第二章往复式压缩机热力学基础
1.教学目标
1.掌握理想气体状态方程式和热力学过程方程式。
2.了解压缩机的工作循环。
3.理解压缩机的排气量及其影响因素。
4.掌握压缩机的功率和效率的计算。
5.了解压缩机的多级压缩过程。
2.教学重点和难点
1.理想气体状态方程式和热力学过程方程式。
2.压缩机的工作循环。
3.压缩机的功率和效率的计算。
3.讲授方法
多媒体教学
正文
2.1 理想气体状态方程式和热力过程方程式：
2.1.1 理想气体的热力状态及其状态参数
压缩机运转时，汽缸内气体的热力参数状态总是周期不断的变化，所以要研究压缩机的工作，首先就得解决如何定量描述气体的状态以及如何确定状态变化的过程。实际上，这也是研究气体热力学必须首先解决的问题。气体在各种不同热力状态下的特性，一般都是通过气体状态参数来说明。
2.1.1.1基本热力状态参数
1.温度在热力学中采用绝对温标°K为单位。绝对温标以纯水三相点的绝对温度273.16°K（计算时取273°K）作为基准，只有绝对温度才是气体的状态参数，与常用的摄氏百度温标℃应加以区别。
2.压力在热力学中规定绝对压力为状态参数，与一般的表压力应加区别。
3.比容比容是指每单位重量气体所占有的容积，以v表示。比容的倒数称为重度，以γ表示。
2.1.1.2 导出状态参数
1.内能气体的内能与温度及比容间存在一定的函数关系。当忽略气体分子间的作用力和气体分子本身所占有的体积时，内能可认为是温度的单值函数。内能一般用u表示。
2.焓为了便于计算，有时把一些经常同时出现的状态参数并在一起构成一个新的状态参数。例如在流动系统中，常把内能u和压力p、比容v的乘积pv 相加组成一个新的状态参数i，称为“焓”。即：
i=u+Apv , kcal/kg
式中u------内能，kcal/kg;
p------压力，kgf/cm2
v------比容，m3/kg
A------功热当量，A=1/427kcal/kg f·m
3.熵熵也是导出状态参数，根据热力学第二定律，对于可逆过程的熵变，与温度及过程进行时的热量交换有关，其关系式为：
dq=Tds.kcal/kg
式中q---单位重量气体与外界交换的热量，kcal/kg;
T---交换热量时的瞬时绝对温度，°K
s-----单位质量气体的熵值，kcal/kg·°K
2.1.2理想气体状态方程式
所谓理想气体时不考虑气体分子之间的作用力和分子本身所占有的体积的气体，实际上自然界中并不存在真正的理想气体，不过当气体压力远低于临界压力，温度远高于临界温度的时候，都相当符合理想气体的假定。
对于1kg气体而言，理想气体的压力、比容和温度之间的关系为：
pv=RT (2-1) 式中p-----理想气体的绝对压力，kgf/m3;
v-----理想气体的比容，m3/kg;
T-----理想气体的绝对温度，°K；
R----气体常数，kgf·m/kg·°K。
对于G(kg)气体，若其总体积为V(V=G·v),其关系式为：
Pv=GRT (2-2) 式2-1及式2-2即为理想气体状态方程式。
2.1.3 理想混合气体
压缩机中的气体往往是由若干不同的气体所组成的混合气体，若个组分气体均为理想气体，则其混合气体也可认为是理想气体。这是凡是用于理想气体的褚定律对混合气体也适用。
根据道尔顿定律，在同一温度下，混合气体的总压力P 等于各组分气体的分压力P X 之和，即：
p=p 1+p 2+p 3+…+p n
若把理想气体状态方程式应用与理想混合气体，必须先求得理想混合气体常数R ，为此必须知道混合气体的组成。表达混合气体组分的方法有两种，即重量成分法和体积成分法。（略）
2.1.4 基本热力过程
热力计算是往复式压缩机设计中重要的一环，是其他设计计算的基础和前提。热力计算包括一般常规热力学计算和复算性热力学计算两部分。如果遇到工况有较大改变，进而使压缩机的级问压力、温度—— 以至压缩机的功率、排气量等发生很大变化时，就必须进行复算性热力学计算；对于用现成压缩机来压缩非原定气体或非原额定工况的情况，也应进行复算性热力学计算；同时在压缩机设计性热力学计算中由于气缸直径圆整也必须进行复算性热力学计算。对于往复式压缩机的变工况复算的传统计算方法，计算方法误差较大，复算次数多，下面拟从各级吸气压力修正式及迭代步骤两个方面对传统的基本算法提出如下改进：
1．各级吸气压力修正式的改进： 分析传统的计算式：
hx
V
h V s p sx k p 11
= (1)
X
K C X K C
K C SX K P X K C K C sx k p sx k p 21)11(2
1+=+=+ (2)
可知，这实际上是用C
1
K 和C
X
K 的算术平均值与C
X
K 的比值来修正各级吸气
压力，亦即将C
1
K 和C
X
K 对以后迭代运算的影响予以平均看待，这显然不尽合理。
为加快复算的收敛速度，减少复算次数，现改用C 1
K 和C
X
K 的加权平均值与C
X
K 的
比值来修正各级吸气压力，即：
X
K C X
K
C
K C
SX
K P
SX K P )21(2111ωωωω++=+ (3) 若取ω2=1-ω1，则
X
K C X
K
C K C
SX
K
P SX K P
2111ωω+=+ (4)
经过l0例变工况计算，发现根据各例第一次复算所得11
C 与2
2
C 的比值
（11
/21C C ）来确定权值叫ω1，在满足精度B>0．97～0．98的条件下进行计算
时，具有最少的复算次数。权值ω1与（1
1
/21C C ）的关系可将其拟合为如下线性
方程：
ω1=0.01+0.72（1
1
/21C C ） （5）
2．迭代过程的改进
在以往典型的变工况复算过程中：在修正了各级吸气压力Psx 后，再计算各级的压力比ε
X 及容积系数λVX 最后根据λ
LX
计算各级常数C X ，从而完成一轮迭
代。这种迭代过程类似解线性方程组的简单迭代法。现提出如下改进：在第K+1次复算中,当第二级吸气压力按式(3)修正后，不是接着由同一式子修正以后各级
吸气压力，而是根据修正后的2
1S K P +计算ε11+K 、11V K +λ及C 11
+K ，然后再
由C 11
+K 来修正1
1S K P +，
X
K
C
X
K
C K C
S
K P S K P 2111331
ωω++=+ (6) 并计算ε
2
1+K 、2
1V K +λ
及C
2
1+K …。余下各级的吸气压力均由C
1
1+K 予
以修正，并重复以上计算步骤，直到算出C 1
1-+Z K ,C
Z
K 1
+ (z 为压缩机末级的级数)，从而完成一轮迭代。当按式
hX
V
SX
SX
T
S P
OX
S S T
SX P VX
X C ε
μ
ελ??????=
1
11
(7)
逐次进行复算使各级c 值趋近max
1
/min 1++=K C
K C
B =0．97～0．98时，就说明所取级间压力等参数是合理的，即可保持新工况的稳定。这种迭代过程类似解线性方程组中的异步迭代法。通过后面的实例计算可以证明，此迭代方法与前一种方法在一轮迭代中计算量相同，但却具有更快的收敛速度和更高的计算精度。
3．改进后的复算步骤
综上所述，改进后的变工况复算步骤可归纳如下： (1)初步确定各级吸气压力
),,3,2,1(/h1V 11
z X hX
V S P SX P
=?= (2)根据SX
P 1计算各级X
C VX X 1,1,1λε。
(3)由1
1
/21C C 值按式(3)、 (4)确定权ω1,ω2。
(4) 令 K=l ， 计算2
2
2112
2
1
K
C
K
C K
C S
K P S
K P ωω+=+ ， 并根据P 21S K + 计算
11
,1
1,1+++K C
V K X K λε 。 (5)计算X
K C X K
C K C SX
K P
21111ωω+++，并根据
SX
K P
1+计算
1111,11-+-+-+X K C X K X K 及λε
(当 X=Z 时，则还应计算VZ K Z K 1,1++λ
ε及C Z
K 1
+； (6)计算B=max
1/min
1++K C
K C
，当B=0．97 ～0．98时，结束计算。否则，
K=K+1返回到4，直到最后B>0．97～0．98为止。式中，SX
K P SX K P SX P
1
1+、、是第1次、第K 次和第K+1次复算时任意级的吸气压力，单位为MPa ；X
K C
K C
、1是第K 次复算时第一级和第x 级的常数；V hx 是第x 级(任意级，下同)的行程容积，单位为m 3/min ；λvx 是第X 级的容积系数；μox 是第X 级的抽气系数；P S1、P SX 是第1级和第X 级的名义吸气压力，单位为MPa ；T s1、T sx ,第1级和第X 级的名义吸气温度；εs1
、ε
sx
是第1级和第X 级名义吸气状态下的可压缩性
系数(对理想气体或ε
s1
=ε
sx
=1)。
当按式hX
V
SX
SX
T
S P
OX
S S T
SX
P
X
C
ε
μ
ε
λ??????=
1
11
逐次进行复算，使各级C 值趋近
B=min
1/min
1++K C
K C
=0．97～0．98时，说明所取级级间压力等参数是合理的，即
可保持新工况的稳定。复算程序实现：算出各级级间压力→压力比→容积系数→循环系数，直到计算循环系数小于0．97。
4. 动力计算部分
压缩机动力计算的目的是：求取施加在各零部件上的作用力——气体力、最大往复惯性力和综合活塞力等，为以后强度验算及基础设计等提供计算数据。压缩机曲柄连杆机构受力分析在对压缩机进行受力分析时，需要得到的作用于曲柄连杆机构上的力主要有以下几种：
(1)活塞力 F p =F g +F j +F m 。单位为N 。
(2)连杆力F h=F p ksinA (12K2sin2A)0.5。单位为N。
(3)侧向力F c=F p(1一k2sin2A)0. 5。单位为N。
(4)切向力T=F p[sinA+cosAksinA (1一k2sin2A)]。单位为N。
(5)法向力z= F p [cosA —ksinA (1一k2sin2A)]。单位为N。
另外，压缩机的总切向力等于同一曲轴位置上各缸切向力加上压缩机的切向摩擦力的总和，其计算公式为：
(6)对于单缸压缩机TΣ=T+T mr。单位为N。
(7)对于多缸压缩机TΣ=ΣT+T mr。单位为N。
(8)最大往复惯性力I max=m p rA2(1+k)。
通过选择机器型式、气缸型式及输入各气缸的参数，计算出各列活塞力以及切向力、法向力等。
2.2. 压缩机的工作循环
压缩机的工作状况往往通过它的工作循环来判断。所谓工作循环是指活塞在气缸内往复一次（相当于主轴转一圈，压缩机工作一循环），气体经一系列状态
变化又恢复到原始状态，其间所经历全部历经的综合。
2.2.1理论压缩循环
为了由浅入深的说明问题，我们先对实际情况作如下的简化和假设：
1.活塞从左止点开始运动时，缸内容积从零开始变化。
2.工作时缸内气体没有泄漏损失。
3.气体经、出缸内气体压力保持不变。即气体流经吸、排气阀时不计压力损失。
4. 气体经、出缸内气体温度保持不变。这种经理想化了的工作循环成为理论压缩循环。
压缩机中常见的压缩过程有等温、绝热及多变过程。这样在理论压缩循环中相应的有等温、绝热及多变三种理论压缩循环。
2.2.2实际压缩循环
实际压缩循环是由吸气、压缩、排气和膨胀四个过程所组成，他与理论循环的区别是：
1..由于余隙容积V0的存在,使得实际处理气体的有效容积和总是小于气缸的行程容积V h，使吸气量减少了△V′.
2.由于在实际循环中存在着吸、排气阀等的压力损失，使得缸内的实际排气
压力总大于P
2，而实际吸气压力总小于P
1
。即缸内的实际压力比总大于名义压力
比，
3.由于压力比的不同，在同样排气量的条件下，一方面是实际压缩循环所消耗的功量大于理论循环所消耗的功量；另一方面又是气体实际排除温度Td大于理论循环的排气温度。
4.由于实际情况复杂，在整个膨胀和压缩过程中，多变指数并非定值。工程上，常对实际压缩过程和膨胀过程作必要的简化。简化方法有以下两种方法：等端点法和等功法。
5.由于受热交换的影响，使吸气温度发生变化，因为也影响汽缸吸气能力。
6.此外，在实际循环中还存在气体的泄漏损失，它不但使机器的排气量减少，而且还造成功率上的损失。
2.3. 压缩机的排气量及其影响因素
排气量是压缩机的重要性能参数之一。它不但是工艺生产上的重要指标，而且也是确定机器驱动功率以及机器参数、结构型式和尺寸的重要依据。所谓排气量通常是指单位时间内，压缩机排出的气体经换算到最初吸气状态下的气体体积量。
2.3.1压缩机的实际吸气量
由于各种因素的影响，实际压缩循环中所能吸收的气量V s比理论循环吸气量V sl小，即：V s=λs V sl=λs V h
式中λs ----吸气系数，它表明实际吸气量与理论吸气量之间的差距程度，λs 总小于1。
吸气系数λs包括容积系数λv、压力系数λp和温度系数λT,下面分别讨论。
2.3.1.1容积系数λv
按照等端点多变膨胀过程的原则可得
λv =1-a(ε1/m-1)
式中a---------相对余隙容积，a=V0/V h；
ε、m----名义压力比和膨胀过程多变指数；
λv--------容积系数。从该式可看出，影响λv 的主要因素是a、ε及m值。
2.3.1.2压力系数λp和温度系数λT
影响λp的主要因素是吸气阀的弹簧力与吸气管中的压力波动。λT的取值一般与压力比ε、转速n、气缸冷却速度、气阀布置方式以及气体性质等因素有关。
综合以上三方面的影响因素，可知压缩机的实际吸气量为
V s=λs V h=λpλvλTλh
式中λp、λv、λT-------该级缸的压力系数、容积系数、温度系数；
V h-------每转内的气缸行程溶剂，m3；
V s -------每转内实际吸气量，m3。
2.3.2压缩机的排气量
2.3.2.1 排气量影响因素
由于实际压缩机存在气体泄漏,所以排气量一定少于进气量,单级压缩机的排气量被定义为压缩机排出的气体容积流量换算成压缩机进气状态下的气体容积流量,以V d 表示,
定义泄漏系数:
λl =V d V s
参照式(11) ,排气量V d
T K
S
P
d P
S V
d V 1
][?=
结合行程容积V h ,
V d = V h ·λv ·λT ·λl ·λp
所以排气量计算式为：Q = V h ·λv ·λT ·λl ·λp ·n
式中, n 为曲轴转速, r/ min ;V h 为行程容积,m 3 ;λv 为容积系数;λT 为温度系数;λ
l
为泄漏系数;λ
p
为压力系数。
由上式可看出,排气量与容积系数、温度系数、泄漏系数和压力系数、每级的汽缸行程容积及压缩机转速有关。
2.3.2.2 容积系数(容积效率)λv
容积效率习惯又称为容积系数λv ,它主要是用于表征气缸行程容积利用程度的一个系数,定义余隙容积为V c ,由实际气体的过程方程得
T m
P
P Z
Z
C V
V C V 1
]1
2[2
1=?+
令压缩比h
V
C V S
P
d P
=
=
αε,由容积系数的定义可得,
]12
1[
11--=?-=
T
m Z
Z
h
V V
h V V
ε
αλ
相对余隙α的大小很大程度上取决于气阀在气缸上的布置方式,气阀的结构形式和压缩的级次以及同一级次气缸行程与直径之比等,一般α值在下列范围内:低压级α= 0.07～0.12 ,中压级α= 0.09～0.12 ,高压级α= 0 .11～0.16 。一般情况下,气阀布置在缸盖上α值较小,而径向布置在缸壁上的α值则较大;采用直流阀比使用环状阀和网状阀的α值大,使用组合阀(进、排气阀组合成一个整体) 的α值相对最大,高速压缩机,α值高达0.15～0.18 。
压力比ε当α和m 一定时,压力比ε高, 则λv 减少,使进气量减少。当大到某值时,甚至会出现进气量为零的极限,此时压力比称为极限压力εmax
。压力比
过大,会使气缸容积利用率降低,还会使气温度过高,所以ε一般远小于εmax
,一
般单级最大压比不超过3～4 。
膨胀指数m T 的大小除与气体性质有关外,主要取决于余隙气体在膨胀过程中与气缸壁热交换的情况。当气体损失热量多时, m T 较小,λv 较小;高压级气缸的热交换面积远小于低压级气缸,所以气缸与外界的热交换远不如低级压充分,
2.3.2.3 压力系数λp
气体经过进气阀需克服气阀弹簧力、气阀通道阻力等,故进入气缸后压力下降。在同一进气容积下,气体压力愈低,则其中的气体质量愈小,因而对进气过程来说,进气时压力下降,等于损失了进气量。所以可以认为压力系数λp= ps/pd 表示由于压力降低使进气量减小的程度,按经验,λp = 0.95 ～0.98[4] ,多级压缩机,其级次愈高,λp 将愈大, Ⅲ级以后λp →1 。
2.3.2.4 温度系数λT
温度系数表示进入气缸的气体由于吸热体积膨胀而使进气量减少的程度, λ
T
的大小取决于气体吸热的多少,吸收量愈多,λT 愈小,具体的λT 确定可由相
关图表查取, 一般为双原子气体λT = 0. 9 ～0. 95 。
2.3.2.5 泄漏系数λl
对于单级压缩机来说,产生气体泄漏的部位主要有3 处:填料函泄漏、气阀泄漏、气缸内活塞泄漏。泄漏系数
∑+=
i
V 111
λ
式中νi 为气缸中各泄漏点的相对泄漏值,可按有关图表查取。综上所述,如要增加排气量,则可采取以下措施:a.增加压缩机转速; b.增大气缸直径,提高行程容积;c.减少余隙容积; d.改善气缸冷却状况,或降低进气温度。
2.3.2.6排气温度
由式可得,排气温度计算公式如下,
T
T K K S
D s d P P T T 1
][+=
2.4压缩机的功率和效率
2.4.1压缩机的指示功率
2.4.1.1 实际气体的压缩性系数Z
由于实际气体与理想气体的差异,原简单的理想气体状态方程已不能正确反映实际气体的状态描述,针对于实际气体的热力状态方程,主要有二大体系,即范德瓦尔方程和维里方程,但工程上最常用的还是以简单的系数来修正理想气体状态方程,而得到实际气体状态方程即:
p ·V = Z ·R ·T
Z 即为压缩性系数, 表征实际气体偏离理想气体的程度, Z 值可通过相关气体特性曲线中查得。
2.4.1.2 实际气体的等熵过程
实际气体等熵过程中温度与压力的关系式为
T
T K K P P T T 1
1
1][+=
指数K T 反映实际气体压缩后压力与温度的关系,称为温度等熵指数。K T 受温度和压力的影响相对较小,故常取K T 来求得排气量和指示功率。
2.4.1.3 实际气体指示功率
(1) 理论气体压缩循环如果假设: ①排气终了时气体全部被活塞排出气缸; ②进、排气过程中气体状态与进排气管内相同; ③气体压缩的过程指数为一定值; ④气缸无气体泄漏。则理论压缩循环示于压—容图,见下图。
进气过程中,气体对活塞所作的功为:p 1V 1 = 面积144′1′1 压缩过程中,活塞对气体作功为:
1'1'1222
面积-=??dV P
排气过程中,活塞对气体所作的功为:- p 2V 2=-面积234′2′2 整个理论压缩循环功为三者代数和
?-?+
=2
2
2
11V
P dV P V P L
故有,
?=--=VdP L 2
)12341(
(2) 实际气体压缩循环
考虑实际气体压缩过程中的余隙气体的存在、气阀阻力、热交换及气体泄漏的影响,其压缩循环压一容图如图2 所示。图3 为图2 等功简化图。
从图2 、图3 可见,实际气体的实际压缩循环功为:
????-????+-??
?+=?-?=dP
P Z P V V Z dP P Z P V V Z dP V dP V L T
T
T
T
K K
A K K
S H 1
3
10412
1
01
3
2
')(1)(1 近似取Z = Z ′=（Z 1 + Z 2）/2,代入上式得:
1
2
1
12]1)[(1Z Z Z P P P V K K L T
T K K S d S S T T i +?-???-=- 式中Z 1、Z 2取名义进出气状态下的压缩性系数,则指示功率为: N i =L ·n/60 式中n 为曲轴转速;一般情况下,特别是双原子气体, KT 可由K 值代替, K 可按以下取值:(1) 单原子气体: K = 1. 66～1. 67 ; (2) 双原子气体: K = 1 . 40～1. 41 ;(3) 多原子气体: K = 1. 1～1. 30 。
综合可得:
1
21
12]1)[(160Z Z Z P P P V K K n
N T
t K k s d S S T T m Z +?-???-??=-=
η 2.4.2压缩机的效率
压缩机的效率是衡量机器经济性的重要指标。工程上为了便于比较，常取理论循环所消耗的功率作为衡量实际压缩循环的基准。效率用来衡量实际循环与理论循环之间的差距程度。典型的理论循环有等温理论压缩循环和绝热理论压缩循
环。
2.5多级压缩
3.5.1采用多级压缩的原因
单级压缩机所能提高的压力范围十分有限，对于需要更高压力的场合，用单级压缩是根本不可能达到的，必须采用多级压缩。采用多级压缩的优点如下：
1.降低排气温度；
2.节省功率消耗；
3.降低最大活塞力；
4.提高容积系数。
2.5.2级数选择和各级压力比的分配
选择级数的一般原则是：保证运转可靠、功量消耗要小、结构简单、易于维修以及重量轻等。级数确定后，各级压力比还应合理分配，以达到压缩机的功耗为最小。
2.5.3各级气缸行程容积及直径的确定（略）
2.5.4多级压缩的功率
多级压缩的总指示功率应等于各级指示功率之和。
第二章热力学第一定律 思考题 1设有一电炉丝浸于水中，接上电源，通过电流一段时间。如果按下列几种情况作为系统，试问 A U ， Q，W为正为负还是为零？ (1) 以电炉丝为系统； (2 )以电炉丝和水为系统； (3)以电炉丝、水、电源及其它一切有影响的部分为系统。 2设有一装置如图所示，(1)将隔板抽去以后，以空气为系统时，AJ, Q, W为正为负还是为零？(2) 如右方小室亦有空气，不过压力较左方小，将隔板抽去以后，以所有空气为系统时，A U, Q , W为正为负还是为零？ 作业题 1 (1)如果一系统从环境接受了160J的功，内能增加了200J，试问系统将吸收或是放出多少热？(2)一系统在膨胀过程中，对环境做了10 540J的功，同时吸收了27 110J的热，试问系统的内能变化为若干？ [答案：⑴吸收40J; (2) 16 570J] 2在一礼堂中有950人在开会，每个人平均每小时向周围散发出4. 2xl05J的热量，如果以礼堂中的 空气和椅子等为系统，则在开会时的开始20分钟内系统内能增加了多少？如果以礼堂中的空气、人和其它所有的东西为系统，则其AU = ? [答案:1.3 M08J;0] 3 一蓄电池其端电压为12V,在输出电流为10A下工作2小时，这时蓄电池的内能减少了 1 265 000J,试求算此过程中蓄电池将吸收还是放岀多少热？ [答案：放热401000J] 4体积为4.10dm3的理想气体作定温膨胀，其压力从106Pa降低到105Pa计算此过程所能作出的最大 功为若干？ [答案：9441J] 5在25C下，将50gN2作定温可逆压缩，从105Pa压级到2X106Pa，试计算此过程的功。如果被压缩了的气体反抗恒定外压105Pa作定温膨胀到原来的状态，问此膨胀过程的功又为若干？ [答案：-.33 X04J; 4.20 X03J] 6计算1mol理想气体在下列四个过程中所作的体积功。已知始态体积为25dm3终态体积为100dm3; 始态及终态温度均为100 Co (1) 向真空膨胀； (2) 在外压恒定为气体终态的压力下膨胀； (3) 先在外压恒定为体积等于50dm3时气体的平衡压力下膨胀，当膨胀到50dm3(此时温度仍为100C) 以后，再在外压等于100 dm3时气体的平衡压力下膨胀； (4) 定温可逆膨胀。 试比较这四个过程的功。比较的结果说明了什么问题？ [答案:0; 2326J; 310l J; 4299J] 习
第二章食品热力学基础思考及练习题 第一节热力学概述 一、概念题 1、系统（或体系）：是指被划定的研究对象。 2、环境：是指与系统（或体系）密切相关的部分。 3、状态：是指系统的所有性质（物理性质和化学性质）的综合表现。 4、状态性质：是指描述系统状态的宏观物理量。 5、广度性质（或容量性质）：是指这种性质的数值与系统中所含物质的量成正比，具有简单加和性。 6、强度性质：是指这种性质的数值与系统所含物质的量无关，不具有加和性。 7、过程：是指系统从一个状态变到另一个状态的变化。 8、途径：是指系统在变化过程中所经历的具体步骤。 9、热力学平衡（状态)：是指在一定的条件下，如果一个系统与环境之间没有任何物质和能量交换，所有的状态函数有确定值，且不随时间而改变，则称这个系统处于热力学平衡（状态)。 10、热量（或热）：是指由于温度之差而在系统与环境之间传递的能量。 11、功：是指除了热传递以外，其它各种形式传递的能量。 12、热力学能（或内能）：是指系统内部所有粒子各种运动形态的能量的总和。 13、自发过程：是指系统中无需环境施加影响就可以自动进行的过程。 14、熵增原理：是指在孤立热力系所发生的不可逆微变化过程中，熵的变化量永远大于系统从热源吸收的热量与热源的热力学温度之比。可用于度量过程存在不可逆性的程度。简言之：孤立系统中的一切实际过程都是熵的增加过程。 15、自由能：在热力学当中，自由能是指在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分。 二、填空题（不做） 1、热力学是研究（宏观）系统在（能量）相互转换过程中所应遵循规律的科学。 2、化学热力学主要解决化学变化的（方向）和（限度）问题，但不研究变化的（速率）和（机理）。 3、热力学方法的特点是考察体系变化前后——（起始状态）与（终了状态）之
第二章化学热力学初步 1. 热力学第一定律W U- = Q ?,由于U为状态函数，所以Q和W也是状态函数，对吗？为什么？ 答：不对。Q和W只有在能量交换的时候才会有具体的数值，并且随途径不同，共和热的数值都会有变化，所以不是状态函数。 2. 解释下列名词 (1) 体系与环境 (2) 热（Q） (3) 功（W） (4) 焓（H）和焓变（H ?） (5) 热力学能U (6) 恒容反应热（Q V）和恒压反应热（Q p） 答：(1) 热力学中称研究的对象为体系，称体系以外的部分为环境。 (2) 体系在变化过程中吸收的热量为Q。 (3) 体系对环境所做的功。 (4) H＝U+PV 当泛指一个过程的时候，其热力学函数的改变量为焓变。 (5) 体系内一切能量的总和叫热力学能。 (6) 在恒容过程中完成的化学反应，其热效应称为恒容反应热。 在恒压过程中完成的化学反应，其热效应称为恒压反应热。 3. 什么叫状态函数？它具有何特性？ 答：藉以确定体系状态的物理量称为体系的状态函数。它具有加和性。 4. 何谓热效应？测量方法有哪两种？ 答：化学反应的热效应为当生成物和反应物的温度相同时，化学反应过程中的吸收或放出的热量。可以选择恒压和恒容两种条件下测量。 5. 什么叫热化学方程式？书写热化学方程式要注意哪几点？ 答：表示出反应热效应的化学方程式叫做热化学方程式。书写化学方程式时要注意一下几点：(1)写热化学方式式，要注意反应的温度和压强条件，如果反应是在298K和1.013×105Pa下进行时，习惯上不予注明。（2）要注明物质的聚集状态和晶形。（3）方程式中的配平系数只是表示计量数，不表示分子数。但计量数不同时，同一反应的反应热数值也不同。 6. ①无机化学中常用的反应热有哪几种？反应热的实质是什么？什么类型的化学反应Q V＝Q p？等摩尔的NaOH和NH3·H2O溶液分别与过量的HCl溶液中和所放热量是否相等？为什么？ ②反应2N2（g）＋O2（g）＝2N2O（g）在298K时，ΔrH m?=164K J·mol-1, 求反应的ΔU? 答：①无机化学中常用的反应热有恒压反应热和恒容反应热。 反应热的实质是：当生产物与反应物的温度相同时，化学反应过程中的吸
课 题第二章 化学热力学 基础 课次第一讲（2学时） 教学目的（1）理解状态函数的概念及其特点(2)理解过程和途径的区别（3）理解热和功的概念及其符号规定. 重点难点状态函数的基本特点热和功的符号规定及计算 教学过程2-1 热力学的一些基本概念 教学方法 讲授 课的类型 基础课 内蒙古农业大学理学院普通化学教案 第二章 化学热力学基础（8学时） §2．1 热力学的一些基本概念 一．系统和环境 系统是被人为地划定的作为研究对象的物质(又叫体系或物系)。除系统外的物质世界就是环境。体系分类： 孤立系统：与环境既无物质交换又无能量交换。开放系统：与环境既有物质交换又有能量交换。封闭系统： 与环境无物质交换而有能量交换。二．状态和状态函数 在热力学中，为了描述一个系统，必须确定它的一系列性质，即物理性质和化学性质，如温度、压力、体积、密度、组成等。当系统的所有物理性质和化学性质都有确定的值，则称这个系统处于一定的状态。所以系统的状态是由一系列表征系统性质的物理量所确定下来的系统的存在形式，是其物理性质和化学性质的综合表现。系统的状态是由许多宏观的物理量来描述和确定的。例如，气体的温度、压力、体积以及物质的量等宏观物理量确定了，则该气体系统的状态也就确定了。只要其中一个物理量改变，则体系的状态就会发生变化，变化前的状态叫始态，变化后的状态叫终态。 系统的每一状态都具有许多物理和化学性质，状态一定，系统的性质也就一定，状态改变，系统的性质也随之变化。在热力学中把用来说明、
确定系统所处状态的系统性质叫做状态函数。例如p、V、T及后面要介绍的非常重要的热力学能U、焓H、熵S和吉布斯自由能G等均是状态函数。状态函数的特点：一是当系统的状态确定后，系统的宏观性质即状态函数就有确定的数值，亦即系统的宏观性质是状态的单值函数；二是状态函数的变化值只决定于系统的始态和终态，而与状态发生变化时所经历的具体途径无关。无论经历多么复杂的变化，只要系统恢复原状，则状态函数也恢复原状。 状态函数按其性质可分为两大类： （1）广度性质：又称容量性质，当将系统分割成若干部分时，系统的某性质等于各部分该性质之和，即广度性质的值与系统中物质的量成正比，具有加和性。体积、质量、热力学能、熵、焓、吉布斯自由能等均是广度性质。 （2）强度性质：此类性质不具有加和性，其值与系统中物质的量多少无关，仅决定于系统本身的特性。例如，两杯298K的水混合，水温仍是298K，而不是596K。温度、压力、密度、粘度等均是强度性质。 应当指出，两个广度性质的比值，是一个新的强度性质。如摩尔体积、摩尔质量、密度、浓度等就是强度性质。强度性质不必指定物质的量就可以确定。 三．过程和途径 当系统与环境之间发生物质交换和能量交换时，系统的状态就会发生变化，人们把状态变化的经过称为过程，而把完成变化的具体步骤称为途径。一个过程可以由多种不同的途径来实现，而每一途径常由几个步骤组成。例如，在101.325kPa下，将25℃水加热到75℃的过程，可以通过多种途径达到。如途径Ⅰ，直接加热升温到75℃；途径Ⅱ，先把水加热到90℃，然后再冷却到75℃。 热力学常见的过程有： （1）定温过程：系统的状态变化是在系统的始态温度、终态温度及环境温度均相等的条件下发生的过程。即T始=T终=T环=T。
第二章热力学第二定律 一、单选题 1) 理想气体绝热向真空膨胀，则（） A.?S = 0，?W = 0 B.?H = 0，?U = 0 C.?G = 0，?H = 0 D.?U =0，?G =0 2) 对于孤立体系中发生的实际过程，下式中不正确的是（） A.W = 0 B.Q = 0 C.?S > 0 D.?H = 0 3) 理想气体经可逆与不可逆两种绝热过程,则（） A.可以从同一始态出发达到同一终态。 B.不可以达到同一终态。 C.不能确定以上A、B中哪一种正确。 D.可以达到同一终态，视绝热膨胀还是绝热压缩而定。 4) 求任一不可逆绝热过程的熵变?S，可以通过以下哪个途径求得？（） A.始终态相同的可逆绝热过程。 B.始终态相同的可逆恒温过程。 C.始终态相同的可逆非绝热过程。 D. B 和C 均可。 5) 在绝热恒容的系统中，H 2和Cl 2 反应化合成HCl。在此过程中下列各状态函数 的变化值哪个为零？（）
A. ? r H m B. ? r U m C. ? r S m D. ? r G m 6) 将氧气分装在同一气缸的两个气室内，其中左气室内氧气状态为 p 1 =101.3kPa，V1=2dm3,T1=273.2K;右气室内状态为 p 2 =101.3kPa,V2=1dm3,T2=273.2K；现将气室中间的隔板抽掉，使两部分气体充分混合。此过程中氧气的熵变为： ( ) A. ?S>0 B. ?S <0 C. ?S =0 D. 都不一定 7) 1mol理想气体向真空膨胀，若其体积增加到原来的10倍，则体系、环境和孤立体系的熵变分别为：( ) A.19.14J·K-1, -19.14J·K-1, 0 B.-19.14J·K-1, 19.14J·K-1, 0 C.19.14J·K-1, 0, 0.1914J·K-1 D. 0 , 0 , 0 8) 1mol Ag(s)在等容下由273.2K加热到303.2K。已知在该温度区间内Ag(s)的C v,m=24.48J·K-1·mol-1则其熵变为：( ) A.2.531J·K-1 B. 5.622J·K-1 C. 25.31J·K-1 D. 56.22J·K-1 9) 理想气体的物质的量为n，从始态A(p1,V1,T1)变到状态B(p2,V2,T2),其熵变的计算公式可用：( ) A. ?S =nR ln(p2/p1)+ B. ?S=nR ln(p1/p2)－ C. ?S =nR ln(V2/V1)+ D. ?S =nR ln(V2/V1)－ 10) 理想气体经历等温可逆过程，其熵变的计算公式是：( ) A. ?S=nRT ln(p1/p2) B. ?S =nRT ln(V2/V1) C. ?S =nR ln(p2/p1) D. ?S =nR ln(V2/V1)
第二章 化学热力学初步 1．计算系统热力学能的变化 （1）系统吸收了100J 的热量，并且系统对环境做了540J 功。 解：根据热力学第一定律，U Q W ?=+∴100J (540J)440J U ?=+-=- （2）系统放出100J 的热量，并且环境对系统做了635J 功。 解：根据热力学第一定律，U Q W ?=+∴100J+635J=535J U ?=- 4．已知： (1) C(s) + O 2(g) = CO 2(g) 11393.5r H kJ mol -?=-?θ (2) H 2(g) +12O 2(g) = CO 2(g) 12285.9r H kJ mol -?=-?θ (3) CH 4(g) +2O 2(g) = CO 2(g) + 2H 2O(l) 13 890.0r H kJ mol -?=-?θ 试求反应(4) C(s) + 2H 2(g) = CH 4(g) 的4r H ?θ 解：根据盖斯定律和已知条件可见，(4)＝(1) + 2(2) - (3) r 4r 1r 2r 2H H H H ∴?=?+??-?θ θ θθ 5．利用附录二的数据，计算下列反应在298K 的r m H ?θ (1) 223PbS(s)+O ()=PbO(s)+SO (g)2 g 查表f m H ?θ：-100 0 -219 -297 kJ.mol -1 -1r m (215297)(0100)412kJ mol H ?=----=-?θ (2) 3224NH (g)+5O ()=4NO(g)+6H O(l)g 查表f m H ?θ：-46.11 0 90.4 -285.8 kJ.mol -1 -1r m (490.46285.8)(0446.11)1169kJ mol H ?=?-?--?=-?θ 9．预言下列过程系统的△S 符号： (1) 水变成水蒸气； (因为吸热，体积增大，混乱度增大） (2) 气体等温膨胀； (因为吸热，体积增大，混乱度增大） 0>?S 0>?S -1 393.52285.9890.075.3kJ mol =--?+=-?
第二章 热力学基础概念题 一、填空题 1、一定量的N 2气在恒温下增大压力，则其吉布斯自由能变 。（填增大，不变，减小） 2、物理量,,,,,,Q W U H V T p 属于状态函数的有 ；属于途径函数的有 ；状态函数中属于强度性质的有 ；属于容量性质的有 。 3、对组成不变的均相封闭系统，T S p ???= ???? ；对理想气体T S p ???= ???? 。 4、21 ln V W nRT V =的适用条件是 ； 1TV γ-=常数的适用条件是 ； p H Q ?=的适用条件是 。 5、1摩尔理想气体经恒温膨胀，恒容加热和恒压冷却三步完成一个循环回到始态，此过程吸热20.0kJ 。则U ?＝ ，H ?＝ ，W ＝ 。 6、体积功的通用计算公式是W ＝ ；在可逆过程中，上式成为W ＝ ；在等压过程中，上式成为W ＝ 。 7、给自行车打气时，把气筒内的空气作为体系，设气筒、橡皮管和轮胎均不导热，则该过程中Q 0，W 0 。 8、273.15K 、101.325kPa 下，固体冰融化为水，其Q 0，W 0， U ? 0，H ? 0 。 二、选择题 1、水在可逆相变过程中： （1）0U ?=，0H ?=； （2）0T ?=，0p ?=； （3）0U ?=，0T ?=； （3）以上均不对。 2、理想气体,p m C 与,V m C 的关系为：
（1）,p m C ＝,V m C ；（2）,p m C >,V m C ；（3）,p m C <,V m C ；（4）无法比较。 3、液态水在100℃及101.325Pa 下汽化成水蒸气，则该过程的： （1） △H=0; (2) △S=0; (3) △A=0; (4) △G=0 。 4、理想气体从状态Ⅰ等温自由膨胀到状态Ⅱ，可用那个状态函数的变量来判断过程的自发性： （1）△G ； （2）△U; (3) △S; (4) △H 。 5、公式dG SdT Vdp =-+可适用下述那一过程： （1）在298K, 101.325kP 下水蒸气凝结成水的过程； （2）理想气体膨胀过程； （3）电解水制H 2(g)和O 2(g)的过程; (4) 在一定温度压力下，由()()223N g H g +合成()3NH g 的过程。 6、对封闭的单组分均相系统，且'0W =时，T G p ??? ????的值应是： （1）<0 ； (2) >0 ； （3）＝0 ； （4）前述三种情况无法判断。 7、理想气体等温自由膨胀过程为： （1）0Q <； （2）0U ?<； （3）0W >； （4）0H ?=。 8、一封闭系统，当状态从A 到B 发生变化时，经历两条任意的不同途径，则下列四式中正确的是： （1）12Q Q =； （2）12W W =； （3）1122Q W Q W +=+； （4）12U U ?=?。 9、反应热公式p r Q H =?除应满足“封闭系统，不做非体积功”外，还应满足： （1）21p p ==定值; (2) e p =定值; (3) 外p=p ; (4) 21e p p p ===定值。 三、是非题 （正确地打“√”，错误的打“×”） 1、 理想气体在恒定的外压下绝热膨胀到终态，因为是恒压，所以H Q ?=，又 因为是绝热，0Q =，故0H ?=，对吗？ （ ） 2、 气体经不可逆绝热膨胀后，因为Q ＝0，固其熵变等于零。是不是？（ ） 3、在－10℃，101.325kPa 下过冷的H 2O(l)凝结为冰是一个不可逆过程，故此过程的熵变大于零。是不是？（ ） 4、热力学第二定律的克劳修斯说法是：热从低温物体传给高温物体是不可能的。是不是？（ ） 5、绝热过程都是等熵过程。是不是？（ ）
第一章热力学第一定律练习题 一、判断题（说法对否）： 1.当系统的状态一定时，所有的状态函数都有一定的数值。当系统的状态发生 变化时，所有的状态函数的数值也随之发生变化。 2.在101.325kPa、100℃下有lmol的水和水蒸气共存的系统，该系统的状态 完全确定。 3.一定量的理想气体，当热力学能与温度确定之后，则所有的状态函数也完 全确定。 4.系统温度升高则一定从环境吸热，系统温度不变就不与环境换热。 5.从同一始态经不同的过程到达同一终态，则Q和W的值一般不同，Q + W 的值一般也不相同。 6.因Q P = ΔH，Q V = ΔU，所以Q P与Q V都是状态函数。 7．体积是广度性质的状态函数；在有过剩NaCl(s) 存在的饱和水溶液中，当温度、压力一定时；系统的体积与系统中水和NaCl的总量成正比。8．封闭系统在压力恒定的过程中吸收的热等于该系统的焓。 9．在101.325kPa下，1mol l00℃的水恒温蒸发为100℃的水蒸气。若水蒸气可视为理想气体，那么由于过程等温，所以该过程ΔU = 0。 10.一个系统经历了一个无限小的过程，则此过程是可逆过程。 11．1mol水在l01.325kPa下由25℃升温至120℃，其ΔH= ∑C P,m d T。12．因焓是温度、压力的函数，即H = f(T,p)，所以在恒温、恒压下发生相变时，由于d T = 0，d p = 0，故可得ΔH = 0。 13．因Q p = ΔH，Q V = ΔU，所以Q p - Q V = ΔH - ΔU = Δ(p V) = -W。14．卡诺循环是可逆循环，当系统经一个卡诺循环后，不仅系统复原了，环境也会复原。 15．若一个过程中每一步都无限接近平衡态，则此过程一定是可逆过程。16．(?U/?V)T = 0 的气体一定是理想气体。 17．一定量的理想气体由0℃、200kPa的始态反抗恒定外压(p环= 100kPa) 绝热膨胀达平衡，则末态温度不变。 18．当系统向环境传热(Q < 0)时，系统的热力学能一定减少。
化学热力学初步学号姓名 一、是非题（判断下列叙述是否正确，正确的在括号中画√，错误的画） 1、系统的焓等于系统的热量。...................... .................. .........................（） 2、在恒温恒压下，某化学反应的热效应Q p=△H＝H2－H1，因为H是状态函数，故Q p也是状态函数。............................................................ ....................（） 3、已知298K时，△f Gθm(SbCl5，g)=-334.3kJ·mol-1，△f Gθm(SbCl3，g)=-301.0kJ·mol-1，则反应SbCl5(g)→SbCl3(g)+Cl2(g)在298K、标准状态下不能自发进行。....................（） 4.如果一个反应的△r Hθm和△r Sθm均为正值，当温度升高时，△r Gθm将减小.................（） 5.冰在室温下自发地融化成水，是熵增起了主要作用。..................................（） 6、如果一个反应的△r Hθm和△r Sθm均为正值，当温度升高时，△r Gθm将减小................（） 二、选择题（在下列各题中，选择出符合题意的答案，将其代号填入括号内） 1、已知反应 C2H2(g)+5/2 O2(g)→2CO2(g)+H2O(l)的△r Hθm (1)=-1301.0kJ·mol-1， C(s)+O2(g)→CO2(g)+H2O(l)的△r Hθm (2)=-393.5kJ·mol-1， H2(g)+1/2 O2(g)→H2O(l)的△r Hθm (3)=-285.8kJ·mol-1， 则反应2C(s)+H2(g)→C2H2(g)的△r Hθm为.......................... .....................................（）。 (A)228.2kJ·mol-1；(B)-228.2kJ·mol-1； (C)1301.0kJ·mol-1；(D)621.7kJ·mol-1。 2、已知298K时，MnO2(s)→MnO(s)+1/2O2(g)的△r Hθm (1)=134.8kJ·mol-1， MnO2(s)+Mn(s)→2MnO(s)的△r Hθm (2)=-250.4kJ·mol-1， 则△f Hθm (MnO2,s)为.........................................................................（）。 (A)-385.2kJ·mol-1；(B)385.2kJ·mol-1； (C)-520.0kJ·mol-1；(D)520.0kJ·mol-1。 3、下列各反应中，其△r Hθm等于相应生成物的标准摩尔生成焓的是........（）。 (A)2S(s)+3O2(g)→2SO3(g)；(B)1/2 H2(g)+1/2 I2(g)→HI(g)； (C)C(金刚石)+O2(g)→CO2(g)；(D)C(石墨)+O2(g)→CO2(g)。 4、在下列各反应中，其△r Hθm恰好等于相应生成物的标准摩尔生成焓的是.（）。 (A)2H(g)+1/2 O2(g)→H2O(l)；(B)2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)； (C)N2(g)+3H2(g)→2NH3(g)；(D)1/2 N2(g)+3/2 H2(g)→NH3(g)。 5、已知△f Hθm (N2O4，g)=9.2kJ·mol-1，则N2O4生成反应的热化学方程式是..（）。 (A)N2(g)+2O2(g)→N2O4(g) △r Hθm =9.2kJ·mol-1； (B)N2(g)+2O2(g)→N2O4(g) △r Hθm =-9.2kJ·mol-1； (C)O2(g)+1/2 N2(g)→1/2N2O4(g) △r Hθm =-9.2kJ·mol-1； (D)2N2(g)+4O2(g)→2 N2O4(g) △r Hθm =18.4kJ·mol-1。6、已知298K时，△f Hθm (NO2，g)=33.2kJ·mol-1，△f Hθm (H2O，l)=-285.8kJ·mol-1， △f Hθm (HNO3，l)=-173.2kJ·mol-1，△f Hθm (NO，g)=90.3kJ·mol-1， 则反应3NO2(g)+H2O(l)→2HNO3(l)+NO(g)的△r Hθm =....................................................（）。(A)69.9kJ·mol-1；(B)-69.9kJ·mol-1； (C)169.7kJ·mol-1；(D)-169.7kJ·mol-1。 7、已知298K时，△f Hθm (CaO,s)=-635.1kJ·mol-1，△f Hθm (H2O,l)=-285.8kJ·mol-1， △f Hθm (Ca(OH)2,s)=-986.1kJ·mol-1，Ca的相对原子质量为40.1。则在298K时，1.00kgCaO与水反应生成Ca(OH)2时放出的热量为................................（）。 (A)2.33×103kJ；(B)-65.2kJ；(C)-2.33×103kJ；(D)-1.16×103kJ。 8、在下列各反应中，△r Gθm =△f Gθm (CO2,g)的是......................................................（）。 (A)C(石墨)+O2(g)→CO2(g)；(B)C(金刚石)+O2(g)→CO2(g)； (C)2C(石墨)+2O2(g)→2CO2(g)；(D)2C(金刚石)+2O2(g)→2CO2(g)。 9、已知2NO(g)+O2(g)→2NO2(g)的△r Gθm =-70.6kJ·mol-1，△f Gθm (NO,g)=86.6kJ·mol-1，则△f Gθm (NO2,g)=...............................................................................................................（）。 (A)-70.6kJ·mol-1；(B)141.2kJ·mol-1；(C)-35.3kJ·mol-1；(D)51.3kJ·mol-1。 10.已知：M+N→A+B的△r Gθm (1)=-26.0kJ·mol-1，2A+2B→C的△r Gθm (2)=48.0kJ·mol-1； 则在相同条件下，反应：C→2M+2N的△r Gθm为................................................（）。 (A)-4.0kJ·mol-1；(B)4.0kJ·mol-1；(C)-22.0kJ·mol-1；(D)22.0kJ·mol-1。 11.反应：Ca(OH)2(s)→CaO(s)+H2O(l)，在常温下不能自发进行，而在高温下能自发进行，这意味着该反应的............................................................................................................（）。 (A)△r H m>0，△r S m>0；(B)△r H m<0，△r S m>0； (C)△r H m<0，△r S m<0；(D)△r H m>0，△r S m<0。 12.反应3A(s)+2B(g)→A3B2(s)，低温自发，逆反应高温自发，该反应.........................（）。 (A)△r H m<0，△r S m<0；(B)△r H m<0，△r S m>0； (C)△r H m>0，△r S m<0；(D)△r H m>0，△r S m>0。 13.298K时，C(金刚石)的标准摩尔熵为2.4J·mol-1·K-1；则C(石墨)的标准摩尔熵.........（）。 (A)大于2.4J·mol-1·K-1；(B)=2.4J·mol-1·K-1； (C)大于零但小于2.4J·mol-1·K-1；(D)=0J·mol-1·K-1。 14.已知反应FeO(s)+C(s)→CO(g)+Fe(s)的△r Hθm>0，△r Sθm>0，下列叙述正确的是........（）。 (A)标准态、低温下反应可自发进行，高温下不能自发进行； (B)标准态、高温下反应可自发进行，低温下不能自发进行； (C)标准态、任何温度下反应均不能自发进行； (D)标准态、任何温度下反应均能自发进行。 15.下列叙述中正确的是.............................................................................................（）。 (A)放热反应都能自发进行；(B)△r Gθm<0的反应都能自发进行；
第二章热力学第一定律 一．基本要求 1．掌握热力学的一些基本概念，如：各种系统、环境、热力学状态、系统性质、功、热、状态函数、可逆过程、过程和途径等。 2．能熟练运用热力学第一定律，掌握功与热的取号，会计算常见过程中的Q,W, U和 H的值。 3．了解为什么要定义焓，记住公式U Q V , H Q p的适用条件。 4．掌握理想气体的热力学能和焓仅是温度的函数，能熟练地运用热力学第一定律计算理想气体在可逆或不可逆的等温、等压和绝热等过程中， U, H, W, Q的计算。 二．把握学习要点的建议 学好热力学第一定律是学好化学热力学的基础。热力学第一定律解决了在恒 定组成的封闭系统中，能量守恒与转换的问题，所以一开始就要掌握热力学的一 些基本概念。这不是一蹴而就的事，要通过听老师讲解、看例题、做选择题和做习 题等反反复复地加深印象，才能建立热力学的概念，并能准确运用这些概念。 例如，功和热，它们都是系统与环境之间被传递的能量，要强调“传递”这个概念，还要强调是系统与环境之间发生的传递过程。功和热的计算一定要与变化的过 程联系在一起。譬如，什么叫雨？雨就是从天而降的水，水在天上称为云，降到地 上称为雨水，水只有在从天上降落到地面的过程中才被称为雨，也就是说，“雨” 是一个与过程联系的名词。在自然界中，还可以列举出其他与过程有关的名词，如风、瀑布等。功和热都只是能量的一种形式，但是，它们一定要与传递 的过程相联系。在系统与环境之间因温度不同而被传递的能量称为热，除热以外， 其余在系统与环境之间被传递的能量称为功。传递过程必须发生在系统与环境之间，系统内部传递的能量既不能称为功，也不能称为热，仅仅是热力学能从一种形式变 为另一种形式。同样，在环境内部传递的能量，也是不能称为功（或热）的。例如在 不考虑非膨胀功的前提下，在一个绝热、刚性容器中发生化学反应、 燃烧甚至爆炸等剧烈变化，由于与环境之间没有热的交换，也没有功的交换，所 以 Q 0, W 0, U 0 。这个变化只是在系统内部，热力学能从一种形式变为
大气物理学复习资料 第一部分名词解释 第一章大气概述 1、干洁大气：通常把除水汽以外的纯净大气称为干结大气，也称干空气。 2、气溶胶：大气中悬浮着的各种固体和液体粒子。 3、气团：水平方向上物理属性比较均匀的巨大空气块。 4、气团变性：当气团移到新的下垫面时，它的性质会逐渐发生变化，在新的物理过程中获 得新的性质。 5、锋：冷暖性质不同的两种气团相对运动时，在其交界面处出现一个气象要素（温度、湿 度、风向、风速等）发生剧烈改变的过渡带称为锋。 6、冷锋：锋面在移动过程中，冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移动。 7、暖锋：锋面在移动过程中，暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧移动。 8、准静止锋：冷暖气团势力相当，锋面很少移动，有时冷气团占主导地位，有时暖气团占 主导地位，使锋面处于来回摆动状态。 9、锢囚锋：当三种冷暖性质不同的气团（如暖气团、较冷气团、更冷气团）相遇时，可以 产生两个锋面，前面是暖锋，后面是冷锋，如果冷锋移动速度快，追上前方的暖锋，或两条冷锋迎面相遇，并逐渐合并起来，使地面完全被冷气团所占据，原来的暖气团被迫抬离地面，锢囚到高空，这种由两条锋相遇合并所形成的锋称为锢囚锋。 10、气温垂直递减率：在垂直方向上每变化100米，气温的变化值，并以温度随高度的升 高而降低为正值。 11、气温T：表示空气冷热程度的物理量。 12、混合比r：一定体积空气中，所含水汽质量和干空气质量之比。r=m v/m d 13、比湿q：一定体积空气中，所含水汽质量与湿空气质量之比。q=m v/(m v+m d) 14、水汽压e：大气中水汽的分压强称为水气压。 15、饱和水汽压e s：某一温度下，空气中的水汽达到饱和时所具有的水汽压。 16、水汽密度（即绝对湿度）ρv：单位体积湿空气中含有的水汽质量。 17、相对湿度U w：在一定的温度和压强下，水汽和饱和水汽的摩尔分数之比称为水面的相
黄淑清《热学教程》习题解答 第二章 热力学第一定律 0.2kg 的氮气等压地从20℃加热别100℃，问要吸收多少热量氮气的内能增加了多少它对外界作了多少功(氮的比热容：11..04.1--=K kg kJ c p 、 11..740.0--=K kg kJ c V ） 解： 比热容 M C c m =知M c C p m p =, M c C v m V =, 吸收热量： kJ T mc T C Q p m p 6.16)293373(1004.12.03,==-???=?=?=ν 内能增量： kJ T mc T C U v m V 8.1180)293373(740.02.0,=-??=?=?=?ν 对外界作功：由 A U Q +?= 得：kJ U Q A 8.48.116.16=-=?-= 一定量的氮在压强为Pa 51001.1?时的体积为1V ＝321000.1m -?，试求它在下述不同条件下体积膨胀到3221020.1m V -?=的过程中所发生的内能改变. (1)压强不变；(2)绝热变化。 怎样解释这两种不同条件下内能变化的不同(氦的定容摩尔热容R C m V 25,= ；定压摩尔热容R C m p 2 7 ,=） 解： 由理想气体物态方程 RT PV ν= 得R PV T = ν 4.12 527 ,,===R R C C r m v m p 内能改变 )()(1122,12,V P V P R C T T C U m V m V -= -=?ν （1）压强不变 )()(12,1122,V V P R C V P V P R C U m V m V -=-= ?
习题及部分解答 第一篇 工程热力学 第一章 基本概念 1. 指出下列各物理量中哪些是状态量，哪些是过程量： 答：压力，温度，位能，热能，热量，功量，密度。 2. 指出下列物理量中哪些是强度量：答：体积，速度，比体积，位能，热能，热量，功量，密度。 3. 用水银差压计测量容器中气体的压力，为防止有毒的水银蒸汽产生，在水银柱上加一段水。若水柱高 mm 200，水银柱高mm 800，如图2-26所示。已知大气压力为mm 735Hg ，试求容器中气体的绝对压力为多少kPa ？解：根据压力单位换算 kPa p p p p kPa Pa p kPa p Hg O H b Hg O H 6.206)6.106961.1(0.98)(6.10610006.132.133800.96.110961.180665.92002253=++=++==?=?==?=?= 4. 锅炉烟道中的烟气常用上部开口的斜管测量，如图2-27所示。若已知斜管倾角 30=α，压力计中 使用3/8.0cm g =ρ 的煤油，斜管液体长度mm L 200=，当地大气压力MPa p b 1.0=，求烟 气的绝对压力（用MPa 表示）解： MPa Pa g L p 6108.7848.7845.081.98.0200sin -?==???==αρ MPa p p p v b 0992.0108.7841.06=?-=-=- 5.一容器被刚性壁分成两部分，并在各部装有测压表计，如图2-28所示，其中C 为压力表，读数为 kPa 110，B 为真空表，读数为kPa 45。若当地大气压 kPa p b 97=，求压力表A 的读数（用kPa 表示） kPa p gA 155= 6. 试述按下列三种方式去系统时，系统与外界见换的能量形式是什么。 （1）.取水为系统； （2）.取电阻丝、容器和水为系统； （3）.取图中虚线内空间为系统。 答案略。 7.某电厂汽轮机进出处的蒸汽用压力表测量，起读数为MPa 4.13；冷凝器内的蒸汽压力用真空表测量， 其读数为mmHg 706 。若大气压力为MPa 098.0，试求汽轮机进出处和冷凝器内的蒸汽的绝对压力（用MPa 表示） M P a p M P a p 0039.0;0247.021== 8.测得容器的真空度 mmHg p v 550=，大气压力MPa p b 098.0=，求容器内的绝对压力。若大气
第 二 章 热力学第一定律 一、思考题 1. 判断下列说法是否正确，并简述判断的依据 （1）状态给定后，状态函数就有定值，状态函数固定后，状态也就固定了。 答：是对的。因为状态函数是状态的单值函数。 （2）状态改变后，状态函数一定都改变。 答：是错的。因为只要有一个状态函数变了，状态也就变了，但并不是所有的状态函数都得 变。 （3）因为ΔU=Q V ，ΔH=Q p ，所以Q V ，Q p 是特定条件下的状态函数? 这种说法对吗？ 答：是错的。?U ，?H 本身不是状态函数，仅是状态函数的变量，只有在特定条件下与Q V ，Q p 的数值相等，所以Q V ，Q p 不是状态函数。 （4）根据热力学第一定律，因为能量不会无中生有，所以一个系统如要对外做功，必须从 外界吸收热量。 答：是错的。根据热力学第一定律U Q W ?=+，它不仅说明热力学能（ΔU ）、热（Q ）和 功（W ）之间可以转化，有表述了它们转化是的定量关系，即能量守恒定律。所以功的转化 形式不仅有热，也可转化为热力学能系。 （5）在等压下，用机械搅拌某绝热容器中的液体，是液体的温度上升，这时ΔH=Q p =0 答：是错的。这虽然是一个等压过程，而此过程存在机械功，即W f ≠0，所以ΔH≠Q p 。 （6）某一化学反应在烧杯中进行，热效应为Q 1，焓变为ΔH 1。如将化学反应安排成反应相 同的可逆电池，使化学反应和电池反应的始态和终态形同，这时热效应为Q 2，焓变为ΔH 2，则ΔH 1=ΔH 2。 答：是对的。Q 是非状态函数，由于经过的途径不同，则Q 值不同，焓（H ）是状态函数，只要始终态相同，不考虑所经过的过程，则两焓变值?H 1和?H 2相等。 2 . 回答下列问题，并说明原因 （1）可逆热机的效率最高，在其它条件相同的前提下，用可逆热机去牵引货车，能否使火 车的速度加快？ 答？不能。热机效率h Q W -=η是指从高温热源所吸收的热最大的转换成对环境所做的功。
第二章 化学热力学初步 1. 计算下列系统得热力学能变化： （1） 系统吸收了100J 能量，并且系统对环境做了540J 功。 （2） 系统放出了100J 热量，并且环境对系统做了635J 功。 2. 2.0molH 2（设为理想气体）在恒温（298K ）下，经过下列三种途径，从始态0.015m 3膨 胀到终态0.040 m 3，求各途径中气体所做得功。 （1） 自始态反抗100kPa 的外压到终态。 （2） 自始态反抗200kPa 的外压到中间平衡态，然后反抗100kPa 的外压到终态。 （3） 自始态可逆地膨胀到终态。 3. 在θp 和885o C 下，分解1.0molCaCO 3需耗热量165kJ 。试计算此过程得。和、H U W ?? CaCO 3的分解反应方程式为)(2)()(3g s s CO CaO CaCO += 4. 已知 ) ()()4()(2)3(6454)2(2 31298.5. 20.89022)3(9.2852 1)2(5.393)1()()() (2)(22)()(3) (2)()(2)(3)(2)()(2)()(4)(2)(1 32)(2)(2)(41 2)(2)(2)(21 1)(2)(2)(aq Cl AgBr aq Br AgCl O H CO aq Ca H CaCO O H NO O NH SO PbO O PbS rH K rH CH H C m ol kJ rH O H CO O CH m ol kJ rH O H O H m ol kJ rH CO O C s s l g aq s l g g g g s g s m m g g s g g g l g g g g s --++---+=+++=++=++=+??=+?-=?+=+?-=?=+?-=?=+）（；时的算下列反应在利用附录二的数据，计的试求反应θθθθθ 6. 阿波罗登月火箭用N 2H 4(l)作燃料，用N 2O 4(g)作氧化剂，燃烧后产生N 2(g)和H 2O(l)。写出配平得化学方程式，并计算1kg N 2H 4(l)燃烧后得θ rH ?。 7. 已知： 12) (2)(2)(2)(31 1) (2)()(2)(34.15306234)2(8.11686454)1(--?-=?+=+?-=?+=+mol kJ rH O H N O NH mol kJ rH O H NO O NH l g g g l g g g θθ 试求NO 得标准生成焓。 8. 利用附录十的键能数据，计算下列反应的θm rH ? )()()()(323g Br CH g O H g HBr g OH CH +=+
物理化学练习题 第二章热力学第一定律 一、选择题 1、下列叙述中不具状态函数特征的是：（） (A)系统状态确定后，状态函数的值也确定 (B)系统变化时，状态函数的改变值只由系统的初终态决定 (C)经循环过程，状态函数的值不变 (D)状态函数均有加和性 2、下列叙述中，不具可逆过程特征的是：（） (A)过程的每一步都接近平衡态，故进行得无限缓慢 (B)沿原途径反向进行时，每一小步系统与环境均能复原 (C)过程的初态与终态必定相同 (D)过程中，若做功则做最大功，若耗功则耗最小功 3、如图，将CuSO4水溶液置于绝热箱中，插入两个铜电极，以蓄电池为电源进行电解，可以看作封闭体系的是：（） (A)绝热箱中所有物质(B)两个铜电极 (C)蓄电池和铜电极(D) CuSO4水溶液 4、在一个绝热刚瓶中，发生一个放热的分子数增加的化学反应，那么：（） (A) Q > 0，W > 0，?U > 0 (B) Q = 0，W = 0，?U < 0 (C) Q = 0，W = 0，?U = 0 (D) Q < 0，W > 0，?U < 0 5、在下列关于焓的描述中，正确的是（） (A)因为ΔＨ＝ＱＰ，所以焓是恒压热 (B)气体的焓只是温度的函数 (C)气体在节流膨胀中，它的焓不改变 (D)因为ΔＨ＝ΔＵ＋Δ（ＰＶ），所以任何过程都有ΔＨ>０的结论 6、在标准压力下，1mol石墨与氧气反应生成1mol二氧化碳的反应热为Δr H ，下列哪种说法 是错误的? （） (A) ΔH 是CO2(g)的标准生成热(B) ΔH =ΔU
(C) ΔH 是石墨的燃烧热(D) ΔU <ΔH 7、在标准状态下，反应C2H5OH（l）+3O2(g) →2CO2(g)+3H2O(g)的反应焓为Δr H mθ, ΔC p>0, 下 列说法中正确的是（） (A)Δr H mθ是C2H5OH（l）的标准摩尔燃烧焓 (B)Δr H mθ〈０ (C)Δr H mθ＝ΔrＵmθ (D)Δr H mθ不随温度变化而变化 8、下面关于标准摩尔生成焓的描述中，不正确的是（） (A)生成反应中的单质必须是稳定的相态单质 (B)稳态单质的标准摩尔生成焓被定为零 (C)生成反应的温度必须是298.15K (D)生成反应中各物质所达到的压力必须是100KPa 9、在一个绝热钢瓶中，发生一个放热的分子数增加的化学反应，那么：（） (A) Q > 0，W > 0，?U > 0 (B)Q = 0，W = 0，?U < 0 (C) Q = 0，W = 0，?U = 0 (D) Q < 0，W > 0，?U < 0 10、非理想气体进行绝热自由膨胀时,下述答案中哪一个是错误的? ( ) (A) Q=0 (B) W=0 (C) ΔU=0 (D) ΔH=0 11、下列表示式中正确的是( ) (A)恒压过程ΔH=ΔU+pΔV (B)恒压过程ΔH=0 (C)恒压过程ΔH=ΔU+VΔp (D)恒容过程ΔH=0 12、理想气体等温反抗恒外压膨胀，则( ) (A)Q>W (B)Q