第五版物理化学第三章习题答案

第五版物理化学第三章习题 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 第三章 热力学第二定律 3.1 卡诺热机在 (1) 热机效率; (2) 当向环境作功。 解:卡诺热机的效率为 时，系统从高温热源吸收的热 及向低温热源放出的热的高温热源和的低温热源间工作。求 根据定义 3(2 卡诺热机在(1) 热机效率 ; (2) 当从高温热源吸热 解:(1) 由卡诺循环的热机效率得出 时，系统对环境作的功的高温热源和 的低温热源间工作，求: 及 向低温热源放出的热 (2) 3(3 卡诺热机在(1)热机效率 ; (2 )当向低温热源放热 ——————————————————————————————————————————————— 解: (1) 时，系统从高温热源吸热及对环境所作的功。 的高温热源和的低温热源间工作，求 1 (2) 3(4 试说明:在高温热源和低温热源间工作的不可逆热机与卡诺机联合操作时，若令卡诺热机得到的功Wr等于不可逆热机作出的功,W。假设不可逆热机的热机效率大于卡诺热机效率 证: (反证法) 设 ηir>ηr 不可逆热机从高温热源吸热则 ，向低温热源放热，对环境作功 ，其结果必然是有热量从低温热源流向高温热源，而违反势热力学第二定律的克劳修斯说法。 逆向卡诺热机从环境得 功 则 从低温热 源吸 热向高温热 源放 热 若使逆向卡诺热机向高温热源放出的热 不可逆热机从高温热源吸收的热相等，即 ——————————————————————————————————————————————— 总的结果是:得自单一低温热源的热 ，变成了环境作功，违背了热力学第二定律的开尔文说法，同样也就违背了克劳修斯说法。 2 3(5 高温热源温度低温热源，求此过程 。 ，低温热源温度，今有120KJ的热直接从高温热源传给 解:将热源看作无限大，因此，传热过程对热源来说是可逆过程 3.6 不同的热机中作于况下，当热机从高温热源吸热 (1) 可逆热机效率 (2) 不可逆热机效率 (3) 不可逆热机效率 解:设热机向低温热源放热。 。 。 ，根据热机效率的定义 的高温热源及 的低温热源之间。求下列三种情 。 时，两热源的总熵变 因此，上面三种过程的总熵变分别为 3.7 已知水的比定压热容 成100 ?的水，求过程的 。 。今有1 kg，10?的水经下列三种不同过程加热。 ——————————————————————————————————————————————— (1)系统与100?的热源接触。 (2)系统先与55?的热源接触至热平衡，再与100?的热源接触。 (3)系统先与40?，70?的热源接触至热平衡，再与100?的热源接触。 解:熵为状态函数，在三种情况下系统的熵变相同 在过程中系统所得到的热为热源所放出的热，因此 3 3.8 已知氮(N2, g)的摩尔定压热容与温度的函数关系为 恒压过程;(2 )经恒容过程达到平衡态时的 解:(1)在恒压的情况下 。 将始态为300 K，100 kPa下1 mol的N2(g)置于1000 K的热源中，求下列过程(1)经 4 (2)在恒容情况下，将氮(N2, g)看作理想气体 将 代替上面各式中的，即可求得所需各量 的某双原子理想气体1 mol，经下列不同途径变化到 。 ， 3.9 始态为，的末态。求各步骤及途径的 ——————————————————————————————————————————————— (1) 恒温可逆膨胀; (2)先恒容冷却至使压力降至100 kPa，再恒压加热至; (3) 先绝热可逆膨胀到使压力降至100 kPa，再恒压加热至。 解:(1)对理想气体恒温可逆膨胀，?U = 0，因此 (2)先计算恒容冷却至使压力降至100 kPa，系统的温度T: 根据理想气体绝热过程状态方程， (3)同理，先绝热可逆膨胀到使压力降至100 kPa时系统的温度T: 各热力学量计算如下 5 (1) 可逆膨胀到压力50Kpa; (2) 反抗恒定外压50Kpa，不可逆膨胀至平衡态; (3) 向真空自由膨胀至原体积的2倍 及。 3.10 1mol理想气体在T=300K下，从始态100KPa 到下列各过程，求 3(11 某双原子理想气体从 求各过程的 始态，经不同过程变化到下述状态， 解: (1) 过程(1)为PVT变化过程 6 (2) ——————————————————————————————————————————————— (3) 2.12 2 mol双原子理想气体从始态300 K，50 dm3，先恒容加热至400 K，再恒压加热至体积增大到100 dm3 ，求整个过程的 解:过程图示如下 。 先求出末态的温度 因此， 7 3(13 4mol单原子理想气体从始态750K，150KPa，先恒容冷却使压力降至50KPa，再恒温可逆压缩至100KPa，求整个过程的 解: (a) (b) 3.14 3mol 双原子理想气体从始态 再恒压加热至 解: ，求整个过程的 ，先恒温可逆压缩使体积缩小至及。 ， (a) 8 ——————————————————————————————————————————————— (b) 3.15 5 mol单原子理想气体，从始态 300 K，50 kPa先绝热可逆压缩至100 kPa，再恒压冷却至体积为85dm3的末态。求整个过程的Q，W，?U，?H及?S。 9 3.16 始态300K，1MPa的单原子理想气体2mol，反抗0.2MPa的恒定外压绝热不可逆膨胀 至平衡态。求过程的 解: 10 的单原子气体A与双原子气体B的理想气体混合物共10 mol，从始 ，绝热可逆压缩至 。 解:过程图示如下 的平衡态。求过程的 3.17 组成为态 混合理想气体的绝热可逆状态方程推导如下 容易得到 11 3.18 单原子气体A与双原子气体B的理想气体混合物共8 mol ，组成为 。今绝热反抗恒定外压不可逆膨胀至末态体积 ——————————————————————————————————————————————— 求过程的。 解:过程图示如下 ，始态 的平衡态。 先确定末态温度，绝热过程 ，因此 12 3.19 常压下将100 g，27?的水与200 g，72?的水在绝热容 器中混合，求最终水温t及过程的熵变 解: 。已知水的比定压热容 。 3(20 将温度均为300K，压力均为100KPa的100 的 压混合。求过程 ，假设 和均可认为是理想气体。 解: 的单原子理想 的 恒温恒 3.21 绝热恒容容器中有一绝热耐压隔板，隔板一侧为2mol的 200K ——————————————————————————————————————————————— ，气体A，另一侧为3mol的400K，100 解: ?绝热恒容 混合过程，Q = 0, W = 0 ??U = 0 的双原子理想气体B。今将容器中的绝热隔板撤去， 。 气体A与气体B 混合达到平衡态，求过程的 nACV,mA(T2,200)，nBCV,mB(T2,400)=0 T2 = 342.86K 13 35 2×R(T2,200)，3×R(T2,400)=022 注:对理想气体，一种组分的存在不影响另外组分。即A和B的末态体积均为容器的体 积。 3.22 绝热恒容容器中有一绝热耐压隔板，隔板两侧均为N2(g)。一侧容积50 dm3，内有200 K的N2(g) 2 mol;另一侧容积为75 dm3, 内有500 K的N2(g) 4 mol;N2(g)可认为理想气体。今 将容器中的绝热隔板撤去，使系统达到平衡态。求过程的 解:过程图示如下 。 同上题，末态温度T确定如下 ——————————————————————————————————————————————— 经过第一步变化，两部分的体积和为 即，除了隔板外，状态2与末态相同，因此 14 注意21与22题的比较。 3.23 甲醇( 蒸发焓 蒸汽时 解: 。 )在101.325KPa 下的沸点(正常沸点)为 ，在此条件下的摩尔，求在上述温度、压力条件下，1Kg液态甲醇全部成为甲醇 ，水的比定压热熔。3.24 常压下冰的熔点为0?，比熔化焓 系统达到平衡后，过程的 解:过程图示如下 。 在一绝热容器中有1 kg，25?的水，现向容器中加入0.5 kg，0?的冰，这是系统的始态。求 将过程看作恒压绝热过程。由于1 kg，25?的水降温至0?为 只能导致克冰融化，因此 15 3(25 常压下冰的熔点 是，比熔化 焓 ，水的比定压热 ——————————————————————————————————————————————— 熔 的水及 0.5kg 的冰，求系统，系统的始态为一绝热容器中1kg， 达到平衡态后，过程的熵。 解: 16 3.27 已知常压下冰的熔点为0?，摩尔熔化焓 1 ?，摩尔熔化焓 及，苯的熔点为5.5 。液态水和固态苯的摩尔定压热容分别为。今有两个用绝热层包围的容器， 一容器中为0?的8 mol H2O(s)与2 mol H2O(l)成平衡，另一容器中为5.510?的5 mol C6H6(l)与5 mol C6H6(s)成平衡。现将两容器接触，去掉两容器间的绝热层，使两容器达到新的平衡 态。求过程的 解:粗略估算表明，5 mol C6H6(l) 完全凝固将使8 mol H2O(s)完全熔化，因 此，过程图示如下 。 17 总的过程为恒压绝热过程， ， 3.28 将装有0.1 mol乙醚(C2H5)2O(l)的小玻璃瓶放入容积为10 dm3的恒容密闭的真空容器中，并在35.51?的恒温槽中恒温。35.51?——————————————————————————————————————————————— 为在101.325 kPa下乙醚的沸点。已知在此条件下 乙醚的摩尔蒸发焓 (1)乙醚蒸气的压力; (2 )过程的 解:将乙醚蒸气看作理想气体，由于恒温 。 。今将小玻璃瓶打破，乙醚蒸发至平衡态。求 18 各状态函数的变化计算如下 ?H,?H1，?H2 ?S,?S1，?S2 忽略液态乙醚的体积 19 3.30. 容积为20 dm3的密闭容器中共有2 mol H2O成气液平衡。 已知80?，100?下水 的饱和蒸气压分别为及，25 ?水的摩尔蒸发焓 ;水和水蒸气在25 ~ 100 ?间的平均定压摩尔热容分别为和 衡态恒容加热到100?。求过程的 解:先估算100 ?时，系统中是否存在液态水。设终态只存在 水蒸气，其物质量为n, 则 20 ——————————————————————————————————————————————— 。 。今将系统从80?的平 显然，只有一部分水蒸发，末态仍为气液平衡。因此有以下过程: 设立如下途径 第一步和第四步为可逆相变，第二步为液态水的恒温变压，第三步为液态水的恒压变温。先求80?和100?时水的摩尔蒸发热: 21 3.31. O2(g)的摩尔定压热容与温度的函数关系为 已知25 ?下O2(g)的标准摩尔熵 下的摩尔规定熵值 解:由公式 。 。求O2(g) 在 100?，50 kPa 3.32. 若参加化学反应的各物质的摩尔定压热容可表示为 试推导化学反应 数如何确定。 的标准摩尔反应熵 与温度T的函数关系式，并说明积分常 解:对于标准摩尔反应熵，有 22 式中 3.33. 已知25 ?时液态水的标准摩尔生成吉布斯函25?时的饱和蒸气压 解: ，水在。求25?时水蒸气的标准摩尔生成吉布斯函数。 ——————————————————————————————————————————————— 恒温下 23 3.34. 100?的恒温槽中有一带有活塞的导热圆筒，筒中为2 mol N2(g)及装与小玻璃瓶中的3 mol H2O(l)。环境的压力即系统的压力维持120 kPa不变。今将小玻璃瓶打碎，液态水 蒸发至平衡态。求过程的。 已知:水在100?时的饱和蒸气压为，在此条件下水 的摩尔蒸发焓 。 24 3.35. 已知100?水的饱和蒸气压为101.325 kPa ，此条件下水的摩尔蒸发焓 。在置于100?恒温槽中的容积为100 dm3的密闭容器中，有压力 120 kPa的过饱和蒸气。此状态为亚稳态。今过饱和蒸气失稳，部分凝结成液态水达到热力 学稳定的平衡态。求过程的 解:凝结蒸气的物质量为 。 热力学各量计算如下 3.36 已知在101.325 kPa下，水的沸点为100 ?，其比蒸发焓 ——————————————————————————————————————————————— 态水和水蒸气在100,120?范围内的平均比定压热容分别为:及 解:设计可逆途径如下 。已知液。今有101.325 kPa下120?的1 kg过热水变成同样温度、 及。 压力下的水蒸气。设计可逆途径，并按可逆途径分别求过程的25 3.37 已知在100 kPa下水的凝固点为0?，在-5 ?，过冷水的比凝固焓过冷水和冰的饱和蒸气压分别为过程的 及。 ，， 。今在100 kPa下，有-5? 1 kg的过冷水变为同样温度、压力下的冰，设计可逆途径，分别按可逆途径计算 解:设计可逆途径如下 26 第二步、第四步为可逆相变， ， 第一步、第五步为凝聚相的恒温变压过程， ， 因此 3.38 已知在-5?，水和冰的密度分别为 度下的冰，求过程的和 。在-5?，水和冰的相平衡压力为59.8 MPa。今有-?C的1 kg——————————————————————————————————————————————— 水在100 kPa下凝固成同样温。假设，水和冰的密度不随压力改变。 27 28 3.39 若在某温度范围内， 一液体及其蒸气的摩尔定压热容均可表示成形式，则液体的摩尔蒸发焓为 的 其中的函数关系式，积分常数为I。 解: 克—克方程为 ，为积分常数。 试应用克劳修斯-克拉佩龙方程的微分式，推导出该温度范围内液体的饱和蒸气压p的对数ln p与热力学温度T 不定积分: 3.40 化学反应如下: (1)利用附录中各物质的Sθm，?fGθm数据，求上述反应在25?时的?rSθm，?rGθm; (2)利用附录中各物质的?fGθm数据，计算上述反应在25?时的; (3)25?，若始态CH4(g)和H2(g)的分压均为150 kPa，末态CO(g)和H2(g)的分压均为50 kPa， 求反应的 解: 。 29 ——————————————————————————————————————————————— 30 3.41 已知化学反应 中各物质的摩尔定压热容与温度间的函数关系为 这个反应的标准摩尔反应熵与温度的关系为 试用热力学基本方程 温度T 的函数关系式。说明积分常数 解:根据方程热力学基本方程 推导出该反应的标准摩尔反应吉布斯函数如何确定。 与 31 4.42 汞Hg在100 kPa下的熔点为-38.87?，此时比融化焓 汞的密度分别为和。求: ;液态汞和固态 (1)压力为10MPa下汞的熔点; (2)若要汞的熔点为-35?，压力需增大之多少。 解:根据Clapeyron方程，蒸气压与熔点间的关系为 3.43 已知水在77?时的饱和蒸气压为41.891 kPa。水在101.325 kPa下的正常沸点为100?。求 (1)下面表示水的蒸气压与温度关系的方程式中的A和B值。 (2)在此温度范围内水的摩尔蒸发焓。 (3)在多大压力下水的沸点为105?。 解:(1)将两个点带入方程得 32 ——————————————————————————————————————————————— (2)根据Clausius-Clapeyron方程 (3) 3.44 水(H2O)和氯仿(CHCl3)在101.325 kPa下的正常沸点分别为100?和61.5?，摩 尔蒸发焓分别为具有相同饱和蒸气压时的温度。 解:根据Clausius-Clapeyron方程 和。求两液体 设它们具有相同蒸气压时的温度为T，则 3(45 因同一温度下液体及其饱和蒸汽压的摩尔定压热容故液体的摩尔蒸发焓是温度的函数 汽压与温度关系的克劳修斯——克拉佩龙方程的不定积分式。 解: 克—克方程 不同 ，试推导液体饱和蒸 33 不定积分得: 3.46 求证: (2) 对理想气体 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 :由H=f(H,P)可得 对理想气体， 34 35 ——————————————————————————————————————————————— 36 3.50证明 (1)焦耳-汤姆逊系数 (2 )对理想气体 证明:由H=f(T,P) dHmm m?(?H ?T)?H pdT?(?P)TdP (?Hm )(?Hm (?T ?P)T) ??T H?? (?HmCp,m ?T)p ?dH?TdS?VdP ?(?H ?P)T(?S T??P)T?V ——————————————————————————————————————————————— 麦克斯韦关系式 ?(?S ?P)?V T?(?T)P 代入上式 (?H ?P)?V T??(?T)PT?V (?Vm ) (?T ?P)pT?Vm H??C??J?T p,m (2)对于理想气体 V?nRT p VRT?VR m?p (m ?T)p?p R ??pT?VmV?Vm J?TC?m?0 p,mCp,m 37 ———————————————————————————————————————————————