第二章热力学第一定律练习题与解答

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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。DU,DH 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。

∆=+,它不仅说明热力学能(ΔU)、热(Q)和答:是错的。根据热力学第一定律U Q W

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Q1,焓变为ΔH1。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ΔH2,则ΔH1=ΔH2。

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DH1和DH2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h

Q 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。又由v F t

W P ⨯==可推出v 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 + Δn g (RT )

,而Zn (s )+ H 2SO 4(aq )= Zn SO 4 (aq )+ H 2(g )的Δn g =1,又因该反应为放热反应Q p 、 Q V 的值均为负值,所以∣Q V ∣>∣Q p ∣。

(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,在绝热可逆过程有常数=-γγT p 1,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,N 2(g )与H 2(g )的物质的量的比为1:3,反应方程式为,N 2(g )+ H 2(g )N H 3(g )。在温度为T 1和T 2的条件下,实验测定放出的热量分别为Q p (T 1)和Q p (T 2).但是用Kirchhoff 定律计算时

()()2

1r m 2r m 1r p T T H T H T C dT ∆=∆+∆⎰ 计算结果与实验值不符,试解释原因。

答:Δr ξ

∆∆=H H r m ,Δr H m 实际是指按所给反应式,进行ξ∆=1mol 反应时的焓变,实验测得的数值是反应达到平衡时发出的热量,此时ξ∆<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V 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ΔT 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)p H Q ∆= (2)V U Q ∆= (3)12

ln

V W nRT V = 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ΔU = 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 )+ 2HCl (l )= ZnCl 2 + H 2 (g )进行非绝热等压反应

(4) H 2(g )+ Cl 2(g )= 2HCl (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。

DU = 0 因为温度不变,理想气体的热力学能仅是温度的函数。

DH = 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。

DU > 0 因为从环境所吸的热使系统的热力学能增加。

DH > 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。

DU < 0 系统既放热又对外作功,热力学能下降。

DH < 0 因为这是不做非膨胀功的等压反应,DH = 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

DU = 0 根据热力学第一定律,能量守恒,热力学能不变。

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