简明物理化学-(第二版)全部习题解答-(杜凤沛_高丕英_沈明)
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第一章
热力学第一定律习题解答
1． 1mol 理想气体依次经过下列过程：(1)恒容下从 25℃升温至 100℃，(2)绝热自由膨胀 至二倍体积，(3)恒压下冷却至 25℃。试计算整个过程的 Q 、 W 、 ∆U 及 ∆H 。 解：将三个过程中 Q 、 ∆U 及 W 的变化值列表如下： 过程 (1) (2) （3） 则对整个过程: T1初 = T3末＝298.15K T1末 = T3初 = 373.15K
∆H ？
解：(1) 始态体积 V1 ＝ nRT1 / p1 ＝(0.1×8.314×400/101325)dm3＝32.8dm3
W ＝ W恒温 + W恒容 ＝ nRT ln
V2 +0 V1
＝(0.1×8.314×400× ln ＝370.7J
10 +0)J 32.8
3 ∆U ＝ nCV , m (T2 − T1 ) ＝[ 0.1 × × 8.314 × (610 − 400) ]J＝261.9J 2
θ 解：(1)恒压下的可逆变化 Q ＝ ∆H ＝ n∆ vap H m ＝40.67kJ
W ＝- p外 ∆V ＝- p外 (V气 − V液 )
＝-[101325(30.19-18.00×10-3)×10-3]J ＝-3.06kJ
∆U ＝ Q + W ＝(40.67-3.061)kJ＝37.61kJ
(2) 向真空中蒸发，所以 W ＝0 由于两过程的始终态相同故 ∆H 和 ∆U 与 (1) 相同
∆H ＝ ∆H 绝热 + ∆H 恒压 ＝0+ Q绝热 ＝463.4J
W ＝ ∆U - Q ＝174.5J
若只知始态和终态也可以求出两途径的 ∆U 及 ∆H ，因为 U 和 H 是状态函数，其 值只与体系的始终态有关，与变化途径无关。
θ 3. 已知 100℃，101.325kPa 下水的 ∆ vap H m ＝40.67 kJ•mol-1，水蒸气与水的摩尔体积分别
Q ＝ ∆U - W ＝37.61kJ
4. 1mol 乙醇在其沸点时蒸发为蒸气，已知乙醇的蒸发热为 858J•g-1，1g 蒸气的体积为
607cm3，忽略液体的体积，试求过程的 Q 、 W 、 ∆U 及 ∆H 。
解：
因为是恒压蒸发
Q p ＝(46×858) J＝17.16kJ
W ＝ − p外 × （V2－V1 ) ＝(-1.013×105×670×10-6×46) J＝-3.122kJ
∆U ＝ Q + W ＝14.04kJ
2
恒压过程
∆H ＝ Q p ＝14.04kJ
5. 在 101.325 kPa 下，把一块极小冰粒投入 100g、-5℃ 的过冷水中，结果有一定数量的 水凝结为冰，体系的温度则变为 0℃。过程可看作是绝热的。已知冰的熔化热为 333.5 J•g 1，在 -5～0℃ 之间水的比热容为 4.230 J•K 1•g 1。投入极小冰粒的质量可以忽略 不计。 (1) 确定体系的初、终状态，并求过程的 ∆H 。 (2) 求析出冰的量。 解： (1) 体系初态： 100g、-5℃、 过冷水 终态： 0℃、 冰水混合物 因为是一个恒压绝热过程，所以 ∆H ＝ Q ＝0
∆U ＝ nC v ,m (T1末－T1初 ) +0+ nC v ,m (T3末－T3初 ) ＝0 W ＝- p(V3末 − V3初 ) ＝- nR(T3末 − T3初）
＝-[1×8.314×(-75)]J＝623.55J 因为体系的温度没有改变，所以 ∆H ＝0 2．0.1mol 单原子理想气体，始态为 400K、101.325kPa，经下列两途径到达相同的终态： (1) 恒温可逆膨胀到 10dm3，再恒容升温至 610K； (2) 绝热自由膨胀到 6.56dm3，再恒压加热至 610K。 分别求两途径的 Q 、 W 、 ∆U 及 ∆H 。若只知始态和终态，能否求出两途径的 ∆U 及
为 Vm ( g ) ＝30.19dm3•mol-1， Vm (l ) ＝18.00×10-3 dm3•mol-1，试计算下列两过程的 Q 、
W 、 ∆U 及 ∆H 。 (1) 1mol 水于 100℃，101.325kPa 下可逆蒸发为水蒸气； (2) 1mol 水在 100℃恒温下于真空容器中全部蒸发为蒸气，而且蒸气的压力恰好为 101.325kPa。
Q
∆U
CV ,m (T1末 − T1初 )
0
W
0 0 p (V3末 − V3初 )
CV ,m (T1末 − T1初 )
0ห้องสมุดไป่ตู้
C p ,m (T3末 − T3初 )
C v ,m (T3末 − T3初 )
Q ＝ nC v ,m (T1末－T1初 ) +0+ nC p ,m (T3末－T3初 )
＝ nR(T3末 − T3初） ＝[1×8.314×(-75)]J＝-623.55J
(2) 可以把这个过程理解为一部分水凝结成冰放出的热量用以体系升温至 0℃。 设析出冰的数量为 m ，则：
m水 C p ∆t ＝ m∆ fus H
100×4.230×5＝ m ×333.5 6.
得
m ＝6.34g
0.500g 正庚烷放在氧弹量热计中，燃烧后温度升高 3.26℃，燃烧前后的平均温度为 25 ℃。已知量热计的热容量为 8176 J•K-1，计算 25℃ 时正庚烷的恒压摩尔燃烧热。 解：反应方程式 C7H16（l）+ 11O2(g) → 7CO2(g) + 8H2O(l) 反应前后气体化学计量数之差 ∆n ＝- 4
QV ＝ C 量热计 ∆t ＝(8176×2.94) J ＝ 24.037 kJ
∆ rU m ＝
Qv 24.307 = kJ＝5150.88kJ 0.500 n 100
∆ r H m ＝ ∆ rU m + ∆nRT ＝(5150.88-4×8.314×298.15×10-3)kJ＝5141 kJ
1
Q ＝ ∆U + W ＝632.6J
5 ∆H ＝ nC p ,m (T2 − T1 ) ＝[ 0.1 × × 8.314 × (610 − 400) ]＝436.4J 2
(2)
Q ＝ Q绝热 + Q恒压 ＝0+ nC p ,m (T2 − T1 ) ＝463.4J
∆U ＝ ∆U 绝热 + ∆U 恒压 ＝0+ nCV , m (T2 − T1 ) ＝261.9J
热力学第一定律习题解答
1． 1mol 理想气体依次经过下列过程：(1)恒容下从 25℃升温至 100℃，(2)绝热自由膨胀 至二倍体积，(3)恒压下冷却至 25℃。试计算整个过程的 Q 、 W 、 ∆U 及 ∆H 。 解：将三个过程中 Q 、 ∆U 及 W 的变化值列表如下： 过程 (1) (2) （3） 则对整个过程: T1初 = T3末＝298.15K T1末 = T3初 = 373.15K
∆H ？
解：(1) 始态体积 V1 ＝ nRT1 / p1 ＝(0.1×8.314×400/101325)dm3＝32.8dm3
W ＝ W恒温 + W恒容 ＝ nRT ln
V2 +0 V1
＝(0.1×8.314×400× ln ＝370.7J
10 +0)J 32.8
3 ∆U ＝ nCV , m (T2 − T1 ) ＝[ 0.1 × × 8.314 × (610 − 400) ]J＝261.9J 2
θ 解：(1)恒压下的可逆变化 Q ＝ ∆H ＝ n∆ vap H m ＝40.67kJ
W ＝- p外 ∆V ＝- p外 (V气 − V液 )
＝-[101325(30.19-18.00×10-3)×10-3]J ＝-3.06kJ
∆U ＝ Q + W ＝(40.67-3.061)kJ＝37.61kJ
(2) 向真空中蒸发，所以 W ＝0 由于两过程的始终态相同故 ∆H 和 ∆U 与 (1) 相同
∆H ＝ ∆H 绝热 + ∆H 恒压 ＝0+ Q绝热 ＝463.4J
W ＝ ∆U - Q ＝174.5J
若只知始态和终态也可以求出两途径的 ∆U 及 ∆H ，因为 U 和 H 是状态函数，其 值只与体系的始终态有关，与变化途径无关。
θ 3. 已知 100℃，101.325kPa 下水的 ∆ vap H m ＝40.67 kJ•mol-1，水蒸气与水的摩尔体积分别
Q ＝ ∆U - W ＝37.61kJ
4. 1mol 乙醇在其沸点时蒸发为蒸气，已知乙醇的蒸发热为 858J•g-1，1g 蒸气的体积为
607cm3，忽略液体的体积，试求过程的 Q 、 W 、 ∆U 及 ∆H 。
解：
因为是恒压蒸发
Q p ＝(46×858) J＝17.16kJ
W ＝ − p外 × （V2－V1 ) ＝(-1.013×105×670×10-6×46) J＝-3.122kJ
∆U ＝ Q + W ＝14.04kJ
2
恒压过程
∆H ＝ Q p ＝14.04kJ
5. 在 101.325 kPa 下，把一块极小冰粒投入 100g、-5℃ 的过冷水中，结果有一定数量的 水凝结为冰，体系的温度则变为 0℃。过程可看作是绝热的。已知冰的熔化热为 333.5 J•g 1，在 -5～0℃ 之间水的比热容为 4.230 J•K 1•g 1。投入极小冰粒的质量可以忽略 不计。 (1) 确定体系的初、终状态，并求过程的 ∆H 。 (2) 求析出冰的量。 解： (1) 体系初态： 100g、-5℃、 过冷水 终态： 0℃、 冰水混合物 因为是一个恒压绝热过程，所以 ∆H ＝ Q ＝0
∆U ＝ nC v ,m (T1末－T1初 ) +0+ nC v ,m (T3末－T3初 ) ＝0 W ＝- p(V3末 − V3初 ) ＝- nR(T3末 − T3初）
＝-[1×8.314×(-75)]J＝623.55J 因为体系的温度没有改变，所以 ∆H ＝0 2．0.1mol 单原子理想气体，始态为 400K、101.325kPa，经下列两途径到达相同的终态： (1) 恒温可逆膨胀到 10dm3，再恒容升温至 610K； (2) 绝热自由膨胀到 6.56dm3，再恒压加热至 610K。 分别求两途径的 Q 、 W 、 ∆U 及 ∆H 。若只知始态和终态，能否求出两途径的 ∆U 及
为 Vm ( g ) ＝30.19dm3•mol-1， Vm (l ) ＝18.00×10-3 dm3•mol-1，试计算下列两过程的 Q 、
W 、 ∆U 及 ∆H 。 (1) 1mol 水于 100℃，101.325kPa 下可逆蒸发为水蒸气； (2) 1mol 水在 100℃恒温下于真空容器中全部蒸发为蒸气，而且蒸气的压力恰好为 101.325kPa。
Q
∆U
CV ,m (T1末 − T1初 )
0
W
0 0 p (V3末 − V3初 )
CV ,m (T1末 − T1初 )
0ห้องสมุดไป่ตู้
C p ,m (T3末 − T3初 )
C v ,m (T3末 − T3初 )
Q ＝ nC v ,m (T1末－T1初 ) +0+ nC p ,m (T3末－T3初 )
＝ nR(T3末 − T3初） ＝[1×8.314×(-75)]J＝-623.55J
(2) 可以把这个过程理解为一部分水凝结成冰放出的热量用以体系升温至 0℃。 设析出冰的数量为 m ，则：
m水 C p ∆t ＝ m∆ fus H
100×4.230×5＝ m ×333.5 6.
得
m ＝6.34g
0.500g 正庚烷放在氧弹量热计中，燃烧后温度升高 3.26℃，燃烧前后的平均温度为 25 ℃。已知量热计的热容量为 8176 J•K-1，计算 25℃ 时正庚烷的恒压摩尔燃烧热。 解：反应方程式 C7H16（l）+ 11O2(g) → 7CO2(g) + 8H2O(l) 反应前后气体化学计量数之差 ∆n ＝- 4
QV ＝ C 量热计 ∆t ＝(8176×2.94) J ＝ 24.037 kJ
∆ rU m ＝
Qv 24.307 = kJ＝5150.88kJ 0.500 n 100
∆ r H m ＝ ∆ rU m + ∆nRT ＝(5150.88-4×8.314×298.15×10-3)kJ＝5141 kJ
1
Q ＝ ∆U + W ＝632.6J
5 ∆H ＝ nC p ,m (T2 − T1 ) ＝[ 0.1 × × 8.314 × (610 − 400) ]＝436.4J 2
(2)
Q ＝ Q绝热 + Q恒压 ＝0+ nC p ,m (T2 − T1 ) ＝463.4J
∆U ＝ ∆U 绝热 + ∆U 恒压 ＝0+ nCV , m (T2 − T1 ) ＝261.9J