材料热力学习题解答第1一2章分析解析

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工程热力学习题解答

1. 热量和热力学能有什么区别？有什么联系？答：热量和热力学能是有明显区别的两个概念：热量指的是热力系通过界面与外界进行的热能交换量，是与热力过程有关的过程量。

热力系经历不同的过程与外界交换的热量是不同的；而热力学能指的是热力系内部大量微观粒子本身所具有的能量的总合，是与热力过程无关而与热力系所处的热力状态有关的状态量。

简言之，热量是热能的传输量，热力学能是能量？的储存量。

二者的联系可由热力学第一定律表达式d d q u p v δ=+ 看出；热量的传输除了可能引起做功或者消耗功外还会引起热力学能的变化。

2. 如果将能量方程写为 d d q u p v δ=+或d d q h v p δ=-那么它们的适用范围如何？答：二式均适用于任意工质组成的闭口系所进行的无摩擦的内部平衡过程。

因为 uh p v=-，()du d h pv dh pdv vdp =-=-- 对闭口系将 du 代入第一式得 q dh pdv vdp pdv δ=--+ 即 q dh vdp δ=-。

3. 能量方程 δq u p v =+d d （变大）与焓的微分式 ()d d d h u pv =+（变大）很相像，为什么热量 q 不是状态参数，而焓 h 是状态参数？答：尽管能量方程 qdu pdv δ=+ 与焓的微分式 ()d d d h u pv =+（变大）似乎相象，但两者的数学本质不同，前者不是全微分的形式，而后者是全微分的形式。

是否状态参数的数学检验就是，看该参数的循环积分是否为零。

对焓的微分式来说，其循环积分：()dh du d pv =+⎰⎰⎰因为0du =⎰，()0d pv =⎰所以0dh =⎰，因此焓是状态参数。

而对于能量方程来说，其循环积分：q du pdv δ=+⎰⎰⎰虽然： 0du =⎰ 但是： 0pdv ≠⎰ 所以： 0q δ≠⎰ 因此热量q 不是状态参数。

4. 用隔板将绝热刚性容器分成A 、B 两部分（图2-13），A 部分装有1 kg 气体，B 部分为高度真空。

1.热学习题解答.

第1章温度习题答案一、选择题 1. D 2. B二、填空题1. Pa 31008.9⨯ K 4.90 C 08.182-三、计算题1. 解：漏掉的氢气的质量kg T Vp T V p R M m m m 32.0)(22211121=-=-=∆第2章气体分子动理论答案一、选择题1. B解：两种气体开始时p 、V 、T 均相同，所以摩尔数也相同。

现在等容加热 V C MQ μ=△T ，R C R C V V 25,232H He ==由题意 μM Q =HeR 23⋅△T ＝ 6 J 所以 R M Q 252H ⋅=μ△T ＝(J)1063535H =⨯=e Q 。

2. C 解：由,)(,)(,He 222O 1112R MT V p R M T V p R MT pV ⋅=⋅==μμμ,,2121T T p p ==又所以,21)()21He O 2==V V MM μμ（根据内能公式,2RT i M E ⋅=μ得二者内能之比为65352121=⋅=E E 3. B解：一个分子的平均平动动能为,23kT w =容器中气体分子的平均平动动能总和为3210410523232323-⨯⨯⨯⨯===⋅==pV RT M kT N Mw N W A μμ ＝3(J)。

4. C解：由RpVC E RT MpV T C ME VV ===得 ,μμ，可见只有当V 不变时，E ~ p 才成正比。

5. D解：因为)(d v f NN =d v ，所以)(21212v f N mv v v ⋅⋅⎰d ⎰=21221v v mv v d N 表示在1v ~2v 速率间隔内的分子平动动能之和。

6. D 解：由,2,2122v n d z nd ππλ==体积不变时n 不变，而v ∝T ，所以, 当T 增大时，λ不变而z 增大。

二、填空题1. 27.8×10-3 kg ⋅mol -1 解：由RT MpV μ=可得摩尔质量为523mol10013.1100.130031.8103.11⨯⨯⨯⨯⨯⨯====--p RT pV MRT M ρμ )m o l (k g 108.2713--⋅⨯=2. 1.28×10-7K 。

工程热力学课后思考题答案

⒎ 几股流体汇合成一股流体称为合流，如图2-12所示。工程上几台压气机同时向主气道送气，以及混合式换热器等都有合流的问题。通常合流过程都是绝热的。取1-1、2-2和3-3截面之间的空间为控制体积，列出能量方程式，并导出出口截面上焓值h3的计算式。
答：认为合流过程是绝热的稳态稳流过程，系统不作轴功，并忽略流体的宏观动能和重力位能。对所定义的系统，由式(2-28)
⒍ .开口系实施稳定流动过程，是否同时满足下列三式：
上述三式中W、Wt和Wi的相互关系是什么?
答：是的，同时满足该三个公式。
第一个公式中dU指的是流体流过系统时的热力学能变化，?W是流体流过系统的过程中对外所作的过程功；第二个公式中的?Wt指的是系统的技术功；第三个公式中的?Wi指的是流体流过系统时在系统内部对机器所作的内部功。对通常的热工装置说来，所谓“内部功”与机器轴功的区别在于前者不考虑机器的各种机械摩擦，当为可逆机器设备时，两者是相等的。从根本上说来，技术功、内部功均来源于过程功。过程功是技术功与流动功（推出功与推进功之差）的总和；而内部功则是从技术功中扣除了流体流动动能和重力位能的增量之后所剩余的部分。
（注意：系统完成任何一个循环后都恢复到原来的状态，但并没有完成其“逆过程”，因此不存在其外界是否“也恢复到原来状态”的问题。一般说来，系统进行任何一种循环后都必然会在外界产生某种效应，如热变功，制冷等，从而使外界有了变化。）
⒒ 工质及气缸、活塞组成的系统经循环后，系统输出的功中是否要减去活塞排斥大气功才是有用功？
⒑ 系统经历一可逆正向循环及其逆向可逆循环后，系统和外界有什么变化？若上述正向及逆向循环中有不可逆因素，则系统及外界有什么变化？
答：系统完成一个循环后接着又完成其逆向循环时，无论循环可逆与否，系统的状态都不会有什么变化。根据可逆的概念，当系统完成可逆过程（包括循环）后接着又完成其逆向过程时，与之发生相互作用的外界也应一一回复到原来的状态，不遗留下任何变化；若循环中存在着不可逆因素，系统完成的是不可逆循环时，虽然系统回复到原来状态，但在外界一定会遗留下某种永远无法复原的变化。

材料热学性能答案标准版PPT

结论：所有材料的摩尔热容是一个与温度无关的常数，其值接近于3R。
不足：在高温时与实验相符合，在低温时与实验不符合。问题在于把原子振动的能量认为是连续的。
二、爱因斯坦量子热容理论
晶格中每个原子都在其格点做振动，各个原子的振动是独立而
互不依赖的；每个原子都具有相同的周围环境，因而其振动频率
是相同的；原子振动的能量是不连续量子化的。即把原子的振动
第一节焓和热容一、基本知识
在等压时，物体吸收或者放出的热量在数值上
等于焓的变化： Q dH
定义：在等压时，1克物体从0K到T时所需热量 Q为该物体的焓。
Q=CmT C是0K到TK区间的平均比例数。将m克物体升高1K所需热量定义为热容C,单位质量为c，单位为：J/K.
二、物理意义：
热容量反映了材料中原子热振动能量状态改变时需要的热量。加热时，材料吸收的热能主要为点阵吸收，增加了材料离子的振动能量。其次为自由电子吸收，增加了电子的动能。所以，热振动为主要贡献。自由电子运动为次要贡献。定容和定压时的不同：
第三节膨胀系数与其他物理量的关系
热膨胀是原子热振动加剧引起的振幅加大和振动能量增大的结果。
一、与热格容留的耐关申系式：V
KVm
CV ,m
V ：体膨胀系数； K ：体积模量； N / m2
Cv,m ：定容摩尔热容；
Vm：摩尔体积格留耐申常数, =1.5~2.5.
以铝为例，如图5-4，P97，热膨胀曲线与热容曲
1摩尔气体的总能量为：
E
3 2
KN A阿伏加得罗常数； K：波尔兹曼常数。
气体定容摩尔热容：CV ,m
(uT )V
3 2
R
.
固体材料的热运动既具有动能，又有位能。摩尔材料

北京科技大学热工学第1章和第2章重点思考题和习题解答

第1章和第2章重点思考题和习题解答第1章基本概念思考题1. 平衡状态与稳定状态有何区别？热力学中为什么要引入平衡态的概念？答：平衡状态是在不受外界影响的条件下，系统的状态参数不随时间而变化的状态。

而稳定状态则是不论有无外界影响，系统的状态参数不随时间而变化的状态。

可见平衡必稳定，而稳定未必平衡。

热力学中引入平衡态的概念，是为了能对系统的宏观性质用状态参数来进行描述。

4. 准平衡过程与可逆过程有何区别？答：无耗散的准平衡过程才是可逆过程，所以可逆过程一定是准平衡过程，而准平衡过程不一定是可逆过程。

5. 不可逆过程是无法回复到初态的过程，这种说法是否正确？答：不正确。

不可逆过程是指不论用任何曲折复杂的方法都不能在外界不遗留任何变化的情况下使系统回复到初态，并不是不能回复到初态。

习题1-3 某容器被一刚性壁分为两部分，在容器不同部位装有3块压力表，如图1－9所示。

压力表B 上的读数为1.75 bar ，表A 的读数为1.10 bar ，如果大气压力计读数为0.97 bar ，试确定表C 的读数及两部分容器内气体的绝对压力。

解： bar p p p a b 07.210.197.01=+=+=bar p p p b 32.075.107.212=−=−= < 0.97 barC b p p p +=2bar p p p b C 65.032.097.032.02−=−−=−=1-4 如图1－10所示一圆筒形容器，其直径为450 mm ，表A 的读数为360 kPa ，表B 的读数为170 kPa ，大气压力为100 mmHg ，试求，⑴ 真空室及1、2两室的绝对压力；⑵ 表C 的读数；⑶ 圆筒顶面所受的作用力。

解： kPa H p p p b 0g mm 0100100＝＝－＝＝汞柱真空室−kPa p p p a 36036001=+=+=真空室kPa p p p B 19017036012=−=−=kPa p p p c 1901902==−=真空室N A p p F b 0.21190.45π41133.3100)(2=××××=−=真空室 1-7一热力系发生状态变化，压力随体积的变化关系为=3.1pV 常数，若热力系初态为 6001=p kPa ，3.01=V m 3，问当系统体积膨胀至 5.02=V m 3 时，对外作功为多少？解：改过程系统对外作的功为∫∫=−−===−−0.50.33.013.023.1111.33.115.03.02585.)(0.3V W 1kJ V V V p dV V p pdV （积分公式：x dx µ=∫11x µµ++） 1-9 某气缸中气体由0.1 m 3膨胀至0.3 m 3，若气体的压力及容积按MPa 和m 3计算，则膨胀过程中气体的压力和体积的函数关系为04.024.0+=V p ，试求，气体所作的膨胀功。

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ΔU=Q V ，ΔH=Q p ，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。

∆U ，∆H 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U Q W ∆=+，它不仅说明热力学能（ΔU ）、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ΔH=Q p =0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 ≠0，所以ΔH≠Q p 。

（6）某一化学反应在烧杯中进行，热效应为Q 1，焓变为ΔH 1。

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Q 2，焓变为ΔH 2，则ΔH 1=ΔH 2。

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∆H 1和∆H 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hQ W -=η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。

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。

第一章-热力学第一、二定律试题及答案【整理版】

第一章热力学第一定律一、选择题1-A; 2-C; 3-A; 4-D; 5-B; 6-D; 7-A; 8-D; 9-A; 10-D; 11-B; 12-B; 13- A; 14-C; 15-C; 16-B; 17-C;1．下述说法中，哪一种正确（a ）(A)热容C 不是状态函数； (B)热容C 与途径无关；(C)恒压热容C p 不是状态函数；(D)恒容热容C V 不是状态函数。

2．对于内能是体系状态的单值函数概念，错误理解是（c ）(A) 体系处于一定的状态，具有一定的内能；(B) 对应于某一状态，内能只能有一数值不能有两个以上的数值；(C) 状态发生变化，内能也一定跟着变化；(D) 对应于一个内能值，可以有多个状态。

3．某高压容器中盛有可能的气体是O 2 ,Ar, CO 2, NH 3中的一种，在298K 时由5dm3绝热可逆膨胀到6dm3，温度降低21K ，则容器中的气体（ a ）(A) O 2 (B) Ar (C) CO 2 (D) NH 34．戊烷的标准摩尔燃烧焓为-3520kJ·mol -1，CO 2(g)和H 2O(l)标准摩尔生成焓分别为-395 kJ·mol -1和-286 kJ·mol -1，则戊烷的标准摩尔生成焓为（ d ）(A) 2839 kJ·mol -1 (B) -2839 kJ·mol -1 (C) 171 kJ·mol -1 (D) -171 kJ·mol -15．已知反应)()(21)(222g O H g O g H =+的标准摩尔反应焓为)(T H m r θ∆，下列说法中不正确的是（ b ）。

(A).)(T H m r θ∆是H 2O(g)的标准摩尔生成焓 (B). )(T H m r θ∆是H 2O(g)的标准摩尔燃烧焓 (C). )(T H m r θ∆是负值 (D). )(T H m r θ∆与反应的θm r U ∆数值相等 6．在指定的条件下与物质数量无关的一组物理量是（ d ）(A) T , P, n (B) U m , C p, C V(C) ΔH, ΔU, Δξ (D) V m , ΔH f,m (B), ΔH c,m (B)7．实际气体的节流膨胀过程中，下列那一组的描述是正确的（ a ）(A) Q=0 ΔH=0 ΔP< 0 ΔT≠0 (B) Q=0 ΔH<0 ΔP> 0 ΔT>0(C) Q>0 ΔH=0 ΔP< 0 ΔT<0 (D) Q<0 ΔH=0 ΔP< 0 ΔT≠08．已知反应 H 2(g) + 1/2O 2(g) →H 2O(l)的热效应为ΔH ，下面说法中不正确的是（ d ）(A) ΔH 是H 2O(l)的生成热 (B) ΔH 是H 2(g)的燃烧热(C) ΔH 与反应的ΔU 的数量不等 (D) ΔH 与ΔH θ数值相等9．为判断某气体能否液化，需考察在该条件下的（ a ）(A) μJ-T> 0 (B) μJ-T< 0 (C) μJ-T = 0 (D) 不必考虑μJ-T的数值10．某气体的状态方程为PV=RT+bP(b>0)，1mol该气体经等温等压压缩后其内能变化为（d ）(A) ΔU>0 (B) ΔU <0 (C) ΔU =0 (D) 该过程本身不能实现11．均相纯物质在相同温度下C V > C P的情况是（ b ）(A) (∂P/∂T)V<0 (B) (∂V/∂T)P<0(C) (∂P/∂V)T<0 (D) 不可能出现C V>C P12．理想气体从相同始态分别经绝热可逆膨胀和绝热不可逆膨胀到达相同的压力，则其终态的温度，体积和体系的焓变必定是（ b ）(A) T可逆> T不可逆, V可逆> V不可逆, ΔH可逆>ΔH不可逆(B) T可逆< T不可逆, V可逆< V不可逆, ΔH可逆<ΔH不可逆(C) T可逆< T不可逆, V可逆> V不可逆, ΔH可逆<ΔH不可逆(D) T可逆< T不可逆, V可逆< V不可逆, ΔH可逆>ΔH不可逆13．1mol、373K、1atm下的水经下列两个不同过程达到373K、1atm下的水汽：(1)等温可逆蒸发，(2)真空蒸发。

材料热力学硕士第二章缺陷热力学(高版本)

位错的特征
虽然滑移造成位错从一个平衡位臵移动到另一个，但原子并没有扩散，即任意一个原子的运动距离不超过柏氏矢量的数值滑移中只有位错中心线附近的原子进行微小的移动，而远离位错中心线的原子并不运动晶体滑移方向就是位错的柏氏矢量b方向，它与位错线的运动方向有时一致（刃位错），有时不一致（螺位错）。
表示柏氏矢量或滑移矢量的符号：b = ka[uvw]
步骤：将某个柏氏矢量在晶胞坐标XYZ轴上的分量，依次填入[ ]号内，再提取公因数k作为系数，放在[ ]号前，使[ ]号内的数字为最小整数。
柏氏矢量b 的表示方法
如：某滑移矢量在三轴上分量依次为
、、 0
则：柏氏矢量符号为
b=
柏氏矢量的方向：用晶向指数表示；
N n N n SC k N ln n ln N n N n N n G nu T nSV k N ln n ln N n
利用图表示由于引入空位给晶体带来的焓变、熵变和Gibbs自由能的变化。
空位的热力学分析
dG 0 dn
空位浓度(Vacancy concentration):
n u SV C0 e xp N n k kT A e xp( u / kT ) A e xp(Q f / RT )
其中
A exp( SV / k )
Q f Na u

同理存在零维、一维、二维材料，统称低维材料或纳米材料
空位的概念
空位(Vacancy)：晶体中某结点的原子空缺
由于某种原因，原子脱离了正常格点，而在原来的位臵上留下了原子空位。
或者，空位就是未被占据的原子位臵
晶体中的热空位

材料热力学习题答案

The problems of the first law1. a lead bullet is fired at a frigid surface. At what speed must it travel to melt on impact, if its initial temperature is 25℃ and heating of the rigid surface of the rigid surface is neglected? The melting point of lead is 327℃. The molar heat of fusion of the lead is 4.8kJ/mol. The molar heat capacity C P of lead may be taken as 29.3J/(mol K) (1.1)Solution: )/(5.112.20721]108.4)25327(3.29[2121)(2322s m V v n n WQ nMv mv W H T C n Q Q Q absorb melting p melt increase absorb ==⨯+-⨯===∆+∆=+=2. what is the average power production in watts of a person who burns 2500 kcal of food in a day? Estimate the average additional powder production of 75Kg man who is climbing a mountain at eh rate of 20 m/min (1.2)Solution )/(24560208.975)/(12160602410467000//)(104670001868.4102500sin 3S J t h mg P S J t Q t W P J Q gincrea Burning Burning =⨯⨯=∆==⨯⨯====⨯⨯=3 One cubic decimeter (1 dm 3) of water is broken into droplets having a diameter of onemicrometer (1 um) at 20℃. (1.3)(a) what is the total area of the droplets?(b) Calculate the minimum work required to produce the droplets. Assume that the dropletsare rest (have zero velocity)Water have a surface tension of 72.75 dyn/cm at 20℃ (NOTES: the term surface energy (ene/cm 2) is also used for surface tension dyn/cm)Solution)(25.218)106103(1075.72)(103)101(4)101(34)101(232523263631J S W m nS S Single total =⨯-⨯⨯⨯=∆=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-+----σππ4.Gaseous helium is to be used to quench a hot piece of metal. The helium is in storage in an insulated tank with a volume of 50 L and a temperature of 25℃, the pressure is 10 atm. Assume that helium is an ideal gas.(a) when the valve is opened and the gas escapes into the quench chamber (pressure=1 atm),what will be the temperature of the first gas to hit the specimen?(b) As the helium flows, the pressure in the tank drops. What will be the temperature of thehelium entering the quench chamber when the pressure in the tank has fallen to 1 atm? (1.4)Solution: )(180118298)(1185.229810101325501010101325)5500(1)()(118)101(298)()(0334.0/00K T T T K RR nC W T b K T P PT T Adiabatic a p C R P=-=∆-==⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-⨯==∆=⨯==--5 An evacuated (P=0), insulted tank is surrounded by a very large volume (assume infinite volume) of an ideal gas at a temperature T 0. The valve on the tank is opened and the surrounding gas is allowed to flow quickly into the tank until the pressure inside the tank is equals the pressure outside. Assume that no heat flow takes place. What is the final tempeture of the gas in the tank? The heat capacity of the gas, C p and C v each may be assumed to be constant over the temperature rang spanned by the experiment. You answer may be left in terms of C p and C vhint: one way to approach the problem is to define the system as the gas ends up in the tank. (1.5)solution 0/000/00)()(T P P T T P PT T Adiabatic PPC R C R ≈-==6. Calculate the heat of reaction of methane with oxygen at 298K, assuming that the products of reaction are CO 2 and CH 4 (gas)[This heat of reaction is also called the low calorific power of methane] convert the answer into unites of Btu/1000 SCF of methane. SCF means standard cubic feet, taken at 298 and 1atmNOTE: this value is a good approximation for the low calorific powder of natural gas (1.6)DA TA:)()()(224g O H g CO g CH FOR80.5705.9489.17]/[0298---∙∆mol g Kcal Hsolution)1000/(9.2610252103048.01101076.191)/(76.191)89.1780.57205.94()2(22333332982982224422SCF Btu mol g Kcal H H H H H OH CO O CH CH O H CO =⨯⨯⨯⨯⨯=∙=∆+⨯---=∆-∆+∆-=∆+=+-7. Methane is delivered at 298 K to a glass factory, which operates a melting furnace at 1600 K. The fuel is mixed with a quantity of air, also at 298 K, which is 10% in excess of the amount theoretically needed for complete combustion (air is approximately 21% O 2 and 79% N 2) (1.7)(a) Assuming complete combustion, what is the composition of the flue gas (the gasfollowing combustion)?(b) What is the temperature of the gas, assuming no heat loss?(c) The furnace processes 2000kg of glass hourly, and its heat losses to the surroundingsaverage 400000 kJ/h. calculate the fuel consumption at STP (in m 3/h) assuming that for gas H 1600-H 298=1200KJ/KG(d) A heat exchanger is installed to transfer some of the sensible heat of the flue gas to thecombustion air. Calculate the decrease in fuel consumption if the combustion air is heated to 800KDA TA STP means T=298K, P=1atm22224O N O H CO CH for 2.82.89.117.1316)/(C mol cal C P ∙Solution)(210448.1125.9100076.191298)/(25.9)]87.012.72(2.843.179.1171.87.13[01.0)(%87.0%%12.72%%43.17%2%%71.8)11.1(221791.1231%22)(0,,222222224K T T T C mol cal X C C b O N CO O H CO O H CO O CH a i i p p p =⨯⨯+=∆+=∙=+⨯+⨯+⨯=======-⨯+⨯⨯+=+=+∑)/(1644)0224.011868.448.11)8001600(48.1125.9189570(102800000)/(189570)298800)](48.1187.8)48.1125.9[(100076.191)()/(87.848.11/]211002.22.816[)()/(3214)0224.011868.448.11)2981600(48.1125.9100076.191(102800000)/(280000040000020001200)(33min ,,,,298,,33min h m V mol g cal dTn C n C H H C mol cal X C C d h m V h KJ P C gConsu i i r p i i p p i i p r p g Consu =⨯⨯-⨯-⨯=∙=-⨯-⨯-⨯=--∆=∆∙=⨯⨯+===⨯⨯-⨯-⨯⨯==+⨯=⎰∑∑∑8.In an investigation of the thermodynamic properties of a-manganese, the following heat contents were determined: H 700-H 298=12113 J/(g atom) H 1000-H 298=22803 J/(g atom)Find a suitable equation for H T -H 298 and also for C P as a function of temperature in the form (a+bT) Assume that no structure transformation takes place in the given tempeture rang. (1.8)Solution )298(0055.0)298(62.35011.062.35011.062.3522803)2981000(2)2981000(12113)298700(2)298700(]2[2229822222982---=∆-=-===-+-=-+-+=+==∆⎰⎰T T H TC b a ba ba T baT bTdT a dT C H TP T P9.A fuel gas containing 40% CO, 10% CO 2, and the rest N 2 (by volume) is burnt completely with air in a furnace. The incoming and ongoing temperatures of the gases in the furnace are 773K and 1250K,respectively. Calculate (a) the maximum flame temperature and (b) heat supplied to the furnace per cu. ft of exhaust gas (1.9)molJ Hmol J H CO f CO f /393296/1104580,298,0,298,2-=∆-=∆)/(10184.403.29)/(1067.11010.492.19)/(1037.81020.935.44)/(1042.01097.345.283,253,253,253,222molK J T C molK J T T C molK J T T C molK J T T C N P O P CO P CO P -------⨯+=⨯-⨯+=⨯-⨯+=⨯-⨯+=Solution?0)499.0321.018.1()1067.01019.277.28(28.282831067.01038.477.289.0)1019.01058.528.33(2.0282838)()/(1019.01058.528.33722.0278.0)/(1067.01038.477.281.065.005.02.0)()/(282838110458393296%2.72%8.27%10%65%5%20)4/(1122298127332981523733253253298,,,,298,253,,,,,253,,,,,,,0,298,0,298,298,22222222222222==+--⨯+⨯++⨯=⨯-⨯++⨯⨯-⨯+-⨯=--∆=∆⨯-⨯+=+==⨯-⨯+=+++===-=∆-∆=∆========+-----------⎰⎰⎰∑∑⎰∑∑∑∑T T T T T T T dT T T dTT T dT n C n C n H H molK J T T C C n C C molK J T T C C C C n C C a mol J n Hn H H N CO production O N CO CO reation then O N air mole need fuel mole when CO O CO T TT i i r p i i p p i i N P CO P i i p p r p O P N P CO P CO P i i p p r p i pf i rf idTT T Q dT T T Q b T T T T T T T dT T T dTT T dT n C n C n H H T TT i i r p i i p p i i 9.0)1019.01058.528.33(2.02828389.0)1019.01058.528.33(2.0282838)(0)499.0321.018.1()1067.01019.277.28(28.282831067.01038.477.289.0)1019.01058.528.33(2.0282838)(253125029812502982531250298125029829812125029815231250253253298,,,,298,⨯⨯-⨯++⨯-=⨯⨯-⨯++⨯-===+--⨯+⨯++⨯=⨯-⨯++⨯⨯-⨯+-⨯=--∆=∆-----------⎰⎰⎰⎰⎰∑∑⎰10. (a) for the reaction 2221CO O CO →+,what is the enthalpy of reaction (0H ∆) at 298 K ?(b) a fuel gas, with composition 50% CO, 50% N 2 is burned using the stoichiometric amount of air. What is the composition of the flue gas?(c) If the fuel gas and the air enter there burner at 298 K, what is the highest temperaturethe flame may attain (adiabatic flame temperature)? DA TA :standard heats of formation f H ∆ at 298 K (1.10))/(393000)/(1100002mol J CO mol J CO -=-=Heat capacities [J/(mol K)] to be used for this problem N 2=33, O 2=33, CO=34, CO 2=57 Solution)(21100)298)(39889.0(222.02830000)/(3975.03325.057)/(33111.034222.033666.033)(%,75%%,251.111002.22%%1.11%%,6.66%%,2.222.0/25.015.0%)()/(283000393000110000)(,0,,,,,,22220,298,0,298,0K T T dT C n H H K mol J X C C K mol J X C C C N CO product O N CO fuel b mol J n H n H H a P p p i P r i P r i P p i P p i P f i r f ==-⨯-⨯=-∆=∆∙=⨯+⨯==∙=⨯+⨯+⨯====-====+==+-=∆-∆=∆⎰∑∑∑∑11.a particular blast furnace gas has the following composition by (volume): N 2=60%, H 2=4, CO=12%, CO 2=24%(a) if the gas at 298K is burned with the stochiometric amount of dry air at 298 K, what is the composition of the flue gas? What is the adiabatic flame temperature? (b) repeat the calculation for 30% excess combustion air at 298K(C)what is the adiabatic flame temperature when the blast furnace gas is preheated to 700K (the dry air is at 298K)(d) suppose the combustion air is not dry ( has partial pressure of water 15 mm Hg and a total pressure of 760 mm Hg) how will the flame temperature be affected? DA TA(k J/mol) （1.11）2CO CO FOR513.393523.110)/(--∆m o lkJ H f 2222,)(O N g O H CO CO FOR34505733]/[K mol J C P ∙Solution)(1052)(75438286370])295.03450(241604[026.0])335.03457(110523393513[079.0])([%8.66%%,8.6%%,6.2%%,8.15%%,9.72.0/83.110012%)()(1122)(82538313430])295.03450(241604[029.0])335.03457(110523393513[086.0])([%7.65%%,7.5%%,9.2%%,1.17%%,6.82.0/810012%2121)(,,,,,,,02222,,,,,,,0222222222K T K T T n C T T X C dT n C n C H x H N O H CO CO b K T K T T n C T T X C dT n C n C H x H N O H CO CO OH O H CO O CO a i i r P ii P i i r P i i p P i i i i r P ii P i i r P i i p P i i ===∆=∆-∆-⨯--+∆-⨯---=+--∆=∆=====⨯+====∆=∆-∆-⨯--+∆-⨯---=+--∆=∆=====+=→+→+∑∑∑⎰∑∑∑∑∑⎰∑∑)(1419),(11213842594034286.0)402(2.39714.0])295.03450(241604[029.0])335.03457(110523393513[086.0)3(K T K T T T T T H ===∆=∆⨯--∆⨯-∆-⨯--+∆-⨯---=∆12．A bath of molten copper is super cooled to 5℃ below its true melting point. Nucleation of solid copper then takes place, and the solidification proceeds under adiabatic conditions. What percentage of the bath solidifies?DATA: Heat of fusion for copper is 3100 cal/mol at 1803℃(the melting point of copper) C P,L =7.5(cal/mol ℃), C P,S =5.41+(1.5*10-3T )(cal/mol ℃) （1.12） Solution)/(310355.75.0)17981803(105.1541.5310002231798,1798,17981803,18031798,1803,mol cal H H dT C dT C HL S SL L P S P LS =⨯-⨯-⨯+⨯+==+++-⎰⎰13．Cuprous oxide (Cu 2O) is being reduced by hydrogen in a furnace at 1000K, (a)write the chemical reaction for the reduced one mole of Cu 2O(b)how much heat is release or absorbed per mole reacted? Given the quantity of heat and state whether heat is evolved (exothermic reaction) or absorbed (endothermic reaction) DATA: heat of formation of 1000K in cal/mol Cu 2O=-41900 H 2O=-59210 （1.13） solution)/(173104190059210222mol cal H OH Cu H O Cu =-=∆+=+,exothermic reaction14. (a) what is the enthalpy of pure, liquid aluminum at 1000K?(b) an electric resistance furnace is used to melt pure aluminum at the rate of 100kg/h. the furnace is fed with solid aluminum at 298K. The liquid aluminum leaves the furnace at 1000K. what is the minimum electric powder rating (kW) of furnace.DATA : For aluminum : atomic weight=27g/mol, C p,s =26(J/molK), C p,L =29(J/molK), Melting point=932K, Heat of fusion=10700J/mol (1.14)Solution )(28.0)(7.2793600110002727184)/(2718410700)9321000(29)298932(261000932,932298,1000,kW W P mol J H dT C dT C H SLL P S P l ==⨯⨯==+-⨯+-⨯=++=⎰⎰15 A waste material (dross from the melting of aluminum) is found to contain 1 wt% metallic aluminum. The rest may be assumed to aluminum oxide. The aluminum is finely divided and dispersed in the aluminum oxide; that is the two material are thermally connected.If the waster material is stored at 298K. what is the maximum temperature to which it may rise if all the metallic aluminum is oxidized by air/ the entire mass may be assumed to rise to the same temperature. Data : atomic weight Al=27g/mol, O=16g/mol, C p,s,Al =26(J/molK), C p,s,Al2O3=104J/mol, heat formation of Al 2O 3=-1676000J/mol(1.15)Solution;)(600)(3021041029927275.116122711676000K T K T T ==∆∆⨯⨯++⨯⨯=⨯⨯16 Metals exhibit some interesting properties when they are rapidly solidified from the liquid state. An apparatus for the rapid solidification of copper is cooled by water. In the apparatus, liquid copper at its melting point (1356K) is sprayed on a cooling surface, where it solidified and cools to 400K. The copper is supplied to the apparatus at the rate of one kilogram per minute. Cooling water is available at 20℃, and is not allowed to raise above 80℃. What is the minimum flow rate of water in the apparatus, in cubic meters per minute? DATA; for water: C p =4.184J/g k, Density=1g/cm 3; for copper: molecular weight=63.54g/mol C p =7cal/mol k, heat of fusion=3120 cal/mol (1.16)Solution:min)/(10573.2)2080(1min /min54.631000)]4001356(73120[min /33m V VQ Q Water Copper -⨯=-=⨯⨯-⨯+=17 water flowing through an insulated pipe at the rate of 5L/min is to be heated from 20℃ to 60℃ b an electrical resistance heater. Calculate the minimum power rating of the resistance heater in watts. Specify the system and basis for you calculation. DATA; For water C p =4.184J/g k, Density=1g/cm 3 (1.17) Solution: )(139476010005)2060(184.4W W =⨯⨯-⨯=18 The heat of evaporation of water at 100℃ and 1 atm is 2261J/mol (a) what percentage of that energy is used as work done by the vapor?(b)if the density of water vapor at 100℃ and 1 atm is 0.597kg/m 3 what is the internal energy change for the evaporation of water? (1.18)Solution: )/(375971822613101%6.71822613101%)/(31010224.0273373101325mol J Q W U mol J V P =⨯+-=+=∆=⨯==⨯⨯=∆19 water is the minimum amount of steam (at 100℃ and 1 atm pressure) required to melt a kilogram of ice (at 0℃)? Use data for problem 1.20 (1.19) Solution )(125,3341000)10018.42261(g m m =⨯=⨯+20 in certain parts of the world pressurized water from beneath the surface of the earth is available as a source of thermal energy. To make steam, the geothermal water at 180℃ is passed through a flash evaporator that operates at 1atm pressure. Two streams come out of the evaporator, liquid water and water vapor. How much water vapor is formed per kilogram of geothermal water? Is the process reversible? Assume that water is incompressible. The vapor pressure of water at 180℃ is 1.0021 Mpa( about 10 atm) Data: C P,L =4.18J/(g k), C P,v =2.00J/(g k), △H V =2261J/g, △H m =334 J/g (1.20) Solution:leirreversib g x x x )(138),1000(8018.4)8018.48022261(=-⨯⨯=⨯-⨯+The problems of the second law1 The solar energy flux is about 4J cm 2/min. in no focusing collector the surface temperature can reach a value of about 900℃. If we operate a heat engine using the collector as the heat source and a low temperature reservoir at 25℃, calculate the area of collector needed if the heat engine is to produce 1 horse power. Assume the engine operates at maximum efficiency. (2.1)Solution )(664.0)(74660104273900)25900(24m S W tWP StQ T T T W H H L H ===⨯⨯+-=-=2 A refrigerator is operated by 0.25 hp motor. If the interior of the box is to be maintained at -20℃ ganister a maximum exterior temperature of 35℃, what the maximum heat leak (in watts) into the box that can be tolerated if the motor runs continuously? Assume the coefficient of performance is 75% of the value for a reversible engine. (2.2)Solution:)(114474625.02035202733475.0%75W P P T T T P Q T T T W L LLLH HHLH =⨯⨯+-⨯=-=-=3 suppose an electrical motor supplies the work to operate a Carnot refrigerator. The interior of the refrigerator is at 0℃. Liquid water is taken in at 0℃ and converted to ice at 0℃. To convert 1 g of ice to 1 g liquid. △H=334J/g is required. If the temperature outside the box is 20℃, what mass of ice can be produced in one minute by a 0.25 hp motor runningcontinuously? Assume that the refrigerator is perfectly insulated and that the efficiencies involved have their largest possible value. (2.3)Solution: )(4576033474625.020273g m M m P P T T T P L LLLH ===⨯⨯=-=4 under 1 atm pressure, helium boils at 4.126K. The heat of vaporization is 84 J/mol what size motor (in hp) is needed to run a refrigerator that must condense 2 mol of gaseous helium at 4.126k to liquid at the same temperature in one minute? Assume that the ambient temperature is 300K and that the coefficient of performance of the refrigerator is 50% of the maximum possible. (2.4)Solution: )(52.0)(393'60284216.4216.4300'5.0%50hp W P P T T T P P Q T T T W L L L H LLLH ==⨯⨯-=-==-= 5 if a fossil fuel power plant operating between 540 and 50℃ provides the electrical powerto run a heat pump that works between 25 and 5℃, what is the amount of heat pumped into the house per unit amount of heat extracted from the power plant boiler. (a) assume that the efficiencies are equal to the theoretical maximum values(b) assume the power plant efficiency is 70% of maximum and that coefficient ofperformance of the heat pump is 10% of maximum(c) if a furnace can use 80% of the energy in fossil foe to heat the house would it be moreeconomical in terms of overall fissile fuel consumption to use a heat pump or a furnace ? do the calculations for cases a and b (2.5)solution:1,2,2,1,212,2,2,2,21,1,1,1,198.82527352527354050540)(H H H H H H L H H H L H P P P P P P P T T T P P T T T P a =+-=+-=-=-=.,)(6286.0)(1,2,not is b ok is a c P P b H H =6 calculate △U and △S when 0.5 mole of liquid water at 273 K is mixed with 0.5 mol of liquid water at 373 K and the system is allowed to reach equilibrium in an adiabaticenclosure. Assume that C p is 77J /(mol K) from 273K to 373K (2.6) Solution:)/(933.0)273323ln(5.0)373323ln(5.0)ln()ln()(02211K J C C T T C n T T C n S J U P P E P E P =+=+=∆=∆ 7 A modern coal burning power plant operates with a steam out let from the boiler at 540℃and a condensate temperature of 30℃.(a) what is the maximum electrical work that can be produced by the plant per joule of heatprovided to the boiler?(b) How many metric tons (1000kg) of coal per hour is required if the plant out put is to be500MW (megawatts). Assume the maximum efficiency for the plant. The heat of combustion of coal is 29.0 MJ/k g(c) Electricity is used to heat a home at 25℃ when the out door temperature is 10℃ bypassing a current through resistors. What is the maximum amount of heat that can be added to the home per kilowatt-hour of electrical energy supplied? (2.7)Solution:)(3.69)(6937136005000.29)()(89.013054030540)(ton kg m T T T mb J Q T T T W a LH LH H L H ==⨯=-=+-=-=)(9.191102525273)(J Q Q T T T W c H HHLH =-+=-=8 an electrical resistor is immersed in water at the boiling temperature of water (100℃) the electrical energy input into the resistor is at the rate of one kilowatt(a) calculate the rate of evaporation of the water in grams per second if the water containeris insulated that is no heat is allowed to flow to or from the water except for that provided by the resistor(b) at what rate could water could be evaporated if electrical energy were supplied at therate of 1 kw to a heat pump operating between 25 and 100℃data for water enthalpy of evaporation is 40000 J/mol at 100℃; molecular weight is 18g/mol; density is 1g/cm 3 (2.8)solution:)(23.2,2510027310010004000018)()(45.0,10004000018)(g m m b g m ma =-+===9 some aluminum parts are being quenched (cooled rapidly ) from 480℃ to -20℃ byimmersing them in a brine , which is maintained at -20℃ by a refrigerator. The aluminum is being fed into the brine at a rate of one kilogram per minute. The refrigerator operates in an environment at 30℃; that is the refrigerator may reject heat at 30℃. what is them minuspower rating in kilowatts, of motor required to operate the refrigerator? Data for aluminum heat capacity is 28J/mol K; Molecular weight 27g/mol (2.9)Solution:)(5.102)(102474202732030)20480(28271000kW W P P T T T P P L L L L H W L ==---=-=--⨯=10 an electric power generating plant has a rated output of 100MW. The boiler of the plantoperates at 300℃. The condenser operates at 40℃(a) at what rate (joules per hour) must heat be supplied to the boiler?(b) The condenser is cooled by water, which may under go a temperature rise of no morethan 10℃. What volume of cooling water in cubic meters per hour, is require to operate the plant?(c) The boiler tempeture is to be raised to 540℃,but the condensed temperature and electricoutput will remain the same. Will the cooling water requirement be increased, decreased, or remain the same?Data heat capacity 4.184, density 1g/cm 3 (2.10)Solution: )(109.7)(102.21040300273300)(1188J t P Q W P T T T P a H H L H H H ⨯==⨯=-+=-=)(1003.1184.41010)(103.4)(34611m V Q V J Q b L L ⨯==⨯⨯⨯⨯=noW P T T T P c L H H H )(10626.11040540273540)(88⨯=-+=-=11 (a) Heat engines convert heat that is available at different temperature to work. Theyhave been several proposals to generate electricity y using a heat engine that operate on the temperature differences available at different depths in the oceans. Assume that surface water is at 20℃, that water at a great depth is at 4℃, and that both may be considered to be infinite in extent. How many joules of electrical energy may be generated for each joule of energy absorbed from surface water? (b) the hydroelectric generation of electricity use the drop height of water as the energy source. in a particular region the level of river drops from 100m above sea level to 70m above the sea level . what fraction of the potential energy change between those two levels may be converted into electrical energy? how much electrical energy ,in kilowatt-hours, may be generated per cubic meter of water that undergoes such a drop? (2.11)Solution:)/(1006.136001000)()(055.0127320420)(6h kW hmg P b J Q T T T W a H H L H ⨯=⨯∆==+-=-=12 a sports facility has both an ice rink and a swimming pool. to keep the ice frozen during the summer requires the removal form the rink of 105 KJ of thermal energy per hour. It has been suggested that this task be performed by a thermodynamic machine, which would be use the swimming pool as the high temperature reservoir. The ice in the rink is to be maintain at a temperature of –15℃, and the swimming pool operates at 20℃, (a) what is the theoretical minimum power, in kilowatts, required to run the machine? (b) how much heat , in joule per hour , would be supplied t the pool by this machine? (2.12)Solution:)(1014.1101527320273)()(77.33600/10152731520)(555kJ Q b kW P T T T P a H L L L H ⨯=-+==-+=-=13solution:)/(81.6810ln 314.877.45277.6282.4)/(152940)()/(67.4977.45277.6282.4)()/(152940)(22)(2molK cal S mol cal H d molK cal S c mol cal H b AlNN Al a -=+-⨯-⨯=∆=∆-=-⨯-⨯=∆=∆=+14solution:)/(2257412000)27340273ln 184.4273336263273ln1.2()(40,010,K J dT T C T H dT T C m S WATER P m mICE P =+++=+∆+=∆⎰⎰- 15)(70428)(2896100077773002J W J Q T T T W L L L H ==-=-=16)(4.3719))2.4300(314.85.13.83(3002.4300)(7.58663.832.42.4300J Q T T T W J Q T T T W H H L H L L L H =-⨯+-=-==-=-=17yesd Q c K J PPnR S b J pdV n W Q OU T a )(0)()/(1.1910ln 314.81ln )()(570410ln 298314.810)(0==⨯⨯==∆=⨯⨯=-=-==∆=∆⎰18)(122233527302033560500g m m m T T T L L H =-=-=⨯教材各章习题参考答案 (魏)3.2 ΔG = -108.9 J/mol; ΔS = -21.42 J/(mol.K)3.6 (a ) 22.09/(.)S J mol K ∆=；(b) At 0︒C, ∆G =0; (c) ∆H = 5841.9 J;(d) ∆S =21.39J /(mol.K)，∆G = 109.38 J/mol4.1 (a ) 2898.28J/mol; ( b ) No; ( c ) 345 J/mol; ( d ) 14939 atm; ( e )4921 J/mol4.2 ( a ) 272.8K; ( b ) Pa P 610345⨯≈∆ ; ( c ) 249.46K 4.3 1202K4.4 P=5.73⨯10-6 atm 4.5 0.16P4.7 08.10430685ln +-=TP 4.8 ( a ) 1180K; ( b ) 695.3K; ( c ) 114.4kJ/mol; ( d ) 7123 J/mol; ( e )4.2J/mol4.9 In the initial state: 4.06 mol %; in the final state:5.3 mol% 4.10 ( a )348 kJ; ( b ) 2.3×10-3Pa ;( c ) “ solution not possible ”; (d ) “solution not possible ”5.1 atm p H 0005.0= 5.2、atmp o 1221007.1-⨯=If the error in enthalpy is 500cal, the uncertainty in the pressure calculated is 28.6%, and if the error in enthalpy is -500cal, the uncertainty is -22.1%5.3、(a) T =462K; (b) T = 420K5.4 (a) atm P O 2621014.1-⨯=, (b) P O2 =2.28⨯10-10 atm., (c) The equilibriumoxygen pressure remains the same when the total pressure increases, which means a higher purity level of N 2 .5.5 (a) 略； (b) Pa atm P H 8.181013056.1800019.0)('2=⨯==; (c) 21.5L Ar isneeded to be bubbled into the melt.5.6（a ）l n K a1/T, 10-31/K=∆-=∆o o G kJ H 1000;50- 66.6kJ(b) Ja = 3 < Ka, the reaction will proceed from left to right, and theatmosphere will not oxidize Ni. 5.7 略5.8. (a) P SiO = 8.1⨯10-8 (atm) (b) ∆H o = 639500J; ∆So =334.9J/K (c ) PO2 =10-30 atm 5.9 5.10．J H o72250=∆，the reaction is an endothermic one.5.11. (a),166528J H o =∆ the reaction is an endothermic one.; (b) At 1168K, the equilibrium pressure of CO2 equals one atmosphere.)(106.08)(atm Pg u -⨯=5.12 (a) 略， (b) Mg CO P P =; (c) T = 2037 K 5.13 (a) 略； (b) 13109.2⨯=K ; (c) ppm 186.0 5.14 (a) 略； (b) kJ H 52.267=∆; (c) K T 1592= 5.15 (a) )(106.13atm -⨯≈; (b) )(1028.210)(2atm P g O H -⨯=5.16 (a) 97.9=K ; (b) atm x 14.4=; (c) if the temperature is increased, the fraction of water reacted will increase since the equilibria constant increases with increasing temperature.6.2 （a ）1.287V;(b) When the water impure, the voltage will go higher; (c) 1.219V 6.4 (a) 145.3kJ;(b) The maximum work that could be derived is 702.36kJ; (c) In this case, the maximum work that could be derived is696.56kJ.6.5 (a) -6252J/mol; (b) 370.0)(=II Cd a ; (c) )(42.3mmHg P Cd =; 6.67.87⨯10-4 V 6.7 (a))(22g Cl Mg MgCl +=(b) Pa P Cl 21'1086.82-⨯=;(c) 2.485V6.8 (a) Pa P O 11'2105.5-⨯=;(b) Anode: e Ni Ni 2+→Cathode: -→+2222/1O e O ;(c) 0.757V; (d) 0.261V6.10 (a) )(509.3V E o=;(b) 0.074kJ;(c) 4.1⨯106J;(d) Yes. In this case, the open circuit voltage is 3.648V;(e) In this case, to keep the temperature constant, 3.92⨯106J heatshould be removed from the battery per hour. 6.11(a) TG CO Al C O Al o 26.3211008.12/322/36232-⨯=+=+Δ(b) The minimum voltage at which the electrolysis may be carriedout at 1250K is 1.172V .7.1 0.117 atm 7.5 ( a ) ,82.5 2.5 2.5B A BA BB T PV V V x x x x x ⎛⎫∂=+=--⎪∂⎝⎭ ,102.5 2.5 2.5A B A A B A T PV V V x x x x x ⎛⎫∂=+=-- ⎪∂⎝⎭( b) B A M x x V 5.2=7.7 2)1(736.0ln Sn Sn x --=γ7.8 The maximum solubility of MgF2 in liquid MgCl at 900︒C is 19。

热力学习题与答案（原件）讲解

材料热力学习题1、阐述焓H 、内能U 、自由能F 以及吉布斯自由能G 之间的关系，并推导麦克斯韦方程之一：T P PST V )()(∂∂-=∂∂。

答： H=U+PV F=U-TS G=H-TS U=Q+W dU=δQ+δWdS=δQ/T, δW=-PdV dU=TdS-PdVdH=dU+PdV+VdP=TdS+VdP dG=VdP-SdTdG 是全微分，因此有：TP P TP ST V ，PT G T P G ，T V P G T P T G P S T G P T P G )()()()()()(2222∂∂-=∂∂∂∂∂=∂∂∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂∂∂∂-=∂∂∂∂=∂∂∂因此有又而2、论述：试绘出由吉布斯自由能—成分曲线建立匀晶相图的过程示意图，并加以说明。

（假设两固相具有相同的晶体结构）。

由吉布斯自由能曲线建立匀晶相图如上所示，在高温T 1时，对于所有成分，液相的自由能都是最低；在温度T 2时，α和L 两相的自由能曲线有公切线，切点成分为x1和x2，由温度T 2线和两个切点成分在相图上可以确定一个液相线点和一个固相线点。

根据不同温度下自由能成分曲线，可以确定多个液相线点和固相线点，这些点连接起来就成为了液相线和固相线。

在低温T 3，固相α的自由能总是比液相L 的低，因此意味着此时相图上进入了固相区间。

3、论述：通过吉布斯自由能成分曲线阐述脱溶分解中由母相析出第二相的过程。

第二相析出：从过饱和固溶体α中(x0)析出另一种结构的β相(xβ)，母相的浓度变为xα. 即：α→β+ α1α→β+ α1 的相变驱动力ΔGm的计算为ΔGm=Gm(D)-Gm(C)，即图b中的CD段。

图b中EF是指在母相中出现较大为xβ的成分起伏时，由母相α析出第二相的驱动力。

4、根据Boltzman方程S=kLnW，计算高熵合金FeCoNiCuCrAl和FeCoNiCuCrAlTi0.1（即FeCoNiCuCrAl各为1mol，Ti为0.1mol）的摩尔组态熵。

材料热力学习题解答第1一2章

（3）ΔU=ΔH=0
V W = -Q = -nRT ln 2 = - ×8.314×273×ln2 = -5619(J) V1
（4）Q=0; W=ΔU,即-pe(V2-V1)=nCV,m(T2-T1), -0.5p2V2= nCV,m(T2-T1) ; -0.5nRT2= nCV,m(T2-T1)-0.5×8.314×T2=2.5×8.314×(T2-273) ; T2=227.5K
W =Байду номын сангаасΔU = nCV, m (T2 - T1 ) = ΔH = nCp, m (T2 - T1 ) =
100 ×2.5×8.314×(227.5- 273)= -3378(J) 28
100 ×3.5×8.314×(227.5- 273)= -4729(J) 28
13、在244K温度下，1.00mol单原子气体（1）从1.01MPa、244K等温可逆膨胀到 505kPa,(2) 从1.01MPa、244K绝热可逆膨胀到505kPa，求两过程中的Q、W、ΔU 及ΔH，并作p-V图表示上述气体所进行的两个过程。解：（1）ΔU=ΔH=0
5、2.00mol的水蒸气在100℃、101325Pa下变为水，求Q、W、ΔU及ΔH。已知水的气化热为2258J/g。
解：Q Q p H -n vapH m -2 22581810-3 -81.29(kJ) W -pe V p e Vg nRT -2 8.314 37310-3 6.20(kJ) U Q W -81.29 6.20 -75.09(kJ)
4、在101kPa下，气体由10.0dm3膨胀到16.0dm3，吸收了1255J的热，求ΔU、 ΔH、W。
2H Q p 1255J 3U Q W 1255- 606 649J 1W -pe V -101103 (16- 10)10 - 3 -606(J) 解：

热力学课程习题解答-109页精选文档

目录第一章 (1)第二章 (18)第三章 (258)第一章温度1-1 在什么温度下,下列一对温标给出相同的读数：（1）华氏温标和摄氏温标；（2）华氏温标和热力学温标；（3）摄氏温标和热力学温标？解：（1）Q 9325F t t =+∴当F t t =时，即可由9325t t =+，解得325404t ⨯=-=- 故在40c -o 时 F t t =（2）又Q 273.15T t =+ ∴当F T t =时则即9273.15325t t +=+ 解得：241.155301.444t ⨯== ∴273.15301.44574.59T K =+= 故在574.59T K =时，F T t =（3）Q 273.15T t =+ ∴若T t = 则有273.15t t += 显而易见此方程无解，因此不存在T t =的情况。

1-2 定容气体温度计的测温泡浸在水的三相点槽内时，其中气体的压强为50mmHg 。

（1）用温度计测量300K 的温度时，气体的压强是多少？（2）当气体的压强为68mmHg 时，待测温度是多少？解：对于定容气体温度计可知：()273.15trPT P K P = (1) 115030055273.16273.16tr P T P mmHg ⨯===(2) 2268273.16273.1637250tr P T KK K P === 1-3 用定容气体温度计测得冰点的理想气体温度为273.15K ，试求温度计内的气体在冰点时的压强与水的三相点时压强之比的极限值。

题1-4图解：根据00lim ()273.16limtr tr P P trP T T P K P →→==已知冰点273.15T K =你∴0273.15lim0.99996273.16273.16tr P trP T KP K K →==。

1-4 用定容气体温度计测量某种物质的沸点。

原来测温泡在水的三相点时，其中气体的压强500tr P mmHg =；当测温泡浸入待测物质中时，测得的压强值为734P mmHg =,当从测温泡中抽出一些气体,使tr P 减为200mmHg 时,重新测得293.4P mmHg =,当再抽出一些气体使tr P 减为100mmHg 时,测得146.68P mmHg =.试确定待测沸点的理想气体温度.解：根据273.16trPT K P =333146.68273.16273.16400.67100tr P T KK K P === 从理想气体温标的定义：0273.16limtr P trPT K P →=依以上两次所测数据,作T-P 图看趋势得出0tr P →时,T 约为400.5K 亦即沸点为400.5K. 1-5 铂电阻温度计的测量泡浸在水的三相点槽内时，铂电阻的阻值为90.35欧姆。

第01章热力学基本定律习题及答案

第01章热力学基本定律习题及答案第01章热力学基本定律习题及答案第一章热力学基本定律习题及答案§ 1. 1 （P10）1.“任何系统无体积变化的过程就一定不做功。

”这句话对吗？为什么？解：不对。

体系和环境之间以功的形式交换的能量有多种，除体积功之外还有非体积功，如电功、表面功等。

2. “凡是系统的温度下降就一定放热给环境，而温度不变时则系统既不吸热也不放热。

”这结论正确吗？举例说明。

答：“凡是系统的温度下降就一定放热给环境”不对：体系温度下降可使内能降低而不放热，但能量可以多种方式和环境交换，除传热以外，还可对外做功，例如，绝热容器中理想气体的膨胀过程，温度下降释放的能量，没有传给环境，而是转换为对外做的体积功。

“温度不变时则系统既不吸热也不放热”也不对：等温等压相变过程，温度不变，但需要吸热(或放热),如PӨ、373.15K下，水变成同温同压的水蒸气的汽化过程，温度不变，但需要吸热。

3. 在一绝热容器中，其中浸有电热丝，通电加热。

将不同对象看作系统，则上述加热过程的Q或W大于、小于还是等于零？（讲解时配以图示）解：（1）以电热丝为系统：Q<0，W>0（2）以水为系统：Q>0，W=0（忽略水的体积变化）（3）以容器内所有物质为系统：Q=0，W>0（4）以容器内物质及一切有影响部分为系统：Q=0，W=0（视为孤立系统）4. 在等压的条件下，将1mol理想气体加热使其温度升高1K，试证明所做功的数值为R。

解：理想气体等压过程：W = p(V2 -V1) = pV2 -PV1= RT2 -RT1= R(T2 -T1) = R5. 1mol 理想气体，初态体积为25dm 3, 温度为373.2K ，试计算分别通过下列四个不同过程，等温膨胀到终态体积100dm 3时，系统对环境作的体积功。

（1）向真空膨胀。

（2）可逆膨胀。

（3）先在外压等于体积50 dm 3时气体的平衡压力下，使气体膨胀到50 dm 3，然后再在外压等于体积为100dm 3时气体的平衡压力下，使气体膨胀到终态。

热力学第一、二定律答案

《热力学第一、二定律》习题参考答案一、填空题1、不做非体积功的恒容过程；不做非体积功的恒压过程；理想单纯状态改变，对其它系统则需过程恒容；理想气体的单纯状态改变，对其它系统则需过程恒压；过程恒温且不做非体积功；理想气体的绝热可逆过程；恒温恒容不做非体积功的过程；恒温恒压不做非体积功的过程；不做非体积功的封闭系统。

2、CO2（g）；C(石墨)；C(石墨)；碳元素各晶型中最稳定的相态；CO2（g）；碳元素完全氧化的最终产物.3、=；=；=；>4、大，小5、1299.06J；779.44J；1299.06J；-519.63J6、-nRTln(v2/v1)；nRTln(v2/v1)；=0；=07、各产物的热容之和与各反应物的热容之和不相等；在所涉及的温度范围内各物质均无相变.8、广延；自发；增大；极大；减小9、封闭系统；隔离系统；纯物质的完美晶体10、<；<11、（1）U；（2）G；（3）S；（4）H、U12、=0；=nRln(v2/v1)13、等温；等压；封闭系统不做其它功；减少14、=0；>015、66.3J·K-1；0；23400J；23400J；-2935J；20465J；-2939J16、＜0；>0 ； = 0。

17、＞0； =0；＞0;＜0二、选择题1、不对，△H = Q p ，只说明Q p 等于状态函数的改变值。

并不意味着Q p 具有状态函数的性质，Q p 是一过程量，不是体系的状态性质，只能说在恒压而不做非体积功的特定条件下Q p 的值等于体系状态函数H 的改变。

2、因为对理想气体U=f(T)内能仅是温度的函数，只要始终态温度分别相同，△U 就一定相同。

所以公式dT C U T T m v ⎰=∆21,并不受定容条件的限制。

3、不对。

只有在等压下，无其它功时，Q p =ΔH m , ΔH m >0故Q p >0，体系必定吸热。

在其他条件下，ΔH m >0，Q p 可以小于0，等于0，不一定吸热。

工程热力学和传热学课后参考答案(前五章)

第一篇工程热力学第一章基本概念一．基本概念系统：状态参数：热力学平衡态：温度：热平衡定律：温标：准平衡过程：可逆过程：循环：可逆循环：不可逆循环：二、习题1．有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？错2．牛顿温标,用符号°Ｎ表示其温度单位,并规定水的冰点和沸点分别为100°Ｎ和200°Ｎ，且线性分布。

（1）试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标(开尔文温标)的换算关系式；（2）绝对零度为牛顿温标上的多少度3．某远洋货轮的真空造水设备的真空度为0.0917ＭＰａ，而当地大气压力为0.1013MPa，当航行至另一海域，其真空度变化为0.0874MPa，而当地大气压力变化为0.097MPa。

试问该真空造水设备的绝对压力有无变化4．如图1-1所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底部的电阻丝加热水。

试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换的能量形式是什么。

（1）取水为系统；（2）取电阻丝、容器和水为系统；（3）取虚线内空间为系统。

（1）不考虑水的蒸发，闭口系统。

（2）绝热系统。

注：不是封闭系统，有电荷的交换（3）绝热系统。

图1-15．判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。

（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。

耗散效应（2）在大气压力为0.1013MPa时，用(0＋dt)℃的热源(dt→0)给0℃的冰加热使之变为0℃的水。

可逆（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。

可逆（4）100℃的水和15℃的水混合。

有限温差热传递6．如图1-2所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa；表B的读数为170kPa，表示室I压力高于室II的压力。

大气压力为760mmHg。

试求:（1）真空室以及I室和II室的绝对压力；（2）表C的读数；（3）圆筒顶面所受的作用力。

图1-2第二章热力学第一定律一．基本概念功：热量：体积功：节流：二．习题1．膨胀功、流动功、轴功和技术功四者之间有何联系与区别？2．下面所写的热力学第一定律表达是否正确？若不正确，请更正。

“材料科学与工程基础”第二章习题答案题目整合版要点

“材料科学与工程基础”第二章习题1. 铁的单位晶胞为立方体，晶格常数a=0.287nm ，请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子数。

ρ铁＝7.8g/cm3 1mol 铁＝6.022×1023 个=55.85g所以， 7.8g/1(cm)3=(55.85/6.022×1023)X /(0.287×10-7)3cm3X ＝1.99≈2（个）2.在立方晶系单胞中，请画出：（a ）[100]方向和[211]方向，并求出他们的交角；（b ）（011）晶面和（111）晶面，并求出他们得夹角。

（c ）一平面与晶体两轴的截距a=0.5,b=0.75,并且与z 轴平行,求此晶面的密勒指数。

（a ）[2 1 1]和[1 0 0]之夹角θ＝arctg2=35.26。

或cos θ==， 35.26θ=（b ）cos θ==35.26θ= （c ） a=0.5 b=0.75 z = ∞倒数 2 4/3 0 取互质整数（3 2 0）3、请算出能进入fcc 银的填隙位置而不拥挤的最大原子半径。

室温下的原子半径R ＝1.444A 。

（见教材177页）点阵常数a=4.086A最大间隙半径R’=（a-2R ）/2=0.598A4、碳在r-Fe （fcc ）中的最大固溶度为2.11﹪(重量百分数),已知碳占据r-Fe 中的八面体间隙,试计算出八面体间隙被C 原子占据的百分数。

在fcc 晶格的铁中，铁原子和八面体间隙比为1：1，铁的原子量为55.85，碳的原子量为12.01所以（2.11×12.01）/(97.89×55.85)＝0.1002 即碳占据八面体的10％。

5、由纤维和树脂组成的纤维增强复合材料，设纤维直径的尺寸是相同的。

请由计算最密堆棒的堆垛因子来确定能放入复合材料的纤维的最大体积分数。

见下图，纤维的最密堆积的圆棒，取一最小的单元，得，单元内包含一个圆（纤维）的面积。

材料热力学习题答案

材料热力学习题答案材料热力学习题答案热力学是研究物质的能量转化和能量传递规律的科学。

在材料科学中，热力学是一个重要的分支，它可以帮助我们理解材料在不同条件下的性质和行为。

在学习热力学的过程中，我们经常会遇到一些习题，下面我将给出一些常见材料热力学习题的答案。

1. 问题：在常压下，将1mol的水从25℃加热到100℃，需要吸收多少热量？答案：要计算这个问题，我们可以使用热容的概念。

热容是物质在单位温度变化下吸收或释放的热量。

对于水来说，其热容为4.18J/(g℃)。

首先，我们需要知道水的质量，由于1mol的水的摩尔质量为18g/mol，因此1mol的水的质量为18g。

接下来，我们需要计算水的温度变化，即100℃-25℃=75℃。

最后，我们可以使用公式Q=mCΔT来计算所需吸收的热量，其中Q是热量，m是质量，C是热容，ΔT是温度变化。

代入数值得到Q=18g×4.18J/(g℃)×75℃=5613J。

2. 问题：在恒定温度下，气体的体积与压力之间的关系是什么？答案：根据热力学的理论，理想气体的体积与压力成反比。

这可以用理想气体状态方程PV=nRT来解释，其中P是压力，V是体积，n是物质的摩尔数，R是气体常数，T是温度。

根据这个方程，当温度保持不变时，如果压力增加，体积将减小，反之亦然。

这种关系被称为波义尔定律。

3. 问题：在材料科学中，什么是熵？答案：熵是热力学中的一个重要概念，它用于描述物质的无序程度。

熵可以理解为系统的混乱程度或无序程度。

根据热力学的第二定律，系统的熵总是趋向于增加，即系统总是朝着更高的熵状态发展。

当物质从有序状态转变为无序状态时，熵会增加。

例如，当固体融化成液体，或者液体蒸发成气体时，系统的熵会增加。

熵在材料科学中起着重要的作用，可以帮助我们理解材料的相变行为和稳定性。

4. 问题：什么是自由能？答案：自由能是热力学中另一个重要的概念，它用于描述系统的稳定性和可逆性。

热力学与统计物理课后习题答案第一章

1.1 试求理想气体的体胀系数α,压强系数β和等温压缩系数κT 。

解：已知理想气体的物态方程为,pV nRT = （1）由此易得11,p V nR V T pV Tα∂⎛⎫=== ⎪∂⎝⎭ （2） 11,V p nR p T pV Tβ∂⎛⎫=== ⎪∂⎝⎭ （3） 2111.T T V nRT V p V p pκ⎛⎫⎛⎫∂⎛⎫=-=--= ⎪ ⎪ ⎪∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭ （4）1.2 证明任何一种具有两个独立参量,T p 的物质，其物态方程可由实验测得的体胀系数α及等温压缩系数κT ，根据下述积分求得：()ln T V =αdT κdp -⎰如果11,T T pακ==，试求物态方程。

解：以,T p 为自变量，物质的物态方程为(),,V V T p =其全微分为.p TV V dV dT dp T p ⎛⎫∂∂⎛⎫=+ ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ （1）全式除以V ，有11.p TdV V V dT dp V V T V p ⎛⎫∂∂⎛⎫=+ ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭根据体胀系数α和等温压缩系数T κ的定义，可将上式改写为.T dVdT dp Vακ=- （2）上式是以,T p 为自变量的完整微分，沿一任意的积分路线积分，有()ln .T V dT dp ακ=-⎰ （3）若11,T T pακ==，式（3）可表为11ln .V dT dp Tp ⎛⎫=- ⎪⎝⎭⎰ （4）选择图示的积分路线，从00(,)T p 积分到()0,T p ，再积分到（,T p ），相应地体积由0V 最终变到V ，有000ln=ln ln ,V T pV T p - 即000p V pV C T T ==（常量），或.pV CT = （5）式（5）就是由所给11,T T pακ==求得的物态方程。

确定常量C 需要进一步的实验数据。

1.3 在0C 和1n p 下，测得一铜块的体胀系数和等温压缩系数分别为51714.8510K 7.810.n p ακ----=⨯=⨯T 和T ακ和可近似看作常量，今使铜块加热至10C 。

材料热力学习题集

材料热力学上课题目例1-1 已知液体铅在1个大气压下的热容量Cp(l)为Cp(l)=32.43-3.10×10-3T J/(mol ·k)，固体铅的热容量Cp(s)为Cp(s)=23.56+9.75×10-3T J/(mol ·k)，已知液体铅在熔点(600 K)凝固为固体时放热4811.60 J/mol ，求液体铅过冷至590K 凝固为固体时焓的变化。

相变相变降温恒温dcb600K液体Pb 固体Pb590K a初始态终态求∆H 示意图升温例1-2 已知锡在505K(熔点)时的熔化热为7070.96 J/mol ，并有Cp(l)=34.69-9.20×10-3T J/(mol ·k)Cp(s)=18.49+26.36×10-3T J/(mol ·k)计算锡在绝热器内过冷到495 K 时能自动凝固的分数。

相变相变升温恒温，放热dcb505K1 mol 液体x mol 固体(1-x ) mol 液体495K a初始态终态求∆H 示意图升温吸热吸热放热例1-3 铅的熔点为600K ，凝固热为4811.6 J/mol ，求铅在600K 凝固时熵值的变化（在一个大气压下）。

例1-4 已知液体铅在1个大气压下的比热为：Cp(l)=32.43-3.10×10-3T J/(mol ·k)Cp(s)=23.56+9.75×10-3T J/(mol ·k)液体铅在熔点(600K)凝固为固体时放热4811.6 J/mol ，求液体铅过冷至590K 凝固时熵值的变化（在一个大气压下）。

相变相变降温恒温dcb600K液体Pb 固体Pb590K a初始态终态求∆S 示意图升温例题2-1 已知液体锌的Cp(l)为Cp(l)=29.66+4.81×10-3T J/(mol ·k)，固体锌的Cp(s)为 Cp(s)=22.13+11.05×10-3T J/(mol ·k)，锌的熔点为692.6K ，熔化热ΔH =6589.8 J/mol ，求固、液相之间随温度变化的自由能差值ΔG(T)。

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