(完整word版)热力学统计物理-第四版-汪志诚-答案

热力学统计物理_第四版_汪志诚_课后答案1/111.1试求理想气体的体胀系数,压强系数和等温压缩系数。解：已知理想气体的物态方程为,pVnRT由此易得11,pVnRVTpVT11,VpnRpTpVT2111.TTVnRTVpVpp1.2证明任何一种具有两个独立参量,Tp的物质，其物态方程可由实验测得的体胀系数及等温压缩系数，根据下述积分求得：lnTV=αdTκdp如果11,TTp，试求物态方程。解：以,Tp为自变量，物质的物态方程为,,VVTp其全微分为.pTVVdVdTdpTp（1）全式除以V，有11.pTdVVVdTdpVVTVp根据体胀系数和等温压缩系数T的定义，可将上式改写为.TdVdTdpV（2）上式是以,Tp为自变量的完整微分，沿一任意的积分路线积分，有ln.TVdTdp（3）若11,TTp，式（3）可表为11ln.VdTdpTp（4）选择图示的积分路线，从00(,)Tp积分到0,Tp，再积分到（,Tp），相应地体积由0V最终变到V，有000ln=lnln,VTpVTp即000pVpVCTT（常量），或.pVCT(5)式（5）就是由所给11,TTp求得的物态方程。确定常量C需要进一步的实验数据。1.3简单固体和液体的体胀系数和等温压缩系数T数值都很小，在一定温度范围内可以把和T看作常量.试证明简单固体和液体的物态方程可近似为000(,),01.TVTpVTTTp解:以,Tp为状态参量，物质的物态方程为,.VVTp根据习题1.2式（2），有.TdVdTdpV（1）将上式沿习题1.2图所示的路线求线积分,在和T可以看作常量的情形下，有000ln,TVTTppV（2）或0000,,.TTTppVTpVTpe（3）考虑到和T的数值很小，将指数函数展开，准确到和T的线性项，有0000,,1.TVTpVTpTTpp（4）如果取00p，即有00,,01.TVTpVTTTp（5）热力学统计物理_第四版_汪志诚_课后答案2/111.7小匣题解：将冲入小匣的气体看作系统。系统冲入小匣后的内能U与其原来在大气中的内能0U由式（1.5.3）0UUWQ（1）确定。由于过程进行得很迅速，过程中系统与外界没有热量交换，0.Q过程中外界对系统所做的功可以分为1W和2W两部分来考虑。一方面，大气将系统压入小匣，使其在大气中的体积由0V变为零。由于小匣很小，在将气体压入小匣的过程中大气压强0p可以认为没有变化，即过程是等压的（但不是准静态的）。过程中大气对系统所做的功为1000.WpVpV另一方面，小匣既抽为真空，系统在冲入小匣的过程中不受外界阻力，与外界也就没有功交换，则20.W因此式（1）可表为000.UUpV（2）如果气体是理想气体，根据式（1.3.11）和（1.7.10），有00,pVnRT（3）000()()1VnRUUCTTTT（4）式中n是系统所含物质的量。代入式（2）即有0.TT（5）活门是在系统的压强达到0p时关上的，所以气体在小匣内的压强也可看作0p，其物态方程为00.pVnRT（6）与式（3）比较，知0.VV（7）1.8满足npVC的过程称为多方过程，其中常数n名为多方指数。试证明：理想气体在多方过程中的热容量nC为1nVnCCn解：根据式（1.6.1），多方过程中的热容量0lim.nTnnnQUVCpTTT（1）对于理想气体，内能U只是温度T的函数，,VnUCT所以.nVnVCCpT（2）将多方过程的过程方程式npVC与理想气体的物态方程联立，消去压强p可得11nTVC（常量）。（3）将上式微分，有12(1)0,nnVdTnVTdV所以.(1)nVVTnT（4）代入式（2），即得,(1)1nVVpVnCCCTnn(5)其中用了式（1.7.8）和（1.7.9）。1.9试证明：理想气体在某一过程中的热容量nC如果是常数，该过程一定是多方过程，多方指数npnVCCnCC。假设气体的定压热容量和定容热容量是常量。解：根据热力学第一定律，有đđ.dUQW（1）对于准静态过程有đ,WpdV对热力学统计物理_第四版_汪志诚_课后答案3/11理想气体有,VdUCdT气体在过程中吸收的热量为đ,nQCdT因此式（1）可表为().nVCCdTpdV（2）用理想气体的物态方程pVvRT除上式，并注意,pVCCvR可得()().nVpVdTdVCCCCTV（3）将理想气体的物态方程全式求微分，有.dpdVdTpVT（4）式（3）与式（4）联立，消去dTT，有()()0.nVnpdpdVCCCCpV（5）令npnVCCnCC，可将式（5）表为0.dpdVnpV（6）如果,pVCC和nC都是常量，将上式积分即得npVC（常量）。（7）式（7）表明，过程是多方过程。1.10声波在气体中的传播速度为sp假设气体是理想气体，其定压和定容热容量是常量，试证明气体单位质量的内能u和焓h可由声速及给出：21aauuhh200,-1其中00,uh为常量。解：根据式（1.8.9），声速a的平方为2v,ap（1）其中v是单位质量的气体体积。理想气体的物态方程可表为,mpVRTm式中m是气体的质量，m是气体的摩尔质量。对于单位质量的气体，有1v,pRTm（2）代入式（1）得2.aRTm（3）以,uh表示理想气体的比内能和比焓（单位质量的内能和焓）。由式（1.7.10）—（1.7.12）知0,1RTmumu0.1RTmhmh（4）将式（3）代入，即有20,(1)auu20.1ahh（5）式（5）表明，如果气体可以看作理想气体，测定气体中的声速和即可确定气体的比内能和比焓。1.11大气温度随高度降低的主要原因是在对流层中的低处与高处之间空气不断发生对流，由于气压随高度而降低，空气上升时膨胀，下降时收缩，空气的导热率很小，膨胀和收缩的过程可以认为是绝热过程，试计算大气温度随高度的变化率dTdz，并给出数值结果。解：取z轴沿竖直方向（向上）。以()pz和()pzdz分别表示在竖直高度为z和zdz处的大气压热力学统计物理_第四版_汪志诚_课后答案4/11强。二者之关等于两个高度之间由大气重量产生的压强，即()()(),pzpzdzzgdz（1）式中()z是高度为z处的大气密度，g是重力加速度。将()pzdz展开，有()()(),dpzdzpzpzdzdz代入式（1），得()().dpzzgdz（2）式（2）给出由于重力的存在导致的大气压强随高度的变化率。以m表大气的平均摩尔质量。在高度为z处，大气的摩尔体积为()mz，则物态方程为()(),()mpzRTzz（3）()Tz是竖直高度为z处的温度。代入式（2），消去()z得()().()dmgpzpzdzRTz(4）由式（1.8.6）易得气体在绝热过程中温度随压强的变化率为、1.STTpp（5）综合式（4）和式（5），有1().SdTdmgTzpzdzpdzR（6）大气的1.41（大气的主要成分是氮和氧，都是双原子分子），平均摩尔质量为3122910kgmol,9.8msmg，代入式（6）得110Kkm.dTzdz（7）式（7）表明，每升高1km，温度降低10K。这结果是粗略的。由于各种没有考虑的因素，实际每升高1km，大气温度降低6K左右。1.12假设理想气体的pVCC和之比是温度的函数，试求在准静态绝热过程中TV和的关系，该关系式中要用到一个函数FT，其表达式为ln()1dTFTT解：根据式（1.8.1），理想气体在准静态绝热过程中满足0.VCdTpdV用物态方程pVnRT除上式，第一项用nRT除，第二项用pV除，可得0.VCdTdVnRTV（2）利用式（1.7.8）和（1.7.9），,,pVpVCCnRCC可将式（2）改定为10.1dTdVTV（3）将上式积分，如果是温度的函数，定义1ln(),1dTFTT（4）可得1ln()lnFTVC（常量），(5)或()FTVC（常量）。（6）式（6）给出当是温度的函数时，理想气体在准静态绝热过程中T和V的关系。1.13利用上题的结果证明：当为温度的函数时，理想气体卡诺循环的效率仍为211.TT解：在是温度的函数的情形下，§1.9就理想气体卡诺循环得到的式（1.9.4）—（1.9.6）仍然成立，即仍有2111ln,VQRTV（1）3224ln,VQRTV（2）32121214lnln.VVWQQRTRTVV（3）热力学统计物理_第四版_汪志诚_课后答案5/11根据1.13题式（6），对于§1.9中的准静态绝热过程（二）和（四），有1223()(),FTVFTV（4）2411()(),FTVFTV（5）从这两个方程消去1()FT和2()FT，得3214,VVVV（6）故2121()ln,VWRTTV（7）所以在是温度的函数的情形下，理想气体卡诺循环的效率仍为2111.TWQT（8）1.14试根据热力学第二定律证明两条绝热线不能相交。解：假设在pV图中两条绝热线交于C点，如图所示。设想一等温线与两条绝热线分别交于A点和B点（因为等温线的斜率小于绝热线的斜率，这样的等温线总是存在的），则在循环过程ABCA中，系统在等温过程AB中从外界吸取热量Q，而在循环过程中对外做功W，其数值等于三条线所围面积（正值）。循环过程完成后，系统回到原来的状态。根据热力学第一定律，有WQ。这样一来，系统在上述循环过程中就从单一热源吸热并将之完全转变为功了，这违背了热力学第二定律的开尔文说法，是不可能的。因此两条绝热线不可能相交。1.15热机在循环中与多个热源交换热量，在热机从其中吸收热量的热源中，热源的最高温度为1T，在热机向其放出热量的热源中，热源的最低温度为2T，试根据克氏不等式证明，热机的效率不超过211.TT解：根据克劳修斯不等式（式（1.13.4）），有0,iiiQT（1）式中iQ是热机从温度为iT的热源吸取的热量（吸热iQ为正，放热iQ为负）。将热量重新定义，可将式（1）改写为0,jkjkjkQQTT（2）式中jQ是热机从热源jT吸取的热量，kQ是热机在热源kT放出的热量，jQ，kQ恒正。将式（2）改写为.jkjkjkQQTT（3）假设热机从其中吸取热量的热源中，热源的最高温度为1T，在热机向其放出热量的热源中，热源的最低温度为2T，必有121,1,jjjjjkkkkkQQTTQQTT故由式（3）得1211.jkjkQQTT（4）定义1jjQQ为热机在过程中吸取的总热量，2kkQQ为热机放出的总热量，则式（4）可表为1212,QQTT（5）或2211.TQTQ（6）根据热力学第热力学统计物理_第四版_汪志诚_课后答案6/11一定律，热机在循环过程中所做的功为12.WQQ热机的效率为221111.QTWQQT（7）1.16理想气体分别经等压过程和等容过程，温