第二章热力学第一定律练习题及解答

第二章热力学第一定律

一、思考题

1.判断下列说法是否正确，并简述判断的依据

(1)状态给定后，状态函数就有定值，状态函数固定后，状态也就固定了。

答：是对的。因为状态函数是状态的单值函数。

(2)状态改变后，状态函数一定都改变。

答：是错的。因为只要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。

(3)因为△ U=Q V，△ H=Q，所以Q V，Q p是特定条件下的状态函数？这种说法对吗？答：是错的。AU，JH本身不是状态函数，仅是状态函数的变量，只有在特定条件下与Q V，Q p 的数值相等，所以Q V，Q p不是状态函数。

(4)根据热力学第一定律，因为能量不会无中生有，所以一个系统如要对外做功，必须从外界吸收热量。

答：是错的。根据热力学第一定律A U =Q +W，它不仅说明热力学能(△□、热(Q)和

功(W、之间可以转化，有表述了它们转化是的定量关系，即能量守恒定律。所以功的转化形式不仅有热，也可转化为热力学能系。

(5、在等压下，用机械搅拌某绝热容器中的液体，是液体的温度上升，这时△ H=q=O

答：是错的。这虽然是一个等压过程，而此过程存在机械功，即W f MQ所以△ H MQ。

(6、某一化学反应在烧杯中进行，热效应为Q i,焓变为AH。如将化学反应安排成反应相

同的可逆电池，使化学反应和电池反应的始态和终态形同，这时热效应为Q2,焓变为AH，

则AH|= AH2°

答：是对的。Q是非状态函数，由于经过的途径不同，则Q值不同，焓(H、是状态函数，

只要始终态相同，不考虑所经过的过程，则两焓变值：Hi和•汨2相等。

2.回答下列问题，并说明原因

(1、可逆热机的效率最高，在其它条件相同的前提下，用可逆热机去牵引货车，能否使火车的速度加快？

答？不能。热机效率W是指从高温热源所吸收的热最大的转换成对环境所做的功。

Q h

但可逆热机循环一周是一个缓慢的过程，所需时间是无限长。又由P=聖=F v可推出v

t

无限小。因此用可逆热机牵引火车的做法是不实际的，不能增加火车的速度，只会降低。

(2)Zn与盐酸发生反应，分别在敞口和密闭容器中进行，哪一种情况放热更多？

答：在密闭容器中进行的反应放热多。在热化学中有Q p = Q V+ An(RT),而Zn (s) + H2SO4 (aq) = Zn SO4 (aq) + H2 ( g)的A n=1 ,又因该反应为放热反应Q p、Q V的值均为负值，所以I Q V I > I Q p I。

(3 )在一个导热材料制成的圆筒中装有压缩气体，圆筒中的温度与环境达成平衡。如果突然打开圆筒，是气体冲出去，当压力与外界相等时，立即盖上筒盖。过一段时间，筒中气体的压力有何变化？答：筒内压力变化过程：当压缩气体冲出，在绝热可逆过程有p1— T二常数，当气体的压

力与外界相等时，筒中温度降低。立即盖上筒盖，过一会儿，系统与环境的温度完全相等，筒内温度上升，则压力也升高，即大于环境的标准大气压。

(4)在装有催化剂的合成氨反应室中，N2(g)与H2(g)的物质的量的比为1:3,反应方程式为，N2

(g) + H2 (g)" 二 N H3 (g)。在温度为T1和T2的条件下，实验测

定放出的热量分别为Q p (T1 )和Q p (T2).但是用Kirchhoff定律计算时

T2

r H m T2 - r H m T1 T r C p dT

T

1

计算结果与实验值不符，试解释原因。

答：A H =色旦,A r H m实际是指按所给反应式，进行心©=1mol反应时的焓变，实验测得m丛

的数值是反应达到平衡时发出的热量，此时L7<1mol，因此经过计算使用Kirchhoff定律计

算的结果与实验不符。

3.理想气体绝热可逆和绝热不可逆过程的功，都可用公式W = C/：T计算，那两

种过程的功是否一样？

答：不一样。过程不同，终态不相同，即AT不一样，因此绝热可逆和绝热不可逆两过程所

做功不一样。

4■请指出所列公式的适用条件：

(1) H 二Q p (2) U 二Q V(3) W = nRTln 也答：(1 )式适用于不作非膨胀功的等压过程。

(2 )式适用于不作非膨胀功的等容过程。

(3 )式适用于理想气体不作非膨胀功的等温可逆过程。

5.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。

第一定律数学表示式为△ U = Q + W。

(1)理想气体自由膨胀

(2)van der Waals气体等温自由膨胀

(3)Zn (s) + 2HCI (l) = ZnCl2 +出(g)进行非绝热等压反应

(4)H2 (g) + CI2 (g) = 2HCI ( g) 在绝热钢瓶中进行

(5)常温、常压下水结成冰(273.15 K , 101.325kPa)

答：(1) W = 0因为自由膨胀外压为零。

Q = 0理想气体分子间没有引力。体积增大分子间势能不增加，保持温度不变，

不必从环境吸热。

U = 0 因为温度不变，理想气体的热力学能仅是温度的函数。

H = 0 因为温度不变，理想气体的焓也仅是温度的函数。

(2)W=0 因为自由膨胀外压为零。

Q > 0范氐气体分子间有引力。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系统的热力学能增加。

H ■ 0根据焓的定义式可判断，系统的热力学能增加，焓值也增加。

(3)W :：: 0 放出的氢气推动活塞，系统克服外压对环境作功。

Q ::: 0 反应是放热反应。

U ::: 0系统既放热又对外作功，热力学能下降。

H ::: 0因为这是不做非膨胀功的等压反应，H = Q p。

(4)W = 0 在刚性容器中是恒容反应，不作膨胀功。

Q=0因为用的是绝热钢瓶

U = 0 根据热力学第一定律，能量守恒，热力学能不变。

•汨• 0 因为是在绝热刚瓶中发生的放热反应，气体分子数没有减少，

钢瓶内温度升高，压力也增高，根据焓的定义式可判断焓值是增加的。

(5)W ::: 0 常温、常压下水结成冰，体积变大，系统克服外压对环境作功。

Q ::: 0 水结成冰是放热过程。