第一章热力学基础
热工基础与应用第三版课后题答案
热工基础与应用第三版课后题答案热工基础与应用第三版课后题答案：第一章热力学基础1. 什么是热力学系统？热力学系统的分类？答：热力学系统是指一定空间范围内的物质，它可以与外界进行能量、物质和动量的交换。
热力学系统分为开放系统、闭合系统和孤立系统。
2. 热力学第一定律及其公式表达？答：热力学第一定律是指能量守恒原理，即一定量的能量在各种形式间的转换中，总能量量保持不变。
它的公式表达为： $\Delta U = Q -W$，其中$\Delta U$表示系统内能的变化，$Q$ 表示系统所吸收的热量，$W$表示系统所做的功。
第二章理想气体1. 什么是理想气体？理想气体的特点有哪些？答：理想气体是指在一定温度和压力下，以分子作为粗略模型，遵守物理气体状态方程，没有相互作用力的气体。
理想气体的特点是分子间没有相互作用力，分子大小可忽略不计，分子数很大，分子与容器壁之间的碰撞是完全弹性碰撞。
2. 理想气体状态方程及其公式表达？答：理想气体状态方程是描述理想气体状态的基本方程，公式表达为$pV=nRT$，其中$p$表示压力，$V$表示体积，$n$表示物质的定量，$R$为气体常数，$T$表示气体的绝对温度。
第三章湿空气1. 什么是湿空气？湿空气的组成及其特点？答：湿空气是指空气中含有一定量的水蒸气的气体体系。
湿空气主要由氧气、氮气和水蒸气等气体组成。
湿空气的特点是其含水量随着温度和压力的变化而发生变化，同时湿空气的性质也会随着水蒸气的增加发生改变。
2. 湿空气状态的计算方法？答：湿空气的状态可用气体混合物的状态方程描述，即Dalton分压定律。
同时，根据水蒸气分压度和空气分压度的表格，可以通过查表法来计算湿空气的状态。
第四章热功学性质1. 热功学性质的三种基本类型是什么？答：热功学性质的三种基本类型是热力学势、热容和熵。
2. 熵的基本概念及其计算？答：熵是指物理系统内部不可逆过程的度量。
根据定义，熵的计算公式为$\Delta S = Q/T$，其中$\Delta S$表示熵的变化量，$Q$表示系统吸收的热量，$T$表示系统的温度。
热力学基础与第定律热力学基础与第一定律
1.4-2 可逆过程
一次（两次）压缩过程 环境对系统作的功 大于 一次（两次）膨胀过程 系统对环境作的功 原因：多作的功变成热传给了环境
对于准静态膨胀过程的逆过程：压缩可使系统 复原时，环境也同时恢复到原状。 这种能通过原来过程的反方向而使系统和环境 都同时复原，不留下任何痕迹的过程 称为 可 逆过程。
Kevin 1848年根据热机的Carnot定理首创
1 3 热力学第一定律 1.3
1.3-1 热力学能、热和功 热力学能：又称内能（U）是热力学系统内物质 所具有各种能量总和。包括系统一切形式的能 量（如分子平动、转动、振动能等)。但系统整 体动能及在外力场中位能不包括在内。 内能在一定状态下有一定数值（但其绝对值无 法确定）。 其变化只取决于始态、终态（不需要了解其绝 对值）。重要的是变化值 ΔU=Ub-Ua
z
系统的状态性质之间是相互关联的（某一性 质的变化会引起至少另外一个状态性质的变 化）。因而要确定一个系统的热力学状态， 并不需要知道所有的状态性质，而只需要确 定几个状态性质即可。 状态公理与物态方程 状态公理 与物态方程 在系统的性质中通常我们选择最易测定的典 型性质作为独立变量，而把其它性质表示成 这些独立变量的函数。如T= f ( P,V,n1,n2,…. ni)
1.1 热力学(thermodynamics)
研究宏观系统能量相互转换过程中的规律和科学。 18世纪以前，人们对热的认识是粗略和模糊的。 直至19世纪中叶才在实验的基础上建立 热力学第一定律（能量守恒）
焦耳（Joule，1818 1818-1889, 1889 英）1850年
热力学第二定律 开尔文 (Lord Kelvin， 1824 1824-1907，英)，1848 克劳修斯（Clausius，1822 1822-1888 ，德）1850
物理化学1.1-热力学基本概念
●在确定条件下，变化是自发还是非自发？变化的 限度？从确定的自发变化可以获得多少功？要实现 确定的非自发变化，必须注入多少功？
三峡大坝 发电机组
化学电池 化学激光 ……
农田灌溉
电解反应 光化学反应 ……
§1.1 热力学基本概念
1.系统和环境
系统（system） ——热力学研究的对象，包括指定的物质和空间。
非均相系统（多相系统）
（heterogeneous system）
CaCO3 (s) ＝CaO(s)＋CO2(g) NH4HCO3 (s) = NH3(g) + H2O(g) + CO2(g)
相变（phase transformation）
——物质从一种聚集形态转变为另一种聚集形态。
气体
液化
升华
√
封闭系统(Closed system) ×
√
隔离系统(Isolated system) ×
×
2.描述系统状态的热力学函数
抽开插板
n,p,V,T
n, p,V,T
Sy(I)
Sy(II)
强度性质函数（intensive properties） 数值大小与系统中所含物质的量无关， 无加和性（如 p，T）；
p、V、T 变化过程 相变化过程 化学变化过程
典型p、V、T变化过程
① 定温过程：T1=T2=Tsu ② 定压过程： p1= p2= psu ③ 定容过程： V1=V2 ④ 绝热过程： Q = 0 ⑤ 对抗恒外压过程：psu=常数（包括0）
p1,T1 psu
⑥ 循环过程 ：系统的始态和终态为同一状态。
1、苯的正常沸点为80.1 ℃。你知道苯在80.1 ℃ 的饱和蒸汽压吗？
《热学》期末复习用 各章习题+参考答案
(
29 × 10 3
)
485������
(4) 空气分子的碰撞频率为
√2������ ������
√2
6 02 × 10 × 22 4 × 10
3 3
×
(3
7 × 10−10)
× 485
(5) 空气分子的平均自由程为
7 9 × 109
������
485 7 9 × 109
6 1 × 10 8������
(������ + ������ )������������ ������ ������������ + ������ ������������
(4)
联立方程(1)(2)(3)(4)解得
������ + ������
������
2
������ ������ ������ (������ ������ + ������ ������ ) (������ + ������ )
������ (������ + ∆������) ������
������
������
(������ + ∆������) ������
������
ln
������������ ������
ln ������
������ + ∆������
ln
Hale Waihona Puke 133 101000ln
2
2
+
20 400
269
因此经过 69 × 60 40 后才能使容器内的压强由 0.101MPa 降为 133Pa.
1-7 (秦允豪 1.3.6) 一抽气机转速������ 400������ ∙ ������������������ ,抽气机每分钟能抽出气体20������.设 容器的容积������ 2 0������,问经过多长时间后才能使容器内的压强由 0.101MPa 降为 133Pa.设抽 气过程中温度始终不变.
物理化学中的热力学基础 -1
即
H nC p ,m dT
T1
T2
应注意：下面的两式使用条件。
dH = CpdT = nCp,m dT
和 δQp = dHp = Cp dT = nCp,m dT
封闭系统的理想气体
封闭系统的定压过程
热容是系统的状态函数，与系统的物质性质、量、温度有 关。摩尔热容的单位是 J· -1 · -1。 K mol
空气 真空 (p 2MPa） 图1-3 空气向真空膨胀
U U ( )T 0 ( )T 0 p V
（1-11）
严格地讲，式（1-11）只对理想气体成立。 结论：物质的量不变(组成及量不变)时，理想气体的热力学能 U 只是温度的函数。 U＝f（T） （1-12）
例：设绝热箱内有一电炉丝浸于水中，接 上电源通电，如图所示。 若以水为系统，则ΔU > 0，Q > 0，W = 0； 水
系统在一定环境条件下，经足够长的时间，可观测到的 宏观性质都不随时间而变，此时系统的状态称为热力学
平衡态。
热力学平衡态应同时有： ⑴热平衡：系统各部分T 相等；若不绝热,则T系统= T环境。 ⑵力平衡：系统各部分p 相等；边界不相对位移。 ⑶相平衡：系统各相长时间共存,组成和数量不随时间而变。 ⑷化学平衡：系统组成不随时间改变。
异途同归，增量相同；周而复始，增量为零。
描述系统的状态不需要罗列所有的热力学性质。 对组成 不变的均相封闭系统只需 2个独立变化的热力学性质就可
以完全确定系统的状态了，如理想气体 pV=nRT。其体
积 V = f (p,T )，体积的微小变化可由下式表示。
V V dV ( ) p dT ( ) T dp T p
系统内所有粒子的动能＋势能
化学热力学基础
微小变化： dH = δQp
第三节 热 化 学
一、反应进度 二、化学反应的摩尔热力学能变和摩尔焓变 三、热化学方程式 四、赫斯定律 五、化学反应的标准摩尔焓变的计算
一、反应进度
化学反应一般可以写成如下通式：
A A B B Y Y Z Z
通常可写成如下更简单的形式：
反应进度定义为：
降低温度有利于 反应自发进行
对在等温、等压不做非体积功的条件下进行的 化学反应：
rG m rH mT rSm
大多数反应属于ΔH 与ΔS 同号的上述③或④两类反应， 此时温度对反应的自发性有决定影响，存在一个自发 进行的最低或最高温度，称为转变温度 Tc (ΔG = 0)：
Tc
H S
不同反应 Tc 是不同的，它取决于ΔH与ΔS 的相对大小，是反应的本性。
热力学能是状态函数，其量值取决于系统的状 态。当系统由状态 A 变化到状态 B 时，热力学能改 变为：
UUBUA
由于系统内部粒子的运动方式及其相互作用非 常复杂，热力学能的绝对值无法测量。
二、热力学第一定律的数学表达式
系统的热力学能改变是由于系统与环境之间 进行热和功传递的结果。
在任何过程中，系统热力学能的增加等于系 统从环境吸收的热与环境对系统所做的功之和。
（4）循环过程：系统由某一状态经过一系列 变化又回到原来状态，称为循环过程。
四、热和功
（一）热
由于系统与环境的温度不同，而在系统与环 境间所传递的能量称为热。系统从环境吸热，Q ＞0；系统向环境放热，Q＜0。
（二）功
除热以外，在系统与环境之间传递的其他各 种形式的能量称为功。环境对系统做功，W＞0； 系统对环境做功，W＜0。
功可以分为体积功和非体积功。体积功是系 统发生体积变化时与环境传递的功；非体积功是 除体积功以外的所有其他功。
普通化学 第一章 化学热力学基础
1 1 (91.8kJ mol-1 ) 30.6 kJ mol-1 Δr H Δ H m,2 3 r m 3
（3）
NH3 ( g )
Δr H m,3
3 1 H2 ( g) N2 ( g ) 2 2 1 1 (91.8 kJ mol-1 ) 45.9 kJ mol-1 Δ r H m 2 2
体系由始态到终态，状态发生了变化，则称体系经历 了一个热力学过程，简称过程。 在状态发生了变化过程中，若体系的始态和终态温度
相等并且等于恒定的环境温度，称为“恒温过程”；同
样，若体系的始态和终态压力相等并且等于恒定的环境 压力，称为“恒压过程”；若体系的体积保持不变称为 “恒容过程”。若体系变化时和环境之间无热量交换， 则称之为“绝热过程”。
“生成”之意。例如：
1 H 2 ( g ) O 2 ( g ) H 2 O(l ) 2
1 Δr H ( 298 .15 K) 285.8 kJ mol m
普通化学
1.3.2 化学反应的标准摩尔焓变的计算
对任一个化学反应来说 dD eE gG hH 其反应物和生 成物的原子种类和个数是相同的，因此我们可以用同样 的单质来生成反应物和生成物，如图1.5所示。
与Q之和。
U Q W
(1.2)
式（1.2）为封闭体系中热力学第一定律的数学表达式。
普通化学
1.2.1 热力学第一定律
例1.1 设能量状态为U1的体系，体系输出200 J的热量，
Q 200 J
环境对体系做了350 J的功，求体系能量变化和终态能量U2。 解: 由题意
W 350 J
普通化学
普通化学
目 录
1章 化学热力学基础
第一章化学热力学基础第一节热力学第一定律一、基本概念和常用术语1、体系和环境体系：被选作研究对象的部分。
环境：体系之外并与体系密切相关的部分。
敞开体系：与环境有物质交换、有能量交换。
封闭体系：与环境无物质交换、有能量交换。
孤立体系：与环境无物质交换、无能量交换。
2、状态和状态函数状态：体系的宏观性质的综合表现。
状态函数：确定体系状态的物理量。
(p, V, T, U, H, S, G)状态函数特征：状态函数的改变量只与体系的始态、终态有关,而与变化途径无关。
分类：广度性质(具有加和性)强度性质(不具有加和性T, p )3、过程和途径过程：当体系的状态发生变化时，发生变化的经过。
途径：完成状态变化过程的具体步骤。
等容过程等温过程等压过程绝热过程二、热力学第一定律1、热和功(体系与环境能量交换的两种形式)规定：体系吸热：Q >0体系放热：Q <0环境对体系做功：W >0体系对环境做功：W <0特 点： 热和功不是状态函数其数值与具体途径有关2、热力学能U特 点： 是状态函数，广度性质，其绝对值未知。
3、热力学第一定律该定律的实质是能量守恒与转化定律。
第二节 化学反应的热效应一、反应热在封闭体系、非体积功=0的前提下，当反应物和生成物温度相同时,化学反应过程中吸收或放出的热量。
1. 恒容反应热(QV)W =0+（- p e x V ）=0U= QV + W= QVQV 全部用于改变系统的热力学能2.恒压反应热 U Q V ∆=Vp Q U p ∆-=∆ex()12ex 12V V p Q U U p --=- 定义焓： ()111222)(V p U V p U Q p +-+=状态函数,广度性质焓变：Qp = H pV U H +=3. 反应进度ξ（读作“克赛”）a A + d D = g G + h H0= – a A – d D + g G + h H写成通式式中符号B 表示反应中的物质，而νB 为数字或简分数，称为物质B 的化学计量数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一章热力学基础
1.1 开始时1kg水蒸气处于0.5MPa和250℃，试求进行下列过程是吸收或排出的热量：
a)水蒸气封闭于活塞——气缸中并被压缩到1MPa和300℃，活塞对蒸汽做功
200kJ。
b)水蒸气稳定地流经某一装置，离开时达到1MPa和300℃，且每流过1kg蒸汽
输出轴功200kJ。
动能及势能变化可忽略。
c)水蒸气从一个保持参数恒定的巨大气源流入一个抽空的刚性容器，传递给蒸
汽的轴功为200kJ，蒸汽终态为1MPa和300℃。
1.2 1kg空气从5×105Pa、900K变化到105Pa、600K时，从温度为300K的环境
吸热Q
0，并输出总攻W
g。
若实际过程中Q0=-10kJ (排给环境)，试计算W
g
值，然
后求出因不可逆性造成的总输出功的损失。
第二章能量的可用性
2.1 一稳定流动的可逆燃料电池在大气压力和25℃（环境温度）的等温条件下工作。
进入燃料电池的是氢和氧，出来的是水。
已知在此温度和压力下，反应物
生成物之间的吉布斯函数之差G
0=G
Ro
-G
p0
=236kJ/mol(供应的氢气)，试计算输出功
率为100W的可逆燃料电池所需的氢气供应量[L/min],及与环境的换热量[W]。
2.2 以1×105Pa、17℃的空气作原料，在一个稳定流动的液化装置中生产空气。
该装置处于17℃的环境中。
试计算为了生产1kg压力为1×105Pa的饱和液态空气所需的最小输入轴功[W]。
如该装置的热力学完善度是10%，试计算生产1L液态空气所需的实际输入功[kW.h]。
2.3 在简单液化林德液化空气装置中，空气从1×105Pa、300K的环境条件经带有水冷却的压缩机压缩到200×105Pa和300K。
压缩机的等温效率为70%。
逆流换热器X的入口温差为0.饱和液态空气排出液化装置时的压力为1×105Pa。
换热器与环境的换热量和管道的压降忽略不计。
试计算加工单位质量的压缩空气所得到的液态空气量，液化1kg空气所需的输入功，以及液化过程的热力学完善度。
第三章热力学函数与普遍关系式
3.1 在0℃及1.01325×105Pa下，由实验测得水银的C
p
=28.0J/(mol·K),U=1.47
×10-5m3/mol,α=181×10-6K-1以及R
T
=3.89×10-1Pa-1。
试计算此温度、压力下的定容摩尔容。
3.2 设1mol遵循范德瓦尔方程式的气体由初容积V
i 可逆定温膨胀到终容积V
t
，
试求过程中传递的热量。
3.3 设把15cm3的水银在0℃下可逆定温地从零初压力压缩到终压力1.01325×108Pa，试求过程中的传热量、所做的功以及内能的变化。
第四章状态方程式及其应用
4.1 试计算氟里昂R-12（CCL
2F
2
）在366.5K、2.067MPa时的摩尔容积。
4.2 使用对比态关系式（4-122）及安托万公式（4-125）计算74.1℃和186.8℃时的乙苯的蒸汽压。
此时的实验值分别是13.3322kPa和332.505kPa。
第五章多组分系统的性质
5.1 在344K和35.53MPa时，正葵烷（C10H22）和二氧化碳组成的二元溶液系统的偏摩尔体积是二氧化碳的摩尔分数的函数，其值如下表所列：
X
CO2
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
V
C10H22×103
m3/mol 0.1961 0.1959 0.1956 0.1947 0.1920 0.1890 0.1883 试计算含有20kg二氧化碳和80kg正葵烷溶液的总体积和摩尔体积。
5.2 在298K和2MPa的条件下，某二组分液体混合物中组分1的逸度f
1
由下式
给出：f
1=50x
1
-80x
1
2+40x
1
3 MPa
式中，x1是组分1的摩尔分数。
在上述T、P下，试计算：（a）纯组分1的逸度f
1
；
（b）纯组分1的逸度系数∅
1
；
（c）组分1的亨利常数k
1
；
（d）作为x
1函数的活度系数r
1
的表达数；
（e）说明如何从f
1的表达式计算给定T、P条件下的f
2。
5.3 一种二元溶液由甲烷（CH
4
）和正戊烷组成。
在311K和28.44MPa时其压缩因子Z与甲烷摩尔分数的函数关系式列于下表：
XCH4 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
对于摩尔分数为60%甲烷和40%正戊烷的溶液，试计算各组分在311K和28.44MPa 时的偏摩尔体积。
第六章多组分系统的相平衡
6.1 有0.911g的CCl4融于50.00g苯中形成稀溶液，测得凝固点降低了0.603℃，
=5.12.
试计算CCl4的相对分子质量。
已知苯的凝固点降低常数K，
m
6.2 氯苯（1）与溴苯（2）所组成的溶液可认为是理想溶液。
136.7℃时纯氯苯的饱和蒸汽压为1.15×105Pa，而纯溴苯的为0.604×105Pa。
设蒸汽可视为理想气体。
（1）一溶液的成分为x
=0.600，试计算136.7℃时此溶液的蒸汽总压及气相
1
成分；
（2）在136.7℃时，如果气相中的两种物质的蒸汽压相等，求蒸汽总压及溶液的成分；
（3）一溶液的正常沸点为136.7℃，试计算此时液相和气相的成分。
第七章 特殊系统中的热力学问题
7-1 物体的绝热弹性变形一般都伴有温度变化，这种现象叫做热弹性效应。
试计算，在773K 下一工业纯铁试样的应力由0至103Mpa 时的定熵热弹性效应(σ∂∂T )S 及温度变化。
已知：线性膨胀系数a=16.8*10-5，定应力摩尔热容
)mol /(0.38K J C ⋅=σ。
7-2 设球形水滴与101.1⨯5Pa 和373K 的水蒸气处于平衡，试估计算水滴半径及水滴内的压力。
在373K 时，水的表面张力为0.0589m N ，摩尔容积为1.87⨯10-5m 3 /mol 。
373K 时水蒸气的压力为1.013×105Pa 。
7-3 设纯乙烷的大尺寸的整体液相压力为105Pa ，温度为270K 。
液体与其中半径为r 的微小蒸气泡处于平衡，试计算r 和气泡内的压力。
第八章低温下的热力学问题与热力学第三定律
8.1 用布里元方程求磁场强度为79500A/m、温度为0.05K时每千克硫酸钆的磁矩，若用居里方程来计算会出现多大误差？
8.2 试求0.1m3的锡（Sn）在3K时由超导态相转变至常态相的过程中潜热与熵的变化，并计算此时超导态与常态之间的摩尔热容差。
设转变曲线遵循抛物线规律。
第九章包含化学反应的系统
9.1 求298.15K时反应 4NH
3+5O
2
→4NO（g）+6H
2
O（g）
的标准反应自由焓。
9.2 已知298K时反应 C（s）+O
2（g）===CO
2
（g）（a）
CO（g）+O
2（g）===CO
2
（g）（b）
的标准反应自由焓分别为△G❉（a）-394400J、△G❉（b）=-257100J，试计算
298K时反应 C（s）+O
2
（g）===CO（g）（c）
的平衡常数K
p。