《物理化学》课后习题答案(天津大学第四版)..

习题及答案天津大学物理化学教研组编王正烈周亚平李松林刘俊吉修订高等教育出版社本演示文稿可能包含观众讨论和即席反应。使用PowerPoint可以跟踪演示时的即席反应，•在幻灯片放映中，右键单击鼠标•请选择“会议记录”•选择“即席反应”选项卡•必要时输入即席反应•单击“确定”撤消此框此动作将自动在演示文稿末尾创建一张即席反应幻灯片，包括您的观点。面向21世纪课程教材物理化学（第四版）青海民族学院（化学系）第二章热力学第一定律2.5始态为25°C，200kPa的5mol某理想气体，经途径a，b两不同途径到达相同的末态。途经a先经绝热膨胀到-28.47°C，100kPa，步骤的功Wa=-5.57KJ,再恒容加热到压力200kPa的末态，步骤的热Qa=25.42KJ。途径b为恒压加热过程。求途径b的Wb及Qb。解：先确定系统的始、末态对于途径b，其功为根据热力学第一定律2.64mol的某理想气体，温度升高20°C，求∆H-∆U的值。解：根据焓的定义H=U+PV∆H-∆U=∆(PV)PV=nRT∆H-∆U=∆(nRT)=nR∆T=4╳8.314╳20=665.12J2.102mol某理想气体，Cp,m=7R/2。由始态100kPa，50dm3，先恒容加热使压力体积增大到150dm3，再恒压冷却使体积缩小至25dm3。求整个过程的W,Q,∆H,∆U.解：过程图示如下由于P1V1=P3V3，则T3=T1，对有理想气体∆H和∆U只是温度的函数∆H=∆U=0该途径只涉及恒容和恒压过程，因此计算功是方便的根据热力学第一定律:Q=∆U-W=0-5.00=-5.00KJ2.13已知20°C液态乙醇(C2H5OH,l)的体膨胀系数等温压缩率,密度，摩尔定压热容。求20°C，液态乙醇的。解：由热力学第二定律可以证明，定压摩尔热容和定容摩尔热容有以下关系2.14容积为27m3的绝热容器中有一小加热器件，器壁上有一小孔与100kPa的大气相通，以维持容器内空气的压力恒定。今利用加热器件使器内的空气由0°C加热至20°C，问需供给容器内的空气多少热量。已知空气的假设空气为理想气体，加热过程中容器内空气的温度均匀。解：在该问题中，容器内的空气的压力恒定，但物质量随温度而改变注：在上述问题中不能应用，虽然容器的体积恒定。这是因为，从小孔中排出去的空气要对环境作功。所作功计算如下：在温度T时，升高系统温度dT，排出容器的空气的物质量为所作功这正等于用和所计算热量之差.2.15容积为0.1m3的恒容密闭容器中有一绝热隔板，其两侧分别为0°C，4mol的Ar(g)及150°C，2mol的Cu(s)。现将隔板撤掉，整个系统达到热平衡，求末态温度t及过程的∆H。已知：Ar(g)和Cu(s)的摩尔定压热容分别为且假设均不随温度而变。解：图示如下假设：绝热壁与铜块紧密接触，且铜块的体积随温度的变化可忽略不计，则该过程可看作恒容过程，因此假设气体可看作理想气体则：2.16水煤气发生炉出口的水煤气的温度是1100°C，其中CO(g)和H2(g)的摩尔分数均为0.5。若每小时有300kg的水煤气由1100°C冷却到100°C，并用所收回的热来加热水，是水温由25°C升高到75°C。求每小时生产热水的质量。CO(g)和H2(g)的摩尔定压热容与温度的函数关系查本书附录，水的比定压热容。解：300kg的水煤气中CO(g)和H2(g)的物质量分别为300kg的水煤气由1100°C冷却到100°C所放热量设生产热水的质量为m，则2.18单原子理想气体A于双原子理想气体B的混合物共5mol，摩尔分数，始态温度，压力。今该混合气体绝热反抗恒外压膨胀到平衡态。求末态温度及过程的解：过程图示如下分析：因为是绝热过程，过程热力学能的变化等于系统与环境间以功的形势所交换的能量。因此，单原子分子，双原子分子由于对理想气体U和H均只是温度的函数，所以2.19在一带活塞的绝热容器中有一绝热隔板，隔板的两侧分别为2mol，0°C的单原子理想气体A及5mol，100°C的双原子理想气体B，两气体的压力均为100kPa。活塞外的压力维持在100kPa不变。今将容器内的隔板撤去，使两种气体混合达到平衡态。求末态的温度T及过程的。假定将绝热隔板换为导热隔板，达热平衡后，再移去隔板使其混合，则由于外压恒定，求功是方便的解：过程图示如下：由于汽缸为绝热，因此2.20在一带活塞的绝热容器中有一固定的绝热隔板。隔板靠活塞一侧为2mol，0°C的单原子理想气体A，压力与恒定的环境压力相等；隔板的另一侧为6mol，100°C的双原子理想气体B，其体积恒定。今将绝热隔板的绝热层去掉使之变成导热板，求系统达平衡时的T及过程的。解：过程图示如下显然，在过程中A为恒压，而B为恒容，因此同上题，先求功同样，由于汽缸绝热，根据热力学第一定律2.235mol双原子气体从始态300K，200kPa，先恒温可逆膨胀到压力为50kPa，在绝热可逆压缩到末态压力200kPa。求末态温度T及整个过程的及。解：过程图示如下要确定，只需对第二步应用绝热状态方程对双原子气体因此由于理想气体的U和H只是温度的函数，整个过程由于第二步为绝热，计算热是方便的。而第一步为恒温可逆2.24求证在理想气体p-V图上任一点处，绝热可逆线的斜率的绝对值大于恒温可逆线的绝对值。证明：根据理想气体绝热方程，因此绝热线在处的斜率为恒温线在处的斜率为由于，因此绝热可逆线的斜率的绝对值大于恒温可逆线的绝对值。2.25一水平放置的绝热恒容的圆筒中装有无摩擦的绝热理想活塞，活塞左、右两侧分别为50dm3的单原子理想气体A和50dm3的双原子理想气体B。两气体均为0°C，100kPa。A气体内部有一体积和热容均可忽略的电热丝。现在经过通电缓慢加热左侧气体A，使推动活塞压缩右侧气体B到最终压力增至200kPa。求：（1）气体B的末态温度。（2）气体B得到的功。（3）气体A的末态温度。（4）气体A从电热丝得到的热。解：过程图示如下由于加热缓慢，B可看作经历了一个绝热可逆过程，因此功用热力学第一定律求解气体A的末态温度可用理想气体状态方程直接求解，将A与B的看作整体，W=0，因此2.25在带活塞的绝热容器中有4.25mol的某固态物质A及5mol某单原子理想气体B，物质A的。始态温度，压力。今以气体B为系统，求经可逆膨胀到时，系统的及过程的。解：过程图示如下将A和B共同看作系统，则该过程为绝热可逆过程。作以下假设（1）固体B的体积不随温度变化；（2）对固体B，则从而对于气体B2.26已知水（H2O,l）在100°C的饱和蒸气压，在此温度、压力下水的摩尔蒸发焓。求在在100°C，101.325kPa下使1kg水蒸气全部凝结成液体水时的。设水蒸气适用理想气体状态方程式。解：该过程为可逆相变2.28已知100kPa下冰的熔点为0°C，此时冰的比熔化焓热J·g-1.水的平均定压热容。求在绝热容器内向1kg50°C的水中投入0.1kg0°C的冰后，系统末态的温度。计算时不考虑容器的热容。解：经粗略估算可知，系统的末态温度T应该高于0°C,因此2.29已知100kPa下冰的熔点为0°C，此时冰的比熔化焓热J·g-1.水和冰的平均定压热容分别为及。今在绝热容器内向1kg50°C的水中投入0.8kg温度-20°C的冰。求：（1）末态的温度。（2）末态水和冰的质量。解：1kg50°C的水降温致0°C时放热0.8kg-20°C的冰升温致0°C时所吸热完全融化则需热因此，只有部分冰熔化。所以系统末态的温度为0°C。设有g的冰熔化，则有系统冰和水的质量分别为2.30蒸汽锅炉中连续不断地注入20°C的水，将其加热并蒸发成180°C，饱和蒸汽压为1.003MPa的水蒸气。求生产1kg水蒸气所需要的热量。已知：水在100°C的摩尔蒸发焓，水的平均摩尔定压热容，水蒸气的摩尔定压热容与温度的函数关系见附录。解：将过程看作是恒压过程（），系统的初态和末态分别为和。插入平衡相变点，并将蒸汽看作理想气体，则过程的焓变为注：压力对凝聚相焓变的影响可忽略，而理想气体的焓变与压力无关查表知因此，2.31100kPa下，冰（H2O,s）的熔点为0°C。在此条件下冰的摩尔融化热。已知在-10°C~0°C范围内过冷水（H2O,l）和冰的摩尔定压热容分别为和。求在常压及-10°C下过冷水结冰的摩尔凝固焓。解：过程图示如下平衡相变点，因此2.3325°C下，密闭恒容的容器中有10g固体奈C10H8(s)在过量的O2(g)中完全燃烧成CO2(g)和H2O(l)。过程放热401.727kJ。求(1)（2）的；（3）的；解：（1）C10H8的分子量M=128.174，反应进程。（2）。(3)2.34应用附录中有关物资在25°C的标准摩尔生成焓的数据，计算下列反应在25°C时的及。（1）（2）（3）解：查表知NH3(g)NO(g)H2O(g)H2O(l)-46.1190.25-241.818-285.830NO2(g)HNO3(l)Fe2O3(s)CO(g)33.18-174.10-824.2-110.525解：查表知(1)(2)(3)2.35应用附录中有关物资的热化学数据，计算25°C时反应的标准摩尔反应焓，要求：(1)应用25°C的标准摩尔生成焓数据；(2)应用25°C的标准摩尔燃烧焓数据。解：查表知Compound-238.66-726.5100-379.07-979.5-285.830因此，由标准摩尔生成焓由标准摩尔燃烧焓2.37已知25°C甲酸甲脂（HCOOCH3,l）的标准摩尔燃烧焓为，甲酸（HCOOH,l）、甲醇（CH3OH,l）、水（H2O,l）及二氧化碳（CO2,g）的标准摩尔生成焓分别为、、及。应用这些数据求25°C时下列反应的标准摩尔反应焓。解：显然要求出甲酸甲脂（HCOOCH3,l）的标准摩尔生成焓2.39对于化学反应应用附录中4种物资在25°C时的标准摩尔生成焓数据及摩尔定压热容与温度的函数关系式：（1）将表示成温度的函数关系式（2）求该反应在1000°C时的。解：与温度的关系用Kirchhoff公式表示(见下页)因此，1000K时，2.40甲烷与过量50%的空气混合，为使恒压燃烧的最高温度能达到2000°C，求燃烧前混合气体应预热到多少摄氏度。物资的标准摩尔生成焓数据见附录。空气组成按，计算。各物资的平均摩尔定压热容分别为：；；；；。解：燃烧为恒压绝热过程。化学反应式设计途径如下在下甲烷燃烧的摩尔反应热为，则可由表出（Kirchhoff公式）设甲烷的物质量为1mol，则，，，最后得到第三章热力学第二定律3.1卡诺热机在的高温热源和的低温热源间工作。求（1）热机效率；（2）当向环境作功时，系统从高温热源吸收的热及向低温热源放出的热。解：卡诺热机的效率为根据定义3.5高温热源温度，低温热源。今有120kJ的热直接从高温热源传给低温热源，求此过程的。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不同的热机中作于的高温热源及的低温热源之间。求下列三种情况下，当热机从高温热源吸热时，两热源的总熵变。（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。今有1kg，10°C的水经下列三种不同过程加热成100°C的水，求过程的。（1）系统与100°C的热源接触。（2）系统先与55°C的热源接触至热平衡，再与100°C的热源接触。（3）系统先与40°C，70°C的热源接触至热平衡，再与100°C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3.8已知氮（N2,g）的摩尔定压热容与温度的函数关系为将始态为300K，100kPa下1mol的N2(g)置于1000K的热源中，求下列过程（1）经恒压过程；（2）经恒容过程达到平衡态时的。解：在恒压的情况下在恒容情况下，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3.9始态为，的某双原子理