质量为n, 则显然,只有一部分水蒸发,末态仍为气液平衡;因此有以下过程:设立如下途径第一步和第四步为可逆相变,第二步为液态水的恒温变压,第三步为液态水的恒压变温;先求80℃和100℃时水的摩尔蒸发热:3.31. O2g的摩尔定压热容与温度的函数关系为已知25 ℃下O2g的标准摩尔熵;求O2g 在100℃,50 kPa下的摩尔规定熵值;解:由公式3.32. 若参加化学反应的各物质的摩尔定压热容可表示为试推导化学反应的标准摩尔反应熵与温度T的函数关系式,并说明积分常数如何确定;解:对于标准摩尔反应熵,有式中3.33. 已知25℃时液态水的标准摩尔生成吉布斯函,水在25℃时的饱和蒸气压;求25℃时水蒸气的标准摩尔生成吉布斯函数; 解:恒温下3.34. 100℃的恒温槽中有一带有活塞的导热圆筒,筒中为2 mol N2g及装与小玻璃瓶中的3 mol H2Ol;环境的压力即系统的压力维持120 kPa不变;今将小玻璃瓶打碎,液态水蒸发至平衡态;求过程的;已知:水在100℃时的饱和蒸气压为,在此条件下水的摩尔蒸发焓;3.35. 已知100℃水的饱和蒸气压为101.325 kPa,此条件下水的摩尔蒸发焓;在置于100℃恒温槽中的容积为100 dm3的密闭容器中,有压力120 kPa的过饱和蒸气;此状态为亚稳态;今过饱和蒸气失稳,部分凝结成液态水达到热力学稳定的平衡态;求过程的;解:凝结蒸气的物质量为热力学各量计算如下3.36 已知在101.325 kPa下,水的沸点为100℃,其比蒸发焓;已知液态水和水蒸气在100~120℃范围内的平均比定压热容分别为:及;今有101.325 kPa下120℃的1 kg过热水变成同样温度、压力下的水蒸气;设计可逆途径,并按可逆途径分别求过程的及;解:设计可逆途径如下3.37 已知在100 kPa下水的凝固点为0℃,在-5 ℃,过冷水的比凝固焓,过冷水和冰的饱和蒸气压分别为,;今在100 kPa下,有-5℃ 1 kg的过冷水变为同样温度、压力下的冰,设计可逆途径,分别按可逆途径计算过程的及;解:设计可逆途径如下第二步、第四步为可逆相变,,第一步、第五步为凝聚相的恒温变压过程,,因此3.38 已知在-5℃,水和冰的密度分别为和;在-5℃,水和冰的相平衡压力为59.8 MPa;今有-℃C的1 kg水在100 kPa下凝固成同样温度下的冰,求过程的;假设,水和冰的密度不随压力改变;3.39 若在某温度范围内,一液体及其蒸气的摩尔定压热容均可表示成的形式,则液体的摩尔蒸发焓为其中,为积分常数; 试应用克劳修斯-克拉佩龙方程的微分式,推导出该温度范围内液体的饱和蒸气压p的对数ln p与热力学温度T 的函数关系式,积分常数为I;解:克—克方程为不定积分:3.40 化学反应如下:1利用附录中各物质的Sθm,△f Gθm数据,求上述反应在25℃时的△r Sθm,△r Gθm;2利用附录中各物质的△f Gθm数据,计算上述反应在25℃时的;325℃,若始态CH4g和H2g的分压均为150 kPa,末态COg和H2g的分压均为50 kPa,求反应的;解:3.41 已知化学反应中各物质的摩尔定压热容与温度间的函数关系为这个反应的标准摩尔反应熵与温度的关系为试用热力学基本方程推导出该反应的标准摩尔反应吉布斯函数与温度T的函数关系式;说明积分常数如何确定;解:根据方程热力学基本方程4.42 汞Hg在100 kPa下的熔点为-38.87℃,此时比融化焓;液态汞和固态汞的密度分别为和;求:1压力为10MPa下汞的熔点;2若要汞的熔点为-35℃,压力需增大之多少;解:根据Clapeyron方程,蒸气压与熔点间的关系为3.43 已知水在77℃时的饱和蒸气压为41.891 kPa;水在101.325 kPa下的正常沸点为100℃;求 1下面表示水的蒸气压与温度关系的方程式中的A和B值;2在此温度范围内水的摩尔蒸发焓;3在多大压力下水的沸点为105℃;解:1将两个点带入方程得2根据Clausius-Clapeyron方程33.44 水H2O和氯仿CHCl3在101.325 kPa下的正常沸点分别为100℃和61.5℃,摩尔蒸发焓分别为和;求两液体具有相同饱和蒸气压时的温度;解:根据Clausius-Clapeyron方程设它们具有相同蒸气压时的温度为T,则3.45 因同一温度下液体及其饱和蒸汽压的摩尔定压热容不同故液体的摩尔蒸发焓是温度的函数,试推导液体饱和蒸汽压与温度关系的克劳修斯——克拉佩龙方程的不定积分式;解:克—克方程不定积分得:3.46 求证:2 对理想气体证明:由H=fH,P可得对理想气体,3.50证明 1焦耳-汤姆逊系数2对理想气体证明:由H=fT,PdP PHdT T H dH T m p m m )()(∂∂+∂∂= m p Tm p m T m H C P HTH P H P T,)()()()(∂∂-=∂∂∂∂-=∂∂VdP TdS dH +=V PST P H T T +∂∂=∂∂∴)()(麦克斯韦关系式 P T T VP S )()(∂∂=∂∂- 代入上式V T TVP H P T +∂∂-=∂∂)()(T J mp m p mH C V T T V PT -=-∂∂-=∂∂μ,)()(2对于理想气体 p nRT V =pRT V m = p RT V p m =∂∂)(0,,=-=-=-mp m m m p mT J C V V C V T pRμ。
2021年高中物理选修三第三章《热力学定律》经典习题(答案解析)(3)
一、选择题1.关于热现象和热学规律,下列说法正确的是()A.只要知道气体的摩尔体积和阿伏加德罗常数,就可以算出每个气体分子的体积B.一定质量的理想气体温度升高,产生的压强一定增大C.温度一定时,悬浮在液体中的固体颗粒越大,布朗运动越明显D.第二类永动机不可能制成是因为它违反了热力学第二定律2.关于分子动理论和热力学定律,下列说法中正确的是()A.空气相对湿度越大时,水蒸发越快B.物体的温度升高,每个分子的动能都增大C.第二类永动机不可能制成是因为它违反了热力学第一定律处逐渐减小到很难再靠近的过程中,分子间作用力先D.两个分子间的距离由大于910m增大后减小到零,再增大3.对于一定质量的理想气体,下列判断错误的是()A.在等温变化过程中,系统与外界一定有热量交换B.在等容变化过程中,系统从外界吸收热量一定等于内能增量C.在等压变化过程中,内能增加,系统一定从外界吸收热量D.在绝热过程中,系统的内能一定不变4.关于元器件,下列说法错误的是()A.太阳能电池板是将光能转化为电能B.电热水壶烧水是利用电流的热效应C.电容器是用来储存电荷的装置D.微波炉加热食物是利用电磁感应原理5.为抗击新冠,防止病毒蔓延,每天都要用喷雾剂(装一定配比的84消毒液)对教室进行全面喷洒。
如图是某喷水壶示意图。
未喷水时阀门K闭合,压下压杆A可向瓶内储气室充气;多次充气后按下按柄B打开阀门K,水会自动经导管从喷嘴处喷出。
储气室内气体可视为理想气体,充气和喷水过程温度保持不变,则阀门()A.充气过程中,储气室内气体内能不变B.充气过程中,储气室内气体分子平均动能增大C.喷水过程中,储气室内气体吸热D.喷水过程中,储气室内气体压强不变6.下列说法正确的是()A.因为能量守恒,所以能源危机是不可能的B.摩擦力做功的过程,必定有机械能转化为内能C.热力学第二定律可表述为所有自发的热现象的宏观过程都具有方向性D.第二类永动机不可能制造成功的原因是违背了能量守恒定律7.下列说法中正确的是()A.压缩气体也需要用力,这表明气体分子间存在着斥力B.若分子势能增大,则分子间距离减小C.分子间的距离增大时,分子间相互作用的引力和斥力都减小D.自然界中热现象的自发过程不一定沿分子热运动无序性增大的方向进行8.一定质量的理想气体在某一过程中,气体对外界做功1.6×104J,从外界吸收热量3.8×104J,则该理想气体的()A.温度降低,密度减小B.温度降低,密度增大C.温度升高,密度减小D.温度升高,密度增大9.下列说法不正确...的是A.中国第一位进入太空的宇航员是杨利伟B.中国的卫星导航系统叫北斗导航系统C.能量是守恒的,我们不需要节约能源D.能量的耗散从能量转换的角度反映出自然界中宏观过程的方向性.能源的利用受这种方向性的制约,所以能源的利用是有条件的,也是有代价的.10.有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的温度.他的办法是:关好房间的门窗然后打开冰箱的所有门让冰箱运转,且不考虑房间内外热量的传递,则开机后,室内的温度将() A.逐渐有所升高B.保持不变C.开机时降低,停机时又升高D.开机时升高,停机时降低11.如图所示,一定质量的理想气体密封在绝热(即与外界不发生热交换)容器中,容器内装有一可以活动的绝热活塞.今对活塞施以一竖直向下的压力F,使活塞缓慢向下移动一段距离后,气体的体积减小.若忽略活塞与容器壁间的摩擦力,则被密封的气体( )图13-2-4A.温度升高,压强增大,内能减少B.温度降低,压强增大,内能减少C.温度升高,压强增大,内能增加D.温度降低,压强减小,内能增加12.如图所示,一定质量理想气体的体积V与温度T关系图像,它由状态A经等温过程到状态B,再经等容过程到状态C。
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Chap 11、Semiconductors11.1 (a) For a semiconductor, show that np product obtained fromEq.(11.27) is proportional to exp(-βE g ) and thus is independent of the position of the chemical potential μ in the bandgap.Eq.(11.27):(b) The law of mass action in semiconductors for reaction creatingpairs of electrons and holes [e.g., Eq.(11.28)] has the form n(T)P(T)∝exp(-βE g ). Explain the significance of this law. (Hint: The law of mass action is described in Section 4.6)Eq.(11.28): (c) Evaluate the np product at T=300K for Si with E g =1.11ev andm eds ﹡=1.05m and m hds ﹡=0.58m.11.2 Using Eq.(11.30) and m eds ﹡=1.05m and m hds ﹡=0.58m for Si,calculate the change in the position of the chemical potential µ in the energy gap of intrinsic Si between T=0 and 300K.Eq.(11.30): 11.3 Calculate the values of N c and N v as defined in Eq.(11.27) for Siat T=300K. The appropriate of density-of-states effective masses for Si are m eds ﹡=1.05m and m hds ﹡=0.58m.11.4 Consider a semiconductor with a bulk energy gap E g =1.5ev andgE v c i i e T N T N T p T n β-=)()()()()()(2/32)()2(2)()(μβμβπ----*===c c E c E B eds i e T N e T k T n T n m )()(2/32)()2(2)()(v v E v E B h ds i e T N e T k T p T p m ----*===μβμβπ **+=eds hdsB g m m T k E T ln 432)(μwith m e﹡=m h﹡=0.1m. Calculate the increase in the energy gap ofthis semiconductor when it is incorporated into the followingstructures:(a) A quantum well (d=2) with L x=10nm.(b) A quantum wire (d=1) with L x=L y=10nm(c) A quantum dot (d=0) with L x=L y=L z=10nm11.5 A Hall effect measurement is carried out on a rectangular barof a semiconductor with dimensions L x=0.04m (the directionof current flow ) and L y=L z=0.002m. When a current I x=5mAflows in the +x direction and a magnetic field B z=0.2T isapplied in the +z direction, the following voltages aremeasured: V x=6V and V y=+0.3mV (i.e., increasing in the +ydirection). Determine the following properties of thesemiconductor bar from these data :(a) The sign of the dominant charge carriers.(b) The concentration of the dominant charge carriers.(c) The electrical conductivity σ.(d) The mobility µ of the dominant charge carriers.11.6Using Eq.(11.59), estimate the increase △n in the electronconcentration in an n-type semiconductor due to the uniformabsorption of light with α=105m-1, I0=1W/m2, and hω=1e V, aquantum efficiency η=1, and a minority-carrier lifetime ηp=10-3s.Eq.(11.59): 11.7 Using the definition of the Hall mobility µH =︱ζR H ︱and theexpression for R H for an intrinsic semiconductor given in Eq.(11.49), show that µH =︱µh -µe ︱.Eq.(11.49): 11.8 Consider the structural transformation of a binary crystal ABfrom the hexagonal wurtzite crystal structure to the cubic zincblende crystal structure in which the density of the atoms remains constant. Find the lattice constant of the resulting cubic crystal if the lattice constants of the initial wurtzite crystal are a =0.3400nm and c =0.5552nm.11.11 List all of the local tetrahedral bonding units, A-B 4, which arepresent in the ternary semiconducting compounds Cu 2SiTe 3, Cu 3PS 4, and CuSi 2P 3. Note that each tetrahedron must contain an average of four bonding electrons per atom.11.13 Derive the expression for the shift △E of the electron energybands from one side of a p-n junction to the other under zero bias as given in Eq.(11.93). Calculate the magnitdde of the built-in electric potential V B =△E/e for Si at T=300K for N d =N a =2×1024m -3. Using these same parameters, calculate the depletion width d and the maximum electric field Q/∈A for a Si p-n junction at T=300 K.ωτηατω pp L I G p n 0)(==∆=∆)(e h eh H ne R μμμμ+-=Eq.(11.93): .Chap 12、Metals and Alloys 12.1 Referring to Section 12.5, show that the condition for the tangencyof the Fermi sphere to the Brillouin zone boundary for the FCC lattice is N =1.36.12.2 Derive Eq.:12.3 Derive Eq.:Chap 13、Ceramics13.1 For the silicon oxynitride compound Si 2N 2O, assume that Si, N,and O atoms have their usual valences (4, 3, and 2) and that the N and O atoms do not form covalent bonds with each other. (a) Given a local bonding unit Si-N x O y for Si with x+y =4,determine x (and y ) for this crystal structure.(b) What are the local bonding units for N and O?13.2 For the Si x N y O z ternary phase diagram, locate the followingcompounds :SiO 2, Si 3N 4, Si 2N 2O, and Si 3N 2O 3.13.3 Find the average number of bridging oxygens, b, and nonbridgingoxygens, n, for the following glasses:(a)CaO•SiO 2, and(b) soda-lime(i.e., 2CaO•3Na 2O•15SiO 2) n ia d B v c a d B g N N T k N N N N T k E E 2ln ln =+=∆)163253(02222∈-=πF F k e m k N U )]1(356[82202ws c ws Coul r r r Nze U --∈=πChap 14、Polymers14.1 A polymer whose viscoelastic properties are described byEq.(14.40) (i.e., the Maxwell model) is subjected to a time-dependent stress σ=σ0exp(-i ωt). Find the steady-state strain. Compare this result to that of a polymer that obeys the Voigt model, given by Eq. (14.37).Eq.(14.40): Eq. (14.37): 14.2 Consider an elastomer consisting of monomers that are opticallyanisotropic [i.e., they have a polarizability α11(ω) for light parallel to the chain axis and α┴(ω) for light polarized perpendicular to the chain axis]. Assume that there are N chains per unit volume. Let )(ωn be the mean index of refraction of the material. The elastomer is stretched with a steching parameter s , as defined in Secti on 14.5. Show that the elastomer will have a birefringence given by)]()()[1()(]2)([452)()()(112211ωαωαωωπωωωδ⊥--⊥--+=-=s s n n N n n nObtain an expression for the stress optical coefficient. C≡δn(ω)/ζ, where ζ is the applied stress.Chap 15、Dielectric and Ferroelectric Materials∙∙=+εησσG ηστεε=+∙15.1 Given the Landau free-energy density for a ferroelectric of the form Where b>c. Let a=a 0(T-T C ) and assume that b and c are constant. Find P z and χ as a function of T for the state of thermal equilibrium. 15.2 Design a piezoelectric actuator that can be used to sweep anSTM head over the surface of a solid. What is the area that can practically be covered?15.3 Adapt Weiss molecular field theory (see Chapter 9) to describe aferroelectric. Assume that there are just two orientations for the electric-dipole moment of a unit cell and that NN cells interact via an exchange interaction. Obtain the hysteresis curve and values for the coercive field E c , saturation polarization P sat , and remanent polarization P rem .15.4 BaTiO 3 is a paraelectric for T>T C =130℃ and has a Curie constantC=76,000K.(a)If the lattice constant for the cubic unit cell of BaTiO 3 is a=0.401nm, calculate the electric-dipole moment µ of this unit cell. (b)What would the corresponding polarization P=µn be at T=0 K?Chap 16、Superconductors16.1 (a) Derive expression for the difference in entropy△S(T)=S n (T)-S s (T) and the difference in specific heatZ y x x z z y z y x o EP P P P P P P c P P P b P a g g -+++++++=)(2)(422222224442△C(T)=C n (T)-C s (T) between the normal and superconducting states in terms of the critical magnetic field H c (T) and its first derivative dH c /dT and second derivative d 2H c /dT 2. [Hint: Use Eq.(16.3) and standard thermodynamic relationships.](b) Evaluate these expressions for △S(T) and △C(T) for the case where H c (T) can be approximated by H c0[1-(T/T c )2] and show that : (ⅰ) △S(T c )=△S(0)=0(ⅱ) △S(T)>0 for 0<T<T c(ⅲ)△C(T c )=-4µ0H c02/T c . Calculate △C(T c ) from this expressionusing T c = 1.175 K and H c0 = 105 Oe = 8360 A/m for Al and compare with the measured result -225 Jm -3K -1 for Al.(ⅳ) △C=0 for T=T c /3 and T=0K.Eq.(16.3): 16.2 (a) Using Eq.(16.5), calculate the condensation energy in J/m 3 and ineV per electron at T=0K for the superconductor Pb for which H c0=6.39×104A/m.(b) Compare your result from part (a) with the expression ε(0)(ε(0)/E F ) where the superconducting energy gap 2ε(0) = 2.6 meV for Pb. Here ε(0)/E F is the fraction of conduction elections whose energies are actually affected by the condensation .Eq.(16.5): 16.3 Consider the London penetration depth λL defined in Eq.(16.10).⎰+=-=H s s s s H T G dH H M T G T H G 02002),0()(),0(),(μμ2)(),0(),0(20T H T G T G c s n μ=-(a) Calculate λL (0K) for the superconducting Al, Pb, and Nb. (b) If a superconductor has a London penetration depth λL (0K)=200nm, what is the concentration n s of superconducting electrons at T=0.5T c .Eq.(16.10): 16.4 When transport current i flows through a superconducting wireof radius R, its path is confined to a region of thickness λ, the penetration depth, just inside the surface of the wire.(a) In this case show that the critical current density J c =i c /A eff is independent of R and can be expressed in terms of the critical field H c by J c =H c /λ. Here A eff is the effective area through which the current flows, with A eff <<πR 2.(b) Calculate J c for superconducting Pb at T=0K. [Note: H c0 = 803 Oe = 63919 A/m and λ(0) = 39 nm](c) Sketch J c (T)/J c (0) from T = 0 K to T c using the temperature dependencies of H c and λ given in Eqs.(16.6) and (16.11), respectively .Eq.(16.6):Eq.(16.11): 16.5 A type Ⅱ superconductor has T c =125k, ΘD =250K, and κ(T c )=50. Onthe basis of standard theories [free-electron model, Debye model, BCS theory, G-L theory, Pauli limit for H c2 given in Eq.(16.33)], 20)()(e T n mT s L μλ=)1()(220c c c T T H T H -=4)/(1)0()(c L L T T T -=λλestimate the following:(a)The superconducting energy gap 2ε(0).(b) The upper critical field H c2(0)=H p .(c)The co herence length ξ(0) and the penetration depth λ(0).(d)The thermodynamic critical field H c0=H c (0).(e)The coefficients γ and A of the electronic and phonon contributions to the specific heat , γT and AT 3, respectively.Eq.(16.33): 16.7 Use Eq.(16.20) to find the limiting values of λ(l ) and ξ(l ) (a) in theclean limit where the electron mean free path l >>ξ0, and (b) in the dirty limit where l <<ξ0.Eq.(16.20): and 16.8 (a) Calculate the density of vortices per unit area B/Φ0 for thefollowing values of B, the average flux density present in the mixed state of a superconductor. Take H c2=1.6MA/m.(i) B = μ0H c2/2. (ii) B ≈ B c2 = μ0H c2.(b)Calculate the average separation d between the vortices from your answers in part (a) and compare your answers with the conherence length ξ. [Hint: You can obtain ξ with the help of Eq.(16.22).]Eq.(16.22): 16.10 Calculate the number of holes N hole per Cu ion in the CuO 2copper-oxygen layers in the superconductor YBa 2Cu 3O 7-x for the Bp T T H μμε0)()(≈l l 11)(10+=ξξll ξλλ+∞=1)()()(2)(2002T T H c ξπμΦ=cases of x = 0, 0.25, and 0.5. Assume the following ionic charge states for the ions in this structure: Y 3+, Ba 2+, Cu 2+, and O 2-.16.11 For the compound with the chemical formula La 1.7Sr 0.3CuO 3.9:(a)what is the total number of electrons per formula unit outside closed shells?(b)How many electrons are contributed by each ion to the CuO 2 layers?(c)what is the average valence of the copper atoms?(d)Assuming that all copper ions have a charge of +2e, what is the number of holes per formula unit?16.12 Derive Eq.(16.33) for the Pauli limiting field H p by settingG n (H)=G s (H) at H=H p and using the Pauli paramagneticsusceptibility χp =µ0µB 2ρ(E F ) of the conduction electrons in thenormal state. [Hint: Use G n (H)-G n (0)=-µ0χp H 2/2, and the BCS resultG n (0)-G s (0)=ρ(E F )ε(0)2/2.]Eq.(16.33):Chap 17、Magnetic Materials17.1 Consider a single-domain uniaxial ferromagnetic particlemagnetized along its easy axis with M=M s in zero applied magnetic field. The magnetic anisotropy energy density is given by E a =K sin 2θ where K >0 and θ is the angle between the B p T T H μμε0)()(≈magnetization M and the easy axis. A magnetic field H is now applied at 90° to the easy axis.(a)Show that the sum of the anisotropy and magnetostatic energy densities for this particle is u(θ)=K sin 2θ-µ0MHsinθ.(b)Find the angle θ be tween M and the easy axis as a function of the magnitude of the field H by minimizing uwith respect to θ .(Note that it will be important to check for the stability of the solution by requiring that ∂2u/∂θ2>0.)(c) Show that the resulting magnetization curve (i.e., the plot of thecomponent of M in the direction of H versus the applied field H ) is a straight line (with slop χ=µ0M 2s /2K ) up to H =H k =2k/µ0M s , at which point the magnetization is saturated in the direction of H . Here H k is the effective magnetic anisotropy field in Eq.(17.14).Eq.(17.14): 17.4 Prove that when the shape anisotropy constant K s is <0 (i.e., whenN ⊥<N 11), the magnetization M for a ferromagnetic film will lie in the plane of the film .17.5 Calculate the radius at which a spherical Fe particle behavessuperparamagnetically at T =300K by setting K 1V=K B T , where K 1≈4.2×104J/m 3 is the first-order magnetocrystalline anisotropy coefficient for Fe and V is the volume of the sphere.17.6 Calculate t he increase in temperature ΔT of a magnetic material withsK M KH 02μ=a square magnetization loop, with M s =1370KA/m and H c =1100kA/m, when the loop is traversed once, Assume that the material is thermally-isolated from its surroundings and that its specific heat is 4×106J/m 3K.17.7 For a magnetically isotropic m aterial with magnetostriction λ, provethat B 2(C 11-C 12)=2B 1C 44. Show, in fact, that if the material is also elastically isotropic, then B 1=B 2. (Hint: See Section 10.8)17.8 Show that B (t) and M (t) both lag the applied magnetic fieldH(t )=H 0e -iωt by the same phas e angle δ when µ0H 0<<B 0cosδ. [Hint: Start by substituting the expressions for B (t) and M (t) from Eq.(17.33) into the expression B =µ0(H+M).]Eq.(17.33): andChap 18、Optical Materials18.1 Suppose that a quantum dot has the shape of a two-dimensionalcircular disk. A model that is often used to describe the potential of an electron confined in such a dot is V(r)=m ﹡ω02r 2/2. Suppose a magnetic induction B is imposed perpendicular to the plane of the dot. Show that the electron energy levels are given by the formula where n=0, 1, 2,…………and l=……, -2, -1, 0, 1, 2,……..18.2 Consider a Lorentz oscillator model for an electron moving in )(0)(δω+-=t i e B t B )(0)(φω+-=t i e M t M **-+++=m eB l m eB l n E l n 2)2()()12(220, ωone-dimensional anharmonic potential described by the Toda potential V(x)=Ae -ax +Bx, where A, a and B are constants. The equation of motion isDerive expressions for the linear polarization P , at frequency ω and the nonlinear polarization at frequency 2ω, P (2ω).18.3 Consider a particle of mass m moving in the anharmonicsymmetric potential V(x)=Acosh[a(x-x o )] subject to a damping force –γv and a driving force qE cosωt . Find the Fourier coefficients for the dipole moment at frequencies ω and 3ω. 18.4 Using Vegard′s law , derive an expression for the bandgap energyE g (x,y) of a layer of In 1-x Ga x As y P 1-y which is lattice matched to an InP substrate. Compare your expression with the experimental result given in Eq.(18.15) and comment on any differences.Eq.(18.15): E g =1.35-0.72y+0.12y 2 eVt qE e e aA dtdx dt x d m o ax ax ωγcos )()(22+-=+--。