第二章食品热力学基础思考及练习题

第二章食品热力学基础思考及练习题

第一节热力学概述

一、概念题

1、系统（或体系）：是指被划定的研究对象。

2、环境：是指与系统（或体系）密切相关的部分。

3、状态：是指系统的所有性质（物理性质和化学性质）的综合表现。

4、状态性质：是指描述系统状态的宏观物理量。

5、广度性质（或容量性质）：是指这种性质的数值与系统中所含物质的量成正比，具有简单加和性。

6、强度性质：是指这种性质的数值与系统所含物质的量无关，不具有加和性。

7、过程：是指系统从一个状态变到另一个状态的变化。

8、途径：是指系统在变化过程中所经历的具体步骤。

9、热力学平衡（状态)：是指在一定的条件下，如果一个系统与环境之间没有任何物质和能量交换，所有的状态函数有确定值，且不随时间而改变，则称这个系统处于热力学平衡（状态)。

10、热量（或热）：是指由于温度之差而在系统与环境之间传递的能量。

11、功：是指除了热传递以外，其它各种形式传递的能量。

12、热力学能（或内能）：是指系统内部所有粒子各种运动形态的能量的总和。

13、自发过程：是指系统中无需环境施加影响就可以自动进行的过程。

14、熵增原理：是指在孤立热力系所发生的不可逆微变化过程中，熵的变化量永远大于系统从热源吸收的热量与热源的热力学温度之比。可用于度量过程存在不可逆性的程度。简言之：孤立系统中的一切实际过程都是熵的增加过程。

15、自由能：在热力学当中，自由能是指在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分。

二、填空题（不做）

1、热力学是研究（宏观）系统在（能量）相互转换过程中所应遵循规律的科学。

2、化学热力学主要解决化学变化的（方向）和（限度）问题，但不研究变化的（速率）和（机理）。

3、热力学方法的特点是考察体系变化前后——（起始状态）与（终了状态）之

间函数的改变量来做出方向和限度上的判断。

4、热力学方法的局限性是研究（宏观）性质，不涉及（微观）行为。

5、根据系统与环境间是否有物质交换或能量交换把（热力学）系统分为（敞开系统）、【封闭（密闭）系统】和【孤立（隔绝）系统】等3类。

6、系统的热力学性质分为（广度）性质和（强度）性质。

7、在热力学中可以将常遇到的过程按变化性质分为（简单物理变化过程）、（相变化过程）和(化学变化过程)等3大类型。

8、由于系统内部粒子运动及粒子间相互作用的复杂性，内能的绝对值现在是（无法确定的）。

9、焓的定义式是（H=U+pV）。

10、热力学第一定律的数学表达式是（ΔU=Q+W）；如若体系发生了微小的变化，则写成（dU=δQ+δW）；其适用条件是（封闭体系）内的任何过程。

11、热力学第一定律解决了变化过程的（能量）问题，热力学第二定律解决了反应的（方向）和（限度）问题。

12、自发过程的共同特征是（不可逆性）。

13、热力学第二定律有多种表述方式，但其实质是一样的，都是指明了过程的（方向）和（限度）。

14、物理学上的熵是指【热能除以温度所得的商（即热温商）】，标志（热量转化为功）的程度。

15、熵的统计意义是（混乱度）的量度——混乱度越大，则熵（越大）。

16、热力学第三定律通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值为（零）。或者绝对零度（T=0K）不可达到。

17、将热力学第一、第二定律相结合，引入新的热力学函数，定义【自由能(G)】，提出了自由能判据，以达到只考虑（体系自身）变化就能判断过程方向的目的。

18、自由能的衡量是：在一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的“（有用）能量”。可分为(亥姆霍兹)自由能和（吉布斯）自由能。

三、简答题

1、热力学状态函数有何特征？

参考答案：

热力学函数或状态函数是描写系统状态的，具有两个重要特征：

1)它只与系统当前的状态有关，与这个状态是怎样变化得来的无关，即不提供历史信息。

2)热力学函数的改变值只决定于系统开始时的状态（始态）和终了时的状态（终态），与变化所经历的具体途径无关。

2、一个处于热力学平衡状态的系统，应同时满足哪些平衡？

参考答案：

一个处于热力学平衡状态的系统，应同时满足下列4个平衡：

1）热平衡：若系统内部无绝热壁存在，系统达平衡后各部分温度相等。

2）力平衡：若系统内部无绝热壁存在，系统达力平衡后各部分压力相等。

3）相平衡：若系统内存在有几个相，系统达相平衡后，相与相之间无物质转移。

4）化学平衡：系统达化学平衡后，系统内无宏观化学反应进行，系统的组成不再随时间而改变。

3、热力学第一定律如何表述？

参考答案：

表述一——能量守恒定律在热力学体系中的应用称为热力学第一定律。在热力学中，热力学第一定律通常表述为“一个体系处于确定状态时，体系的热力学能具有单一确定数值；当体系发生变化时，热力学能的变化值取决于体系的始态与终态，而与变化的具体途径无关”。

表述二——“第一类永动机（不供给能量而可连续不断对外做功的机器叫第一类永动机）是不可能制造成功的”。（因为违反了能量守恒定律）

4、如何理解热力学第一定律的数学表达式ΔU=Q+W？

参考答案：

从3方面理解（即3种情况）：

1）如果单纯通过做功来改变物体的内能，内能的变化可以用做功的多少来度量，这时物体内能的增加（或减少)量△U就等于外界对物体（或物体对外界）所做功的数值，即△U=W；

2）如果单纯通过热传递来改变物体的内能，内能的变化可以用传递热量的

多少来度量，这时物体内能的增加（或减少)量△U就等于外界吸收（或对外界放出）热量Q的数值，即△U=Q；

3）在做功和热传递同时存在的过程中，物体内能的变化，则要由做功和所传递的热量共同决定。在这种情况下，物体内能的增量△U就等于从外界吸收的热量Q和对外界做功W之和。即△U=W+Q。

5、何谓第二类永动机？第二类永动机不可能制成的原因是什么？

参考答案：

只从单一热源吸收热量，使之完全变为有用的功而不引起其他变化的热机称为第二类永动机。第二类永动机不可能制成，表示机械能和内能的转化过程具有方向性。

第二类永动机不可能制成的原因：第二类永动机效率为100%，虽然它不违法能量守恒定律，但大量事实证明，在任何情况下，热机都不可能只有一个热源，热机要不断地把吸取的热量变成有用的功，就不可避免地将一部分热量传给低温物体，因此效率不会达到100%。第二类永动机违法了热力学第二定律。

6、简述亥姆霍兹自由能的判断。

参考答案：

在等温、等容，且非体积功等于零的情况下，可采用亥姆霍兹自由能来判断一个过程的自发性。

≤0

亥姆霍兹自由能的判断依据是：△F

T,V, W′=0

式中：等号适用于可逆过程，不等号适用于不可逆过程。该公式表明：在等温、等容，且非体积功等于零的条件下，体系自发地向亥姆霍兹自由能减小的方向进行，直到降至该情况所允许的最小值为止，此时体系达到平衡。即不可能发生亥姆霍兹自由能增加的过程。

7、简述吉布斯自由能的判断。

参考答案：

在等温、等容，且非体积功等于零的情况下，可采用吉布斯自由能来判断一个过程的方向和限度。

吉布斯自由能的判断依据是：△G

≤0

T,V, W′=0

式中：等号适用于可逆过程，不等号适用于不可逆过程。该公式表明：在等