熱力學第一定律練習題與解答

1、第 二 章 熱力學第一定律一、思考題1. 判斷下列說法是否正確，并簡述判斷的依據(jù)（1 ）狀態(tài)給定后，狀態(tài)函數(shù)就有定值，狀態(tài)函數(shù)固定后，狀態(tài)也就固定了。 答：是對的。因為狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)。（2 ）狀態(tài)改變后，狀態(tài)函數(shù)一定都改變。 答：是錯的。因為只要有一個狀態(tài)函數(shù)變了， 狀態(tài)也就變了， 但并不是所有的狀態(tài)函數(shù)都得 變。（3）因為 U=QV， H=Qp，所以 QV，Qp 是特定條件下的狀態(tài)函數(shù) ? 這種說法對嗎？ 答：是錯的。 DU ， DH 本身不是狀態(tài)函數(shù)，僅是狀態(tài)函數(shù)的變量，只有在特定條件下與 QV，Qp 的數(shù)值相等，所以 QV， Q p不是狀態(tài)函數(shù)。（4 ）根據(jù)熱力學第一定律，因為

2、能量不會無中生有，所以一個系統(tǒng)如要對外做功，必須從 外界吸收熱量。答：是錯的。根據(jù)熱力學第一定律 U Q W ，它不僅說明熱力學能（、熱U（）Q ）和功（ W ）之間可以轉(zhuǎn)化，有表述了它們轉(zhuǎn)化是的定量關(guān)系，即能量守恒定律。所以功的轉(zhuǎn)化 形式不僅有熱，也可轉(zhuǎn)化為熱力學能系。（5 ）在等壓下，用機械攪拌某絕熱容器中的液體，是液體的溫度上升，這時 H=Qp=0答：是錯的。這雖然是一個等壓過程，而此過程存在機械功，即Wf 0，所以 HQp 。（6 ）某一化學反應(yīng)在燒杯中進行，熱效應(yīng)為Q 1 ，焓變?yōu)?H1。如將化學反應(yīng)安排成反應(yīng)相同的可逆電池， 使化學反應(yīng)和電池反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)形同， 這時熱效應(yīng)為 Q

3、 2，焓變?yōu)?H2， 則 H1=H2。答：是對的。 Q 是非狀態(tài)函數(shù)，由于經(jīng)過的途徑不同，則 Q 值不同，焓（ H ）是狀態(tài)函數(shù)， 只要始終態(tài)相同，不考慮所經(jīng)過的過程，則兩焓變值DH1和 DH 2相等。2 . 回答下列問題，并說明原因（1 ）可逆熱機的效率最高，在其它條件相同的前提下，用可逆熱機去牽引貨車，能否使火 車的速度加快？答？不能。熱機效率Qh是指從高溫熱源所吸收的熱最大的轉(zhuǎn)換成對環(huán)境所做的功。但可逆熱機循環(huán)一周是一個緩慢的過程，所需時間是無限長。又由 P F v 可推出 v 無限小。因此用可逆熱機牽引火車的做法是不實際的，不能增加火車的速度，只會降低。（2 ）Zn 與鹽酸發(fā)生反應(yīng)，分

4、別在敞口和密閉容器中進行，哪一種情況放熱更多？ 答：在密閉容器中進行的反應(yīng)放熱多。 在熱化學中有 Qp = QV+ n（g RT），而 Zn（s）+ H2SO4 （aq）= Zn SO 4 （aq）+ H2（g）的 ng =1 ，又因該反應(yīng)為放熱反應(yīng) Qp 、 QV 的值均為 負值，所以Q V Qp 。（3 ）在一個導(dǎo)熱材料制成的圓筒中裝有壓縮氣體，圓筒中的溫度與環(huán)境達成平衡。如果突 然打開圓筒，是氣體沖出去，當壓力與外界相等時，立即蓋上筒蓋。過一段時間，筒中氣體 的壓力有何變化？答：筒內(nèi)壓力變化過程：當壓縮氣體沖出，在絕熱可逆過程有p1 T 常數(shù) ，當氣體的壓 力與外界相等時，筒中溫度降低。

5、立即蓋上筒蓋，過一會兒，系統(tǒng)與環(huán)境的溫度完全相等， 筒內(nèi)溫度上升，則壓力也升高，即大于環(huán)境的標準大氣壓。（4 ）在裝有催化劑的合成氨反應(yīng)室中， N2（g）與 H 2 （ g）的物質(zhì)的量的比為 1:3 ，反應(yīng) 方程式為， N2（g）+ H 2（g）N H 3（g）。在溫度為 T1和T2的條件下，實驗測定放出的熱量分別為 Qp（T1）和 Qp（T2）.但是用 Kirchhoff 定律計算時r Hm T1T22 rCpdT計算結(jié)果與實驗值不符，試解釋原因。答：r H mrH ，rHm 實際是指按所給反應(yīng)式，進行=1mol 反應(yīng)時的焓變，實驗測得的數(shù)值是反應(yīng)達到平衡時發(fā)出的熱量，此時 0 范氐氣體分子

6、間有引力。體積增大分子間勢能增加，為了保持溫度不變， 必須從環(huán)境吸熱。DU 0 因為從環(huán)境所吸的熱使系統(tǒng)的熱力學能增加。DH 0 根據(jù)焓的定義式可判斷，系統(tǒng)的熱力學能增加，焓值也增加。（3）W 0 放出的氫氣推動活塞，系統(tǒng)克服外壓對環(huán)境作功。Q 0 反應(yīng)是放熱反應(yīng)。DU 0 系統(tǒng)既放熱又對外作功，熱力學能下降。DH 0 因為是在絕熱剛瓶中發(fā)生的放熱反應(yīng)，氣體分子數(shù)沒有減少，鋼瓶內(nèi)溫度升高，壓力也增高，根據(jù)焓的定義式可判斷焓值是增加的。（5）W 0 常溫、常壓下水結(jié)成冰，體積變大，系統(tǒng)克服外壓對環(huán)境作功。Q 0 水結(jié)成冰是放熱過程。DU 0 系統(tǒng)既放熱又對外作功，熱力學能下降。DH 0 因為這是

7、等壓相變， DH = Q p 。6. 在相同的溫度和壓力下，一定量氫氣和氧氣從四種不同的途徑生成水： （1 ） 氫氣在氧氣中燃燒； （2）爆鳴反應(yīng)；（3）氫氧熱爆炸；（4）氫氧燃料電池。在 所有反應(yīng)中， 保持反應(yīng)始態(tài)和終態(tài)都相同， 請問這四種變化途徑的熱力學能和焓的變化值是否相同 ?答：應(yīng)該相同。因為熱力學能和焓是狀態(tài)函數(shù)，只要始終態(tài)相同，無論通過什么途徑，其變 化值一定相同。這就是：異途同歸，值變相等。7. 一定量的水，從海洋蒸發(fā)變?yōu)樵疲圃诟呱缴献優(yōu)橛?、雪，并凝結(jié)成冰。冰、雪熔化變成水流入江河， 最后流入大海， 一定量的水又回到始態(tài)。 問歷經(jīng)整個循 環(huán)，水的熱力學能和焓的變化是多少 ?答：

8、水的熱力學能和焓的變化值都為零。 因為熱力學能和焓是狀態(tài)函數(shù)， 不論經(jīng)過怎樣的循 環(huán)，其值都保持不變。這就是：周而復(fù)始，數(shù)值還原。8. 298 K ，101.3 kPa 壓力下，一杯水蒸發(fā)為同溫、同壓的氣是不可逆過程， 試將它設(shè)計成可逆過程。答：可逆過程（ 1 ）：繞到沸點或可逆過程（ 2 ）：繞到飽和蒸氣壓、概念題題號12345678選項DCBAADCC題號910111213141516選項BBABCCDB1. 對于理想氣體的熱力學能有下述四種理解：（1 ）狀態(tài)一定，熱力學能也一定（2 ）對應(yīng)于某一狀態(tài)的熱力學能是可以直接測定的（3 ）對應(yīng)于某一狀態(tài)，熱力學能只有一個數(shù)值，不可能有兩個或兩個

9、以上的數(shù)值（4 ）狀態(tài)改變時，熱力學能一定跟著改變 其中都正確的是（ ）。（A）（1），（2） （B ）（3），（4） （C）（2），（4） （ D ）（ 1），（ 3） 答：（D ） 熱力學能是狀態(tài)的單值函數(shù)，其絕對值無法測量。2. 有一高壓鋼筒，打開活塞后氣體噴出筒外，當筒內(nèi)壓力與筒外壓力相等時關(guān)閉活塞，此 時筒內(nèi)溫度將（ ）。（A）不變（B）升高（C）降低（D ）無法判定答：（C）氣體膨脹對外作功，熱力學能下降。3. 有一真空鋼筒，將閥門打開時，大氣（視為理想氣體）沖入瓶內(nèi)，此時瓶內(nèi)氣體的溫度 將（ ）。（A）不變（B）升高（C）降低（D ）無法判定 答：（ B ）大氣對系統(tǒng)作功，熱力學

10、能升高4. 1 mol 373 K 、標準壓力下的水分別經(jīng)歷： （ 1 ）等溫、等壓可逆蒸發(fā)； （ 2 ）真空蒸發(fā)， 變成 373 K 、標準壓力下的水氣。這兩個過程中功和熱的關(guān)系為（ ）。（A）W 1 Q 2（B） W 1 W 2、Q 1 W 2、Q 1 0 ，H 0B)U = 0 ，H = 0（C）U 0 ，H 0（D）U = 0 ，H 不確定答：（D）熱力學能是能量的一種，符合能量守衡定律，在孤立系統(tǒng)中熱力學能保持不變。 而焓雖然有能量單位，但它不是能量，不符合能量守衡定律。 例如，在絕熱鋼瓶里發(fā)生一個 放熱的氣相反應(yīng)，H可能回大于零。7. 理想氣體向真空絕熱膨脹后，他的溫度將（ ）。（

11、A）升高（B）降低（C）不變（ D ）不一定答：（C）對于理想氣體而言，內(nèi)能僅僅是溫度的單值函數(shù)，經(jīng)真空絕熱膨脹后，內(nèi)能不變， 因此體系溫度不變。8. 某氣體的狀態(tài)方程 pVm = RT+bp （b 是大于零的常數(shù)） ，此氣體向真空絕熱膨脹，溫度 將（ ）。（A）升高（B）降低（C）不變（ D ）不一定答：（C）由氣體狀態(tài)方程 pV m= RT+bp 可知此實際氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)，經(jīng)真空絕 熱膨脹后，內(nèi)能不變，因此體系溫度不變（狀態(tài)方程中無壓力校正項，說明該氣體膨脹時， 不需克服分子間引力，所以恒溫膨脹時，熱力學能不變） 。9. 公式 DH = Q p適用于哪個過程（）。273K,100

12、kPa（A）理想氣體絕熱等外壓膨脹（B）H 2O（s）H2O（l）（C）Cu2+（aq）+2e- Cu（s）（ D）理想氣體等溫可逆膨脹答：（ B ）式適用于不作非膨脹功的等壓過程。10. 某理想氣體的 = Cp/C V =1.40 ，則該氣體為幾原子分子（ ）？（A）單原子分子（B）雙原子分子（ C ）三原子分子（ D ）四原子分子757（B ） 1.40= ，CV = R Cp= R ，這是雙原子分子的特征。52211. 當以 5 mol H 2氣與 4 mol Cl 2 氣混合，最后生成 2 mol HCl 氣。若以下式為基本單元，H2（g） + Cl （g） 2HC （g）則反應(yīng)進度

13、應(yīng)是（ ）。（A） 1 mol （B） 2 mol（C） 4 mol （D） 5 mol 答：（A）反應(yīng)進度=n= 2mol =1 molv212. 欲測定有機物燃燒熱 Qp，般使反應(yīng)在氧彈中進行， 實測得熱效應(yīng)為 QV ，公式 Qp= QV+ n gRT 中的 n 為（）。（ A ）生成物與反應(yīng)物總物質(zhì)的量之差（B ）生成物與反應(yīng)物中氣相物質(zhì)的量之差（ C ）生成物與反應(yīng)物中凝聚相物質(zhì)的量之差（ D ）生成物與反應(yīng)物的總熱容差答：（ B ）ngRT 一項來源于 （pV ）一項，若假定氣體是理想氣體，在溫度不變時（pV）就等于 ngRT 。13. 下列等式中正確的是（ ）。（A） fHm（H

14、2O，l）= cHm（O2，g）（B） fHm（H2O，g）= cHm（O2，g）（C） f H m （H 2O，l）= cHm （H2，g）（D） fHm（H2O，g）= cHm（H2，g）答：（ C）在標準態(tài)下，有穩(wěn)定單質(zhì)生成 1mol 物質(zhì) B 產(chǎn)生的熱效應(yīng)為該物質(zhì) B 的摩爾生成 焓；在標準態(tài)下， 1mol 物質(zhì) B 完全燃燒產(chǎn)生的熱效應(yīng)為該物質(zhì) B 燃燒焓，故有 fHm （H 2O， l）= cHm（H2，g）。14. 298 K 時，石墨的標準摩爾生成焓 fHm （ ） 。（A）大于零（B）小于零（ C）等于零（D）不能確定答：（ C ）根據(jù)標準摩爾生成焓定義，規(guī)定穩(wěn)定單質(zhì)的標準摩

15、爾生成焓為零。碳的穩(wěn)定單質(zhì) 制定為石墨。15. 石墨（ C ）和金剛石（ C ）在 298 K ，標準壓力下的標準摩爾燃燒焓分別為 -393.4 kJ mol -1和-395.3 kJ mo-l1，則金剛石的標準摩爾生成焓f Hm （金剛石, 298 K ）為（ ）。（A）-393.4 kJ mo-l1 （B） -395.3 kJ mo-l1 （C）-1.9 kJ mo-l1 （D）1.9 kJ mol -1答：（D ） 石墨（ C ）的標準摩爾燃燒焓就是二氧化碳的標準摩爾生成焓，為-393.4kJ mol -1 ，金剛石的標準摩爾燃燒焓就是金剛石（C）燃燒為二氧化碳的摩爾反應(yīng)焓變，）。等于二氧化碳的標準摩爾生成焓減去金剛石的標準摩爾生成焓， 所以金剛石的標準摩爾生成 焓就等于 -393.4 kJ mo-l1 （- 395.