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第二章热力学第一定律L如果一个系统从环境吸收了40 J的热,而系统的热力学能却增加了200 J,问系统从环境得到了多少功？如杲该系统在膨胀过程对环境作了10 kJ的功，同时收了28 kJ的热,求系统的热力学能变化值.解:根据山=Q+W热力学第一定律，可知W=^J-Q (系统从环境吸热・Q>0)= (200-40)J=160JW=Q+W (系统对环境做功W<0)= (28-10)kJ-I8kJ.2.有10 mol的气体(设为理想气体八压力为1000 kP触温度为300 K*分别求岀等温时下列过程的功:⑴在空气压力为100 kPa时，体积胀大1血山⑵在空气压力为100 kP白时矽胀到气体压力也是100 kl靳(3)等温可逆膨胀至气体的压力为100 kPa.解:(1)外压始终维持恒定，系统对环境做功w=-p r^y^-100X103PaXlX10'3m3= -100j.=-A（V2-V I）=-Wmol X & 314-J •mol'1 *K_I X3OOKX1 OOkPa （一側驚）=一N 25 X12 J.（3）等温可逆膨胀：W=—『pJVJv i = -nRT\n^r"航i伊由心F推得｝lOmolX&314]*molT - K-1 X300KXln lOOOkP 日lOOkPa图2—6=一5・ 74X104J.3.1 mol 单原子理想气体始态(1)的温度为273 K,体积为22.4 dm 3,经历如下三步，又叵 到始态,请计算每个状态的压力、Q ，W 和(1) 等容可逆升温由始态(1)到546K 的状态(2)；(2) 等温(546K)可逆膨胀由状态(2)到44. 8 dm 3的状态(3)；(3) 经等压过程由状态(3)回到始态仃).解:(1)等容可逆升温过程如图2-7. 546k, 1 mol, 44.8 X10-W图2-7W=_ 以△▼=()M/=Q +W=Q.= J ； nCv.ro dT=lmolX-|x& 314 ・ J ・ mol'1 ・ K"1 X(546-273)K=34O4.58J.(2) 等温可逆膨胀过程JJ=0 W= -TI RT In ~ lmolX & 314 J ・ mo 「・ K"1 Xln ||^X546K=-3146. 50JQ=-W=3146. 50J.(3) 等压过程lrQ Ql X'3M Jj jnol ' ' K ' 4-44, 8)X IQ-3m 3=2269. 72J (*R+R)X(273 K-546 K) =jX& 314J ・ mor 1 XK -1 X (-273)KXlmol=-5674. 31J=〃MJ=Q+W=(-5674. 31+2269. 72)J=-3404. 59J.4.在291 K 和100 kPa 下,1 mol Zn(s)溶于足量稀盐酸中，置换出1 mol H 2(g),并放热152 kJ.若以Zn 和盐酸为系统，求该反应所做的功及系统热力学能的变化.解:Zn( s)+2 HC1 一ZnCl 2 + H 2(g)546k,lmol,22.4 [T] nRT vT(V1-V2) T J丁nC hm dT22.4X10F(2)同理根据等温可逆过程中W=-nRT ln^— W41. 85X103J可得丁= ------ 了 = ---------------------- i----- 而T = 1093.05K.nR In 护2molX & 314 J • mol-1• K_1 In p：8.在100 kPa及423 K时，将1 mol NH3(g)等温压缩到体积等于10 dm3，求最少需做多少功？(1)假定是理想气体；⑵假定符合van der Waals 方程式.已知van der Waals 常数a=0. 417 Pa • m4• moL ,6=3. 71 X 10~5m3• molT.解:(1)假定为理想气体，那么气体在等温可逆压缩中做功最小W=-nRTv\= -lmolX& 314 J ・ mol-1・ K_1 X423 KXln 無器畔=4405. 74J可根据理想气体状态方程Vi 刃鴛閔;P；LX423K=35X 10-3m6代入上式方可求解.⑵假定符合van der Waals方程，方程整理后，可得代入数据V2.—3・ 472X ICT?必4-4.17X10~6V w-1.547X 1O-10 =0解三次方程后得V w=35X10-3m3=4385. 21J.9.已知在373 K和100 kPa压力时,1 kg比0⑴的体积为1.043 dm\l kg H2O(g)的体积为1677dm3,H2O⑴的摩尔汽化焙变值△獅弘=40・69 kJ・mor1.当1 mol出0(1)在373 K和外压为100 kPa时完全蒸发成H2O(g),试求：(1)蒸发过程中系统对环境所做的功；•(2)假定液态水的体积可忽略不计，试求蒸发过程中系统对环境所做的功，并计算所得结果的相对误3假定把蒸汽看作理想气体,且略去液态水的体积，求系统所做的功；解：(1)蒸发过程中系统对环境做功W=-pg—匕)=-100X103PaX(1677X 10~3-1.043XIO"3)m3・ kg_1X(l8.0X10_s)kg=-3016. 72J.5解释何故蒸发的焙变大于系统所作的功.6 求(1)中变化的—Um和△vpHm；(2)假设水的体积可忽略•则匕=0W=-AV f = -100X103PaX1677X10-3kg*1• m3 X18X10"3kg=-3018. 60J□鸟驀3跻⑵&100%=0.062%・(3)把水蒸气看作理想气体,则可使用理想气体状态方程pV=nRT且忽略液态水的体积，则匕=0W =—仪匕=—nRT= -lmolX& 314J • moP1• K"1 X373 K=_3101.12J.(4)Q>・fn = Sp H m=40. 69kJ • mor1、U =Q+W=40・ 69kJ ・ moLXlmoIX 1()3+(-3016. 72)J叩m n lmol=37. 67X103J ・ mor1.(5)在瘵发过程中，用于系统对环境做膨胀功的部分很少,吸收的大部分热量用于提高系统的热力学10.1 mol单原子理想气体,从始态：273 K,200 kPa,到终态323 K,100 kPa,通过两个途径:(1)先等压加热至323 K,再等温可逆膨胀至100 kPa；(2)先等温可逆膨胀至100 kPa,再等压加热至323 K.请分别计算两个途径的Q,W,W和AH,试比校两种结果有何不同,说明为什么.解:⑴因为单原子理想气体Cv.m=#R,Cp.m=|~R过程如图2—&图2—8①等压升温= -^(T2-T1) = -lmolX& 314 J • mol"1• K"1 X(323~273)K=-415. 7J②等温可逆△Hi =Q] = $ nC^m dT=lmolXyX& 314 J • moL • L (323—273)K=1039. 257dT=lmolXyX8.314 J ・ mol"1 - K_1 =623. 55J.W2 = ~nRT ln^ = -nRT ln^ = -lmolX& 314 J • mol-1• K-1X323 KXln弯= -1861. 39 J y\ pz100 =0» = 0,Q = —W2 = 1861・39JW=W；+W2 = -2277. 09JQ=Q+Q=290O 64J+山2=623. 55J△H=AHi -F A H2=1039. 25J.= -lmolX& 314 J ・ moL ・X273KXln 需=一1573. 25J^JJ\ =0>AH I =0Q=-W\ =1573. 25J.②等压升温W2 = -p e (V2-V x ) = -nRCT2-T }) = -\molX & 314 J • mol"1 - K'1 (323-273)K=-415. 7J=1 molX jX8.314 J ・ moL ・ K"1 X (323~273)K=1039. 25J山2 = J ： nCy,ro dT=l molXyX& 314 J ・ moL ・ ^*=623. 55JW=W|+W2 = -198& 95JQ=Q+Q=2612.5JMJ=MJ 】+M/2=623・ 55J△H=AH 】+A H2 = 1039. 25J.比较两种结果,M 和AH 值相同，而Q 和W 值不同.说明Q 和W 不是状态函数，它们的数值与所经 过的途径和过程有关.而山和AH,是状态函数，无论经过何种途径，只要最终状态相同,W 和的数 值必相等.11.273 K,压力为5X105Pa 时,N2（g ）的体积为2. 0 dm 3,在外压为100 kPa 压力下等温膨胀，直到N （g ）的压力也等于100 kPa 为止.求过程中的和Q.假定气体是理想气体.解:该过程为恒定外压等温膨胀W=O.AH=0W=-A (V 2-V I )（理想气体状态方程pV=nRT ）=-100 X W kPa ( 篇严 A' -2X10~3m 3Q =-W=800J. 12. 0. 02 kg 乙醇在其沸点时蒸发为气体.已知蒸发热为858 kJ • kg 。
第九章可逆电池的电动势及其应用L写出下列电池中各电极的反应和电池反应*(I)PtI ⅛( P fh) I HCKa)ICb (Ao2)IPtJ⑵Pt∣⅛(⅛1)∣H+⅛H+)ll ⅞+(α⅛÷)∣⅛(s)F¢3)AgCS)I AgKS)Ir Ca I) |! CΓ(αcl-) !AgClCs) I AgCs) t(4)Pb(s) SPbSO. (S) I SOrs喊-)IleV+ (‰2+ ) !Cu(s)l⑸PrIHF 5⅛ ) I N a OHC C) ∣ HgCX S)∣ Hg⑴丰(6)Ptl H2(p ti2)∣H 十(aq) ∣S⅛O⅛(s)∣ Sb(S)((7)Pt∣F√+U1),Fe2+⅛) H Ag+ωA r+) IAg(S)J(5)Na(Hg) (¾fti)∣ N才(业十))1 OH- (Om- ) I HgO(S) J Hg(I).解：⑴负极已@屯)一*2HtaH十>+滋—正极α(∕>α2)÷2e-—2CΓ)电池反应⅛( P Hf)÷Cl3)≡≡2HCKaq).(2)负极H2<∕>H3*2H+G H+)÷2e^正扱 2Ag+CΛAS÷)÷2e~-2A e(S)电池反应 HI P H2 ) + 2⅛+¢^+ )—2AgCs)+2H+C AH÷}.(3)负极Ag(s)÷I-(αc )— AgKs) +e-正极 AgCKS)+ e-→A ft(s)+Cr Ca Q-)电池反应AgCKS)+ Γ(如亠)一AgKS)+ CΓ(απ-)4(4)负极 Pb(s)+SOJ- (dsoj- )—>PbS(Λ (s)÷2^正极 Cu2^," (acu?+ )+2e-—CU(S)电池反应 Pb(s) ÷Cu3+ GI c?+ ) + SC⅛^ Cαst⅛- )=PbSCΛ (s)+Cu∞.(5)负极H2C^R P÷2□H'C⅛IH- )—→2H s O(D + 2e- '正极 HgCXS)+ H2O(I)÷2e~—20H" <aoH- )÷HgCl)电池反应 HE(PH2) + HgO3—H∕D+HpCX3(笳负极SH Z S H/—6H+(αH÷) + 6e^正极 S⅛03 Cs> + 6H÷>÷6e^— 2Sb(s) +3H2Od)电池反应3H√ P H2) ÷S⅛C⅜ (S)—2Sb(S) ÷3H s O(I)i(C负扱 Fp (直)一 F尹 3)十L正极 Ag- (d j⅛+ ) + e-'― Ag(S)电池反应 Fe2+ (fl≡) + Ag+(α⅛r+I=F旷(<iι>÷ Ag(s)r住)负扱 2N⅛(Hg)(flβπι)-→2Na+ (・泌)+ 2HgU)÷2e~正极 HgCxS) ÷H2OCD+ Se^—HgCl)+ 2OH^ <αO H- >电池反应 2Na(Hg)Cd,m) + HgOCS)÷H20<D—2Na+(α⅛÷ )÷20H^ (a0H- )+3Hg(lλ2,试将下述化学反应设计成电池*(DAgCKs)=Ag+ 3⅛+ )+CΓ(αα- ) f¢2)AgCKS)+ Γ (dj- )—Agl(S) =+CΓ(αα- )∣(3)H2(∕>H2) + HgO(s)―Hg(l) + H2O(l);(4)Fe2ψ(αj⅛2+ ) + Ag' (αAβ + )—Fe'* (OF』+ )+Ag(s);(5)2H2(∕>H2)+O2 (Po2)—2H2O(1);(6)Cl2(∕>α2)÷2Γ (a1- )—I2(s)÷2CΓ (a c r );(7)H2O(I)=H+ (aκ+ )÷OH- (OOH-);(8)Mg(S)+-i-O2(g)÷H2O(l)==Mg(OH)2(S);(9)Pb(s) + HgO( S)— Hg(I)+PbO( s)；(10)Sn2÷ (az+ )÷T13÷ (a∙∏a+ )—Sn4÷ (a5n<+ )+Tl+ (a∙π+ ). 解:设计电池(1)Ag(S)| Ag+ (fl Aβ÷ ) Il Cr (aa- ) I AgCl(S) I Ag(S)(2)Ag(s〉I Agl(S) IΓ (a,- ) ∣∣ Cr (Oa- ) I AgCKs) | Λg(s)(3)Pt∣H2 (P H2) ∣oH^(aoH- ) I HgO(S) I Hg(I)(4)PtlFe2+ (aFe2+ ),Fe3÷ (3』+ )I Ag+(a" )∣ Ag(S)(5)Pt∣H2(g)∣H+(aH÷>IO2(g)∣Pt(6)I2(S) IΓ (ar ) ∣∣ Cl- (a a-)∣Cl2(g)∣Pt3.从饱和WeStOn电池的电动势与温度的关系式,试求在29& 15 K,当电池可逆地产生2 mol电子的电荷量时,电池反应的Δr Gm,Δr Hm,和Δr S m.已知该关系为E∕V=1.018 45-4. 05XlOT(T7K-293.⑸一9. 5× 10^7(T∕K-293. 15)2解：由E的关系式求出(霁)，再求出29& 15 K时E的值.因为:Δ,G m = -zEFjΔr H m= Δr G m+T ∙ Δr S ra.(霁)=-4. 05× 10~5 -2×9. 5× 10^7× (T-293.15)V ・当 T=29& 15 KBt∙(∣f) =-5.0×10-5V・ KTE=I. 01815-4. 05×10^5(298. 15~293. 15)-9. 5×10~7(29& 15-293. 15)2 = 1. 018 V∆r S m = zF(,∂E∕∂T)fi = 2 X 96500( - 5. O × 10^5)J ・ K・ mol~,=-9. 65 J ・ K^1∙ moΓ, Δr G tn = -zEF= — 2X96500X1. 018 J ∙ moΓ1 = —196. 5 kJ ∙ moΓ*Δr Hm =-ZEF+7⅛F(霁)p = Δr Gm + T ・Δr S m = -196. 5 kJ ・moΓ1+29& 15×(-9. 65 J ・ KT ・moΓ1 ) = -199. 4 kJ ・moΓ,4.298 K时,下述电池的电动势为1. 228 V：Pt∣H2(p∙)∣H2SO4(0.Ol mol ∙ kg-I)Io2(pβ)IPt已知H2O(l)的标准摩尔生成熔为Δf m(H2OJ) = -285. 83 kj・moΓ1.试求：(1)该电池的温度系数；(2)该电池在273 K时的电动势.设反应熔在该温度区间内为常数•解:(1)电池反应：负极 H2(∕>β)— 2H+G⅛+)+2e-正极H2θ(l)+*Q(p°)+2e-― 20H- Ca OH-)电池反应 HS)+*Q(Po) = H20(1)Δr Gm =-ZFE= 一2X96500X1. 228 J ・ mol',=-237. 004 kJ ・moΓ,Δr H m = Δr G ro +T ・ Δ,S m 其中 z‰Sm=ZF(11)”∆r Sm = Af HmFdGm = — 28§说翠型4 = _ ⑹.75 J. mθl→T= 273 K 时，E=273 ・(一& 54X IoT 〉一二叢盘胪=1. 249 V.5. 电池Zn(S)IZnCI 2 (0. 05 mol ・kg-】)∣ AgCI(S)IAg(S)的电动势与温度的关系为E∕V= 1. 015-4. 92× 10^4 (T∕K)-298试计算在298 K 当电池有2 mol 电子的电荷量输出时,电池反应的和此过程的可逆热效 应Q R ∙解:298 K 时有2 mol 电子的电荷量输出E= 1. 015-4. 92×10^4(298~298) = 1. 015 VΔr Gm = 一ZEF=-2X96500X1.015=-195.9 kJ ・ moΓ, XG m =ZF(^) =2×96500×(-4. 92×10^4) = ~95. 0 J ・何㈡・ K~ιΔr H m =Δr G m ÷T ∙ Δr S m = -195. 9 kJ ∙ mol -1 ÷298X(—95.0) J×moΓ1=-224. 21 kJ ∙ mol^1 可逆热效应为:Q = T ・ Δr S m = 298 K ・(一95. OJ ・ moL ・ KT) = 一28.31 kJ ・ moΓ,6. 在 298 K 时，电池 Hg(I) I Hg 2CKs) ∣ HCKa)ICI 2(p ∙) I Pt(s)的电动势为 1. 092 V,温度系数为9. 427 ×10^4 V ・ KT.(1) 写出有2个电子得失的电极反应和电池的净反应；(2) 计算与该电池反应相应的Δc G m .Δf S m ,Δr H m 及可逆热效应Q R .若只有1个电子得失,则这些值又 等于多少？(3) 计算在相同的温度和压力下,与2个电子得失的电池净反应相同的热化学方程式的热效应.解:⑴在298 K 时负极 2Hg(l)— Hg 2Cl 2(s)+2e-正极 Cl 2(p ∙)÷2e -― 2Cl-(α)电池反应 2Hg( 1) +Cb (P 9)—Hg 2Cl 2 (S)+2CΓ (α).(2) Δr G m = -zFE=-2×96500× 1. 092= -210. 756 kJ ・ moΓ1Δr S rn = zF(霁)=2X96500X9. 427X10T = I81. 94 J ・ moΓ,・Δr H πι =Δr G m +T ・ Δc S m= (-210. 756×103 + (81. 94X298) = —156. 54 kJ ・ mol^1QR=T ・ A r S m = 298X181. 94 J ・ mor ,=54. 22 kJ ・ mol^1若只有一个电子,则所求的值变为原来的1/2.(3) 若在相同温度压力下,热化学方程式的热效应为 QP =△ H∏I =— 156. 54 kJ ∙ mol -17. 一个可逆电动势为1. 70 V 的原电池•存恒温榊中恒温至293 K.当些电池短路时(即宜接发生化学 反∕3E ∖ -ΔrS m . ∖3T)p ZF= 2X96500 8-54X10-V-K-⑵ Δ,H ιn =-ZFE+zFT(霁)p△「H rn 不随温度变化应,不作电功)，相当于有IOoO -C的电荷墩通过.假定电池中发生的反应与可逆放电时的反应相同,试求以此电池和恒温槽都看作系统时总的爛变•如果要分别求算恒温槽和电池的爛变•还需何种数据？正极-I-Tr + (血卜)÷e -― -∣-T1+S 卜) 解:电池发生的反应与可逆放电时的反应相同•系统的 ΔrGn ≡Wf,mBX = — TlEF= -GF)E=-Q ∙ E=+ 1000 • 1. 70=1. 7×103J QP='Hm∆S(槽〉=一爭体系的 Δr H=Δf G÷T ∆f S=O•S=半=爭=坷衆j =5∙ 8 J-K-*若要分别求熔变还需知道电池反应的熔变.8. 分别写出下列电池的电极反应、电池反应,列出电动势E 的计算公式,并计算电池的标准电动势P. 设活度因子均为1,气体为理想气体.所需的标准电扱从电极电势表中査阅. (1) PtIH 2(p ∙)∣KOH(0.1 mol ∙ kg-,)∣O 2(ρβ)∣Pt l(2) Ptl H 2 (/>•) IH 2SO 4 (0.1 InoI ∙ kg~,) IO 2 (∕>∙) I Pt j(3) Ag(S) I AgI(S) IΓ (αf ) ∣∣ Ag 十(%+ ) ∣ Ag(S)；(4) PtlSn 4+ (a/+ ) ∣∣ Tl 3+ ,T1÷ (a τι+ )∣Pt;(5) Hg(I) I HgO(S) IKOH(O. 5 mol ・ kg~1) ∣ K(Hg)(a βm = 1).解：(1)负极 yH 2(∕>∙)÷OH^(aoH - )—*H 2O(I)÷e^正极 ~O 2(p ∙)+yH 2O(l)÷e -— OH-(aoH-)电池反应-∣H 2(p ∙)+-}θ2(p ∙)一y H 2 O(I)电动势E=B-響n(叫O-f =EL VdH 2 •叫 /E =痪 IH 2O-^H + IH 2.⑵负极 y H 2(p β)— H +(aκ÷)÷e -正极 yO 2(p β)÷H÷(aH÷)÷e'— -∣ H 2O(I)电池反应 y(∕>∙)+yθ2(p β)—y H 2 O(I)E=F=衣⅛ IH 2O —内+ H 2(3) 负极 Ag(s)÷Γ (ar )— Agl(S)+e -正极 Ag + (aA β÷)÷e --→ Ag(s)电池反应 Ag+ (aA β+)÷Γ (ar )—AgKs)B =陆+∣心一曲Ag ∙(4) 负极-I-Sn 2(a ⅛2+ )— Sn 4+(a ⅛4+ )÷e~电池反应-JSn 2+ (αso 2+ )÷yTl 3+ (α-∏3+ )—yTl÷ (如+ )+ySn 4+(αs ∏*÷ )E8—野(芋÷器「B =耐 ∕∏++碼n4+∙Sn2+∙⑸负极 y Hg(I)÷0H^ (OOH- )-→y HgO(s)÷y H 20( 1) + e~正极 K +(ακ÷)+丄 H g(l)+L-* 丄 K fl Hg(心+) n n电池反应 (令+卡)Hg(l)+OH- (OeH- )÷K + (ακ+ I=令 HgCXs)+* FfeO(I)+*K n 曲处)E W= 9⅝+ ∙Hg ∙0H β-©3・H«・OH_ •9. 试为下述反应设计一电池Cd(S) ÷I 2 (S)—Cd 24 (αcd 2÷ ) +2Γ (Φ )求电池在298 K 时的标准电动势E*,反应的Δr G ∙和标准平衡费数K ：.如将电池反应写成-Jcd(S)+-∣I 2 (s)==-∣∙Cd 2+ (α<√+)+Γ (αΓ)再计算E*>Δr G*和K ：,比较两者的结果,并说明为什么.解:设计电池还原 负极 Cd(S)― Cd 2+(αcd 2÷)+2e -氣化 正极 I 2(s)+2e-— 2Γ (αr )电池反应 Cd(S)+ I 2(s)—Cd 2+ (OCd2÷ )+2Γ (αr)O =殉1厂一獰+ ICd=0. 5355-(-0. 4029)=0. 9384 VΔr Gj 1 = -zE w F=-2×965OO×O. 9384 = -181.11 kJ ∙ moΓ1K ： = 5. 56X10巴电池反应式写成-I-Cd(S)÷Iz (s)=-^-Cd 2+ (OCd 2十)-J -I - (a 厂)D 不变 Δr G ∙(2) = yΔr GS 1(l) = -90. 56 kJ ∙ InOlTK ：⑵= (KJ(I) )⅛ =7. 46×IO 15.10. 298 K 时,已知如下三个电极的反应及标准还原电极电势,如将电极(1)与(3)和(2)与(3)分别组成 自发电池(设活度均为1),请写岀电池的书面表示式;写出电池反应式并计算电池的标准电动势・仃)Fe 2+ (ap e 2÷ )+2e 一一 Fe(S)(2) AgCl(S)÷e^^— Ag(s)÷CΓ (aa") (3) Cl 2(p β)+2e^— 2CΓ (Oa -) 解：自发反应E>0,电极电势高的做正极 电极(1)的电极电势V 电极(2)的电极电势.E=F∙-^Γln ]Λκ÷ ∙ ^OH - InK ： = 'Gm 二 RT ~ -18L IlXlO 3 = 73. 0958 φβ(Fe 2^ IFe) =—0. 440 V ； φβ(CΓ IAgCl(Ag)=O. 2223 V ；φ∙(Cl 2 ICr ) = 1. 3583 V.(1)写出电池的表示式.(2)计算上述电池反应在298 K、反应进度为1 mol时的标准平衡常数K：.(3)若将过量磨细的银粉加到浓度为0. 05 mol・kgτ的Fe(NQ)3溶液中,求当反应达平衡后,Ag*的浓度为多少？(设活度因子均等于1.)解：⑴电池表示式为 PtlFe2"(α1),Fe3÷(α2) ：• Ag+(α3)∣Ag(s).(2)平衡常数InK： =欝^=^VlAg- 9^e3*∣Fe2÷1 τ^.l×(0. 7991-0. 771) • 96500_,lnκ∙^ 298X8.314 ^t094K： = 2. 98&(3)已知Ag(s)÷Fe3÷ -- Ag÷ ÷Fe2÷开始0∙ 05 O O平衡0.05-α a aκ⅞ =5⅛ = (Kυ-=(2. 988)-«a=4.417×10~2 mol ・ kg^1.14.试设计合适的电池判断在298 K时•将金属银插在碱溶液中，在通常的空气中银是否会被氧化? (空气中氧气分压为21 kPa).如果在溶液中加入大Ift的CN—,情况又怎样？已知：[Ag(CN)2]-=—Ag(s)÷2CN^矿=一0. 31 V.解:设计电池Ag(s)÷Ag2O(S) IOH- (αoH- ) IOz(如)IPt 电池反应2Ag(s)+寺Q (如)= Ag2O(s)负极2Ag(s)+2OH~ (αoH-)—Ag20(s) ÷H20( 1)÷2e^正极 yC)2(∕>o2) + H2O(l)+2e-— 20H~ (a oH-)B =φ⅞∣0H----------卩Ag2OIAgiOH- =(O• 401一0・ 344) V=0. 057 V& 314X298=0. 047 V>0△「G n = -ZFEVo电池是自发的,在空气中碱性条件下Ag能被氧化成氧化银. 加入CN一后,电池变为Ag(S)I[Ag(CN)2]- ,CN-(加- )Il OH" (a o∏-) ∣Cλ(po2) IPt负极2Ag(s)÷4CN~ (acN- )— 2[Ag(CN)2]' +2e~正极∙yO2(∕>c⅛ )÷H2O(l)÷2e^— 20H- (aoH~)屯池反应：=C∙ 057 V ln(0.21)-⅛V2Ag(s)+4CN- S CN-)÷y⅛(po2)÷H2O(l)= 2[Ag(CN)2]- +2OH ・(αθH-)电动势E 冷墙唏-蔚 U 詈普 E=9⅛2!OH- -⅞⅛‰GN>jTΛ1,-fJln 击-第In 3-):豪(S) =0. 401-(-0. 31)-0. Ol-^ln 屜.=昙零2]之大量CN 一存在,Q CN -很大,而Q OH -与Q 〔心a?：T 都很小 故In 皿-¥竖畤M rZVO(OCN )E>0∙ 701此时电池电动势大于不加大量CN-离子时的电池电动势.E=RI ^t E 越正K ：越大反应的趋势越大.所以•加入CN-后，Ag 氧化成[Ag(CN)2]-・15. 在298 K 时,分别用金属Fe 和Cd 插入下述溶液,组成电池.试判断何种金属首先被氧化?(1) 溶液中含Fe 2+和Cd 2+的活度是0.1・(2) 溶液中含Fe 2+的活度是0・1,而含Cd 2÷的活度是0. 0036.解:(1M=^÷ ICd = -0.4029 V鸭=强2十 IFe = -0. 4402 V前 >衣，以妨为正极设计电池 Fe(S)IFe2+(QFe2+ ),Cd2+(αcd 2+ )1 Cd(S)负扱 Fe(S)— Fe 2+(αh e 2÷)+2e -正极 Cd 2+(αcd 2÷ )÷2e~— Cd(S)电池反应 Fe(s)÷Cd 2' (αcd 2+ )=Cd(S)+ Fe 2")电池电动势:E=F —第L 苗= MICdFe2+,Fe -琴In =0. 0383 V>0 > ∆r G m = — zEF<Z0 电池反应能发生首先Fe(S)被氧化成Fe 2+.⑵ E=LfJln 眸 =θ∙0383 v -⅜ii≡IF lnδ⅛⅛ = -0. 0044 V<0Δf G m >0反应不能发生,而其逆反应可以发生•Cd 首先被氣化成Cd 2+. 16. 在 298 K 时,有电⅛: A g (S) 1 AgCl(S) ∣ NaCK a q) I Hg 2Cl 2 (S) | Hg(I),已知化合物的标准生成 Gibbs, 自由能分别为：5GU AgCl,S) = —109. 79 kJ ・ moΓl,Δr G ∙ (Hg 2Ch ,s) = -210. 75 kJ ∙ mol~l .试写出该电 池的电极和电池反应,并计算电池的电动势.解：负极 Ag(s)+C 厂(Oa-)— AgCI(S)÷e'正极-^-Hg 2C∣2(s)÷e -— Hg(I)+Cl (Oa-) =0. 701-琴In (QOH-)2([Ag(CN)2]-)2(OCN- )4 = -0.4029+0. 4402& 314X298] I 2X96500电池反应 Ag( s>+寺 Hg 2Cl 2 (S)==AgCKS) + Hg(I) Δr Gm =ΔfG>(AgCl,s) — ∙ Δr G ⅛ (Hg 2Cl 2 .s)= -109. 79—寺 X ( — 210. 75) = — 4. 415 kJ ∙ TnOr l标准态下E=F? =—辔=疇謡=0.04575 V17. 根据下列在298 K 和标准压力下的热力学数据•计算Hg(XS)在该温度时的解离压.已知： (1) 电池 Pt IH 2 (A ,2 ) I Na()H(α) I Hg(I)的标准电动势 E*=0. S265 V ； (2) 反应 H2(g) + *O 2(l)—H 2O(I)的 Δr H^ = -285. 83 kJ ∙ moΓ,J (3) 298 K 时,下表为各物质的标准摩尔爛值解:负极 H 2 (P H 2 )+2OH-(a θH- )— 2H 2O(l)+2e^正极 H 2O÷Hg(Xs)÷2e -— Hg(I)+2()H^ (a 0H~) 电池反应 HZ(PH2> +Hgo(S)—Hg(l) +HZo(I)①∖G = — ZFF=(—2X96500X0. 9265) = 一 17& 84 kJ ・ mol~1H2(g)+*Q(g)==H2O(l) ②∆r Gm=Ar Hm-T ∙ Δr S^1∆r q = 69. 91-130. 7-γ(205. 1) = -163. 34 J ・ IC q・ m□Γ1ΔrG, = (-285. 83X103-29& (一163. 34))=—237.15 kJ ・ moΓ' ①一②式得 HgO(S)-Hg(I)+*Q(g) ΔcS=ΔrG ⑴一、企(2)= -17& 81+237.15=58. 34 kJ ∙ moΓ1K e= 5. 94X107In58. 34 XIO 3 on 一&31 仪298一一23. 547K・=(分)=5. 94×10'nPo z=3∙ 575X1(Γ" Pa18.在273〜318 K的温度范围内，下述电池的电动势与温度的关系可由所列公式表示：(1)CU(S) I Cu2O(s) I NaOH (aq) ∣ HgO(S) I Hg(I)E∕mV=461. 7-0.144(T∕K-298)÷1. 4×10"4(T∕K-298)2(2)Pt(S) ∣H2(p e)∣ NaOH(aq) ∣ HgO(S) | Hg(I) *E∕mV=925∙ 65—0. 2948(T∕K-298)÷4. 9X1()T(77K—298严已知Δr H=(H2()J> = -285∙83 kJ ∙ moΓ1,Δ∣C⅛(H2OJ) = ~237. 13 kJ ∙ moΓ,,试分别计算 HgO(S)和Cu2(Xs)在 298 K 时的Δf G∙和Δi H:的值.解：CU(S) ICu2O(S) I Na()H(aq) ∣ HgO(S) | Hg(I)(1〉的电池反应为负极 2Cu( S)+20H- (aq) ―Cu2 O(s) + H2O(l)÷ 2e_正极Hg(XS)÷H2O(l)+2e-— Hg(I)+2()Fr (aq)电池反应2Cu(s) ÷ Hg()(S)=*Cu2O(s) + Hg(I)①(2)的电池反应为：负极 H2(p∙)+2()H一 (aq)— 2H2()(l)+2e'正极 Hgo(S) + H2O(l)+2e一一Hg(I)+ 2()FΓ (aq)电池反应Hg()( s) ÷ H2(∕>∙ )≡=Hg( 1) + H2 0( 1) ②在298 K时①、②的电池电动势分别为El =451. 7-0.114(T-298)+l∙ 4X10T(T —298)2 mV= 461.7 mVE2 =925. 65 mVΔrG^(l) = -^EιF=0.4617×96500×2≡-89. 11 kJ ∙ moΓ,ΔΓG(2)=-Z E2F=O∙92565×965OO×2=-17& 65 kJ ∙ mol"1在298 K时Δr((l)=zF(需)=2×965OO×(-O. 144)× 10^3 = -27. 792 J ∙ K^1・ mo「△rSS I(I) = ZF(需)” = 2X96500X(一0.2948)X107 = -56. 896 J ・ K^,・Δr H m(l) = ΔrG m(l)+T∙∆r S ro(I)= -89. IlXlO3 J ∙ moΓ1÷298×(~27. 792 J ∙ K ∙ moΓ1) = _97. 39 kJ ∙ mol一】Δr H m(2) = Δr G m(2)÷T ∙ ΔrS fn(2)= -17& 65 X IO? + (— 56. 896) X 298= -195. 61 kJ ∙ moΓ1已知 H2(p・)+*Q(p。
热 力 学 第L 如果-个系统从环境吸收了如J 的热，而系统的热力学能却增加r 200 n 问系统从环境得到r 妾少 功？如果该系统<t 膨脈过程对环境作了 10 KJ 的功•同时收了 2« KJ 的热*求系统的热力学施变化值. 解;根据∆U=Q^W 热力学第一定律.可知W r -=∆Lf -Q (系统从环境吸热，QAo)= (200-40)J = 16OJΔΠ=Q÷W (系筑对环境做功MVtD= (28-10)kJ≡18kJ,2, 冇10 πκl 的气体(设为理想气休)■压力为Kx)O kP 酣温度为300 K •分别求出等温时下列过程的功' O )在空气压力为IoOkP 日时.体积胀大I dm½(2) 在空气压力为100 kPa 时•膨胀到气体压力也是IOO kPa ；(3) 等温可逆膨胀至气体的压力为IOo kPa.解：(D 外压始终维持恒定'系统对环境做功W-=-A∆V1(X)XlO J PaXlX 10^3m 3= — 100」*一 E 牛由沖«*>--IOmoixa. 314 J * mol~, ∙ K-I X300KXln IOmOl,300 K IOOokl⅛.V 1 IOmOL 300 KIOOkPa ⅛V;S 2-6^-PΛV 1~VOTIRTI \4 )=-1OnlO1XB, 314 * J ∙ TnOr I ∙ K^l ×30°KX 100^(i⅛-ιδ⅛)=-^ 25XIQ 4J*&尊温可≡K --f ： MV一 PE nRT 2 = ~nRT In= -5. 74XIO 4 J. ■3. 1 mcl 单原子理想气体,Cv"∙∣R.始态⑴的温度为273 K,体积为22.4 dπ?,经历如下三步•又叵 到始态•请计算每个状杰的压力、Q ・W 和2.(1) 等容可逆升温由始态(1〉到546K 的状态(2卄(2) 等温(546K)可逆膨胀由状态(2)到44. 8 dm j 的状杰(3卄(3) 经等压过程由状态(3)回到始态(1).解,(1)尊容可逆升温过程如图2-7. 546k,lmol. 44.8×10⅛5图2-7W-~A∆V=0∆L∕=Q÷W≡=Q = J ： nCv.m <lT=lmol×-∣-×& 314 ・ J ・ mol"・ KTX(546-273)K=34O4. 58J.(2)等温可逆膨胀过程∆U=0 W≈-∏RT In^ = -ITnol×& 314 J ・ mol^, ∙ K~, Xln ∣∣r ∣×546K=-3146. 50JQ=-W=3146∙ 50J∙ (3〉等压过程W = -P t ∙ ∆V=-vΓ(VI_v ：)1I∏212⅛J14 J_LmQLL∙ K J ×273K χc22 4_44 S)X 10-3rn J = 2269. 72J nC fi .m dT ="(∙∣∙R+R)X(273 K -546 K)∆LΓ=Q*W= (-5674. 31+2269. 72)J = -3404. 59J.4. 在29】K 和IOO kPa 下・1 mol Zn(S)溶于足就稀盐酸中•置换出1 mol H, (g).并放热152 kJ.若以Zn和盐酸为系统,求该反应所做的功及系统热力学能的变化. 解：Zn(S)+2HCl —ZnCl 2 ÷ H 2 (g)22∙4X10fQ= -y×8∙314J ∙ moΓ, XK*1 X(-273)KXlmol≡-5674. 31J 5461ςlmol,22,4×10W [T]在291 K-IOOkPa的条件下发生以上反应•产生Hz(g)W=-P r(V J-V I )== — />, =_ p. τ^~ = -nRT(.p,≈ p= IOOkl,a)≡ - Imol X & 3)4 J ∙ moΓ,•KTX291 K=-2419. 37J该反应为放热反应>Q<0.Q=-152X103J∆σ=Q÷W=-(152× IO3+2439. 37)J = -154∙ 42X103J∙5在298 K时,有2 mol N2(g),始态体积为15 dm3.保持温度不变•经下列三个过程膨胀到终态体积为50 dn?,计算各过程的∆U f^H t W和Q的值.设气体为理想气体.(1)自由膨胀；(2)反抗恒定外压100 kPa膨胀；(3)可逆膨胀.解：(1)自由膨胀过程为尊熔过程AH=O由于A=O W=-P.V=O同理∙∆H=Δl7+∆(pV)可推出∆LΓ=O又根据∆U=Q÷W可知Q=O.(2)反抗恒定外压膨胀W=-P e(V2-V l) =-100×103 Pa(50-15) × 10^8m3 = -3500J因为理想气体的U和H都只是温度的函数•等温下∆U=0.∆H-0,Q- W=35OOJ.(3)等温可逆膨胀W =-∫pdV = 一HRT In 普=一2τnol X & 314 J ・moΓ1・ K-I X 298 KXIn 誇=-5965. 86 J2=Q÷W,等温过程∆L∕=O.∆H=OQ=-W=5965. 86 J.6•在水的正常沸点(373. 15 K,101. 325 kPa),有1 mol H2CXD变为同温、同压的H l O(g),已知水的摩尔汽化焙变值为‰=40. 69 kJ・TnOrLiS计算该变化的Q∆U,∆H的值各为多少.解:相变在373.15K,101. 325kPa等温等压下进行，AH=QQ= H. =40. 69kJ ∙ moΓ1×lmol≡=40. 69kJW--^(V g-V r)--TtPT--ImoIX& 314J ∙ mol 订∙ Kβl×373K≡-3. IkJ ∆U=Q÷W=(40. 69-3.1)kg=37. 59kJ.7.理想气体等温可逆膨胀,体积从匕膨胀大到】0匕，对外作f 41.85 kJ的功，系统的起始压力为202.65 kPa⑴求始态体积VZ(2)若气体的Ift为2 mol.试求系统的温度.解,1)等温可逆过程W≈-nRT In^V r)理想气体状态方程pV=nRT两式联合求解PVI =InV =0. 089m ∖202. 65×103Pa41.85×1O 3J Vl=曲(2)同理根据笥温可逆过程中W=-nRTIn存W 41.85 × IO3J "iz可得T= ------------V- ------------------------------------------- :一i∩v;-1°93∙ 05K.nR In 护2mol× & 314 J ∙ mol 1∙ K In&在100 kPa及423 K时閑1 mol NH j(g)等温压缩到体积等于10 dm3,求最少需做多少功？(1)假定是理想气体,(2)假定符合Van der WaHIS 方程式.已知Van der WaaIS 常数α = 0∙ 417 Pa ∙ m4∙ moL"=3∙ 71X 10"5m3∙ moΓ6.解：(1)假定为理想气体,那么气体在等温可逆压缩中做功最小W≈-nRT In 务= -ltnoI×& 314 J ・moΓ,∙ K-l×4Z3 KXIn 35 χ lo⅞'=MQ5, ?4J可根据理想气体状态方程V严警=—X8,314wop√κ—23 K =s35X Io-Jm3 代入上式方可求解.(2)假定符合Van der WaalS方程•方程整理后•可得(6÷T)÷V-7-⅞≡0代入数据Vi-3. 472×10∙t Vl÷4.17× IO-6V flt-L 547×lO',o=O解三次方程后得V m=35×10-3m3= 疑三篇一曲(炳一吉)=0. 417Pa ・m∙ ∙ moΓ> ×12× (5⅛厂5⅛?)4385. 21J.9.巳知在373 K和100 kPa压力时，1 kg H2O(I)的体枳为1. 043 dm∖ 1 kg H20(g)的体积为1677dm3,H2O(I)的摩尔汽化熔变值JpH fn=MO. 69 kJ・moΓ1.当1 mol HQ(I)在373 K和外压为】00 kPa时完全蒸发成H2O(g).试求：(1)蒸发过程中系统对环境所做的功；(2)假定液态水的体积可忽略不计，试求蒸发过程中系统对环境所做的功•并计算所得结果的相对谋3假定把蒸汽看作理想气体,且略去液态水的体积,求系统所做的功；解:<1)«发过程中系统对环境做功W=-A(V<-½)= -100×10,Pa×(1677×10-,-1.043×10"s)m s・⅛~,×(18.0×10^3)kg=-3016. 72J.5解释何故蒸发的熔变大于系统所作的功.6 求(1)中变化的^U a和（2） 假设水的体枳可忽略∙W!J ½=0W=-P •匕= -100X103P8X1677XKΓ'kgT ∙ ∏? X18XlO -'kg=-3O18∙ 6OJ （二眇鹫盍嚮 72）J X ]00% =0 062%.（3） 把水蒸气看作理想气体•则可使用理想弐体状态方程PV=HRT且忽略液态水的体积,则V Z =OW≈-p^V g ≈-nRT= -lmol×8.314J ∙ moΓ, ∙ R -,×373 K= 一3101. 12J.（4） Q ,ιa = ∆r MI Hm = 40. 69kJ ∙ πx>Γ1A ” _Q-J rW 40. 69kJ ・ moL XlmolX103 + （-3016. 72）J 4U in - ---------------- T=S J ------------------------- = 37. 67 X IO 3J ・ moΓl .（5）仝蕉发过程中•用于系统对环境做膨胀功的部分很少•吸收的夬部分热量用于提岛系统的热力学10. 1 mol 单原子理想气体,从始态:273 K.200 kPa,到终态323 K,100 kAu 通过两个途径：（1〉先等压加热至323 K,再尊温可逆膨胀至IOO kPa,（2）先等温可逆膨胀至IOO kPa,再等压加热至323 K.请分别计算两个途径的Q∙W,2和AH,试比校两种结果有何不同•说明为什么.解:⑴因为单原子理想气体Gj=∙∣R,C,rn =今R 过程如图2—&①等压升温W I =_P ，（S_S=_P （呼^_呼^）= -M ∕?（^-T I ） = -ImOlX8. 314 J ∙ moΓl ∙ KrX （323—273）K= — 415∙ 7JHC Arni dT=Imol×γ×8. 314 J ∙ moΓl ∙ K l （323-273）K=1039. 257 心=J ： MCv,m dT=ImolXyX8.314 J ・ moL ・ KTM623.55J.②等温可逆总=-叔Tl 唸= -hnolX8. 314 J ・ moL ・ KU 323 KXln 需= -1861∙ 39 J∆LΛ ≡O∙∆Hf =Of Q 2 =-W 2 = 1861. 39JW = W 】+WZ =-2277∙ 09JQ=Ql 卜Q=29OO∙ 64J ∆U=∆IΛ+∆IΛ = 623∙ 55J ∆H=∆Wι +∆H 2 = 1039. 25J.Wz≈~nRT InImOl323 KIOOkPa①等温可逆Vy I =^Tln⅛ = →T Ing≡-lmol×& 314 J ∙ moΓ, ∙ KTX273KXln 需=一 1573∙ 25J∆Uι ==0∙∆Hι =0Q=-Wl= 1573∙ 25J.②等压升温VV 2 = -A (½-V 1) =-n ^(T 2-T 1 J--ImolX& 314 J ∙ mcΓ, ∙ K "】(323—273)K≡= — 415∙ 7J△H2=Q" = J ；： nC pt .dT=1 TnOlX 孑X8.314 J ∙ moΓ1 ∙ KTX(323—273)K=IO39∙ 25J∆U t ≈ P rtC v .m dT=l mo ∣X⅜×& 314 J ∙ moΓl ∙ K^,=623. 55J 儿 2W=W l ÷W 2 = -198& 95J Q=Q+Q = 2612∙ 5J∆U=∆LΓ1 +∆IΛ =623. 55J∆H≡∆Hι ÷∆H 2 = 1039. 25J.比较两种结杲・2和'H 值相同•而Q 和W 值不同.说明Q 和W 不是状态函数•它们的数值与所经 过的途径和过程有关.而2和3H.是状态函数，无论经过何种途径•只要最终状态相同.2和∆H 的数 值必相等.11.273 K,压力为5×10s Pa^.N 2(g)的体积为2.0 dπ?.在外压为IOO kPa 压力下等温膨胀•宜到M (g ＞的压力也等于IOO kPa 为止.求过程中的Vy,∆M,∆H 和Q 假定气体是理想气体•解:该过程为恒定外压等温膨胀∆U=0∙∆H=0W=-PAVZ-VX y )Q=-W=800J.12.0.02 kg 乙醇在其沸点时蒸发为气体.巳知蒸发热为85E kJ ・kg",蒸气的比容为0. 607 m j ・ 治一'.试求过程的∆U,AH∙W 和Q(计算时略去液体的体积).H IGHSOH(I)I [p],[τ] ∣C 2H 5OH(g)p 、Tb图 2-10P∙Tb 图2-9(理想气体状态方稈PV=HRT)此蒸发过程为等温等压可逆过程∆H=Q Λ≡O. 02kgX858kJ ∙ kg -l =17.16kJ=-p f v g (忽略液体的体积)=-IOOX IO 3PaXO. 02kgX0. 607 m 3 ∙ kgT = -1214JMJ=Q+W= 17. 16×103 + (-1214J) = 15946J∙13. 373 K∙压力为100kI⅛时,LOgH 2O(I)经下列不同的过程变为373 KJOokPa 的出0@〉•请分别 求出各个过程的∆LΓ.∆H,W 和Q 值.⑴在373 KJoO kPa 压力下H 2O(I)变成同温、同压的汽；(2) 先在373 K ・外压为50 kPa 下变为汽,然后加压成373 KJOO kPa 的汽$(3) 把这个H 2O(I)突煞放进恒温373 K 的真空箱中•控制容积使终态压力为100 kPa 的汽.已知水的 N 化热为 ZZ59 kJ ∙ kg l .解:(1)水住同温同压的条件下蒸发∆H≈Q, = l×10-1kg×2259kJ ∙ kg 1=2∙26kjW≈-pV β (忽略液体体积)= _nRT∆U=Q+W=2∙ 26 × IO 3 J+(~ 172J) ≡2088J.图 2-11 [p] AHl=Q 、= 1 × IoTX 2259kJ ∙ k f Γl =2. 26kJWl = -PY l = -WRT= -172J∆Uι =Ql ÷W ∣ =2088J[C AU 2 = 01 ∆H 2 ≡0. W*≡ ~ n RT In^ = - nRT In y ∖PI 一⅛⅛¾X3∙314 J ・ mol- ∙ KT X373 KXln 鑰= 119J、 Q=-W2 = -119JW≈W l ^W z ~-53JQ=Q+Q=214U∆U=NΛ+∆IΛ=2088J∆H=∆H 3 ÷∆H: =2. 26X ]03J.(3) 在真空箱中"∙=0∙故W=O由∆U.∆H 为状态函数•即只奥最终状态相同，则数值相等 ∆H=2. 26×103J∙ W=Q+W=Q= 2088J.14. 1 mol 单原子理想气体•始态为200 kPa. 11. 2 dn?,经PT=储数的可逆过程(即过程中PT=誉數)■ 压缩到终杰为400 kPa.已知气;体的CV tm = -IR 试求 l∙0X107⅛g 18×10β,kg∙ moΓlX&314 J ∙ moΓx ∙ K -I X373KH-172J (2)373K∙ H 2CXD [/>] 50kPa 373K> H 2CXg) CTJ 50kPa373K>H 2O(g) IOOkPa（1） 终态的体积和温度;（2） ∆L r 和 M（3）所做的功•解：（1）根据PT ■常数,则PITI-P I T2丁 =ATl __________________ _________ _____ ______________2 PZ PZ 400ICPaF =航乃_ ImolX& 314 J ・ moL ・ KTXl34.7K gχ 10-3m3PZ Zd • •⑵单原子理想气体CV.,m =J-R2=J ； nCv,m dT=nC v ,m (.T z -T l ) = ImolXyX& 314J ・ mol~,・ KTX(134. 7—269. 4)K=-1679. 84J △H = r nC^dT=nC,.m (T 2-Tχ>JT I= ImoIX--X& 314 J ∙∙tnoΓ, ∙ KTX(134. 7—269. 4)K=-2799∙ 74J.⑶由/「D 丁两式可推出V=曙∖pV^nRT eW=PdVM-J ； £ ・?^XdT=-2nR(7⅛-T 1)= -2×lmol×& 314 J ∙ TnOr l ∙ KTX(134.7—269・ 4>K=2239∙ 79J.15. 设有压力为IOO kPa 、温度为293 K 的理想气体3.0 Bm 3 ,在尊压下加热，直到最后的温度为353 K 为止•计算过程中W.3l7.∆H 和Q.已知该气体的等压摩尔热容为:Q lnI = (27. 28÷3. 26×10^3T∕K)J ・ K~1 ∙ πκ>Γ,.解:该过程为等压升温过程△H=Qp — J ； n C,.m ATC,ιn =(27. 28+3. 26X10-J T)J ・ KT ・ moΓ,∆H =∏Γ27. 28(T 2-T 1)+y×3. 26×10^,(7l-71)]=0.123×[27. 28X(353—293>+* X3. 26X10^X(3532—293J]=209. IJIOO XlO 净X 3 X10Tm3 _8?314 j~∙ τnoΓ1 ∙ K*1 ×^93K理想气体等压过程普=书 ,3X¾^353K =3 6χ 10-3m3(½-V 1 ) = -100× 10, Pa× (3.6-3) X 10-1m 3≡-6DjQ=Q+W=209∙ 1J -6OJ=149∙ 1J∙16. 在1200 KaOO kPa 压力下,有1 mol CaCO (S)完全分解为CaO(S)和CO 2(g),吸热180 kJ.计算过 程的W,∆L ∖∆H 和Q 设气体为理想气体.AV l "c 1 c 2θOX103Pa×11.2×10-3m 3 匕 ⅛ 2°OkP a 石拠314 J=TnO 产T0 = ^. IK400X10讥 RT l =0.】23mol解:CaCO3（S）-^-Cao（S）+CO2（g）⅛化学方程式可知ImOl OCO J（S）分解可生成ImOI CQ（g）,计算过程中忽略CaCOa （s）> CaCXs）的体积.w≈ -P f V g≡ -HKT=≡ -ImolX& 314 J ∙ moΓl∙ K*1×12∞K=-9976. 8JQ=180×103J=∆H∆L∕≡Q÷H r=180× IO j J÷（-9976. 8）J≡170×103kJ・17 •证明：（霁）,=—〃（霁）「并证明对于理想气体有（黑）广0・（勞）广0・证W:（l）已知H"¾7+z>U •U=H-PV（紮广（霁）厂（锡辽理想气体CP仅是温度函数C产（黑）*故（畀）广G-P（霁）严立.（2）dH-（IH）Vdτ+（IH）Td V理想气体等温过程∆H=O,∆T=O,故dH=O,d:T= O故（霍）∕V=0 等温彩胀或等温压缩∙dVHO所以（黑）广O 成立.⑶ Λ7=（S）V dr÷（^）Λ理想G体等温过程∆LΓ=O,∆T=O,同理ΛJ=O,dT=O由（2）可知dV≠O所以（需）广O成立.由于S（霁）v故，（寫）T=S陽（畀）J = ［齐（影）订严他证明：（需）,=C,（黑）厂〃—歌［（制厂町证明：（1）U=U（P t V）H⅛J÷∕>V dH=ΛJ÷pdV÷Vdp =（韵严+ （黑）严+ pdV-hVdp 等圧过程dH=（5V）/V+pdV两边同除以dT （霁）广（軌（歌+P（歌提取相同的（霁）,収因为C严（霁力所以Cr執[（韵,+打所叫執“-/＞（執成立•⑵ H=H[75 dH-（W）∕τ÷（lj）Λ同上题,可知dH=dU÷∕xlv÷VdΛ=dU÷VdZ＞（等体积过程）联立等式•两边同除以Crr又由于C 严（黑）， CV=（^）V 代人上式,整理后得—3 = -（霁）』（制广可故・证明完毕・19.在标准压力下•把一个极小的冰块投人0.1 kg.268 K 的水中•结栗使系统的温度变为273 K,并有 一定数槓的水凝结成冰•由于过稈进行得很快•可以看作是绝热的•已知冰的溶解热为333. 5 kJ ・kg-＞ •在 268〜273 K 之间水的比热为4. 21 kJ ・K"・kg^Λ（1） 写出系统物杰的变化•并求出∆H, （2） 求析出冰的质fit.解：（1）在p∙的条件下•此过程为绝热尊压过程故AH=Qp=O. ⑵设析出冰为∙rkg∙那么水为（0∙ l -χ）kg t 如图2-12.268 kQN kg HI O(D图 2-12∆H=∆H ∣ +∆H2 + ∆H3同种物质同温同压下变化AHs ・0・故∆H -∆H ∣ +∆H: ∆Hι +∆W2i =0O. IkgX<2IkJ ∙ K -I ∙ kg ∙,×(273-268)K+(-333.5kJ ∙ kg*1)Xkg=O x=6. 31kg.20.1 mol N 2(g)∙在298 K 和IookPa 压力下•经可逆绝热过程压缩到5 dm 3.试计算(设气体为理想气 （DN√g ）的遇后温度， （2） N 2（g ）的最后压力; （3） 需做多少功・C解：(1)Imol N 2为双原子分子7=沙= W- = I.42KImOl 气体为理想气体•符合理想气体状态方程 V_迟石 JmoIM& 314 J ∙ mo ∣τ ∙ KTX298 心“心心 VL 例- IOoXlO 3Pa-0.02448m理想气体绝热可逆过程中的过程方民式：TV-I =^数 T I v I L ^I = T 2v 2,4*1298K×<0. 02448)(M = Tl (0. 005)°∙4 Γ2=b62. SK. (2) 同理=X k« H J o(J) [ (0.1∙x)kg H I o(O 273K I 273 K0.1kg H j 0(∕)273IOOxIo j Pa×<O. 02448)1∙4= ∕>2×(0. 005)I∙4∕⅛=924×103kPa.(3)理想气体绝热可逆过程中的功：W "仇S-PlV F]LI■= nCv.m(T2-T)) = ImolXy X& 314 J ・ moL ・ K^1 X(562. 5-298)K=5497. 63J.21.理想气体经可逆多方过程膨胀•过程方程式为PV =C•式中C,”沟为常数.n>l.⑴若/J=2,l mol气体从W膨胀大到匕•温度由T, ≡573 K到T2≈m K •求过稈的功W：（2〉如果气体的Cv.w = 20.9 J・C・moΓ,•求过程的Qz和∆H.解：（】）过程方程式PS=Cm=2∙p=磊W=-[： NV=―匸：翁dV=C(舟一#)=野一響=0S-PX=HR耳一“R蘇=HR(T-T I) = ImoIx & 314 J∙ πκ)Γl∙ K'1 (473~573)K=-831. 4J(2)∆U^ F » C^dT= n Cv.m(T2 ~T3) == 1 molX20. 9J ∙ KT∙(473—573)K=-2090jJ T lC"=G∙u n+R=(20∙9+& 314)J ∙ TnoIτ ∙ Kβl=29.21J ∙ moΓ1∙ K l△H= f 2n C p.f∏dT=n CP^ (T2— Ti)J T I= ImOlX29.21 J ・ moL ・ KTX(473-573)K=-2921J∆U=Q+W(热力学第一定律)Q=∆U-W≡=-2090j-(-83L 4j)≡=-125& 6J.22.在298 K时•冇一定量的单原子理想气体(CV.m = 1.5/?),从始态2000 kPa及20 dm3经下列不同过程,膨胀到终态压力为100 kFa・求各过程的M∕,AH,Q及附. |(1)等温可逆膨胀；(2)绝热可逆膨胀；(3〉以5= I. 3的多方过程可逆膨胀•试在P-V图上画出三种膨胀功的示意图•并比较三种功的大小.解:单原子理想气体・3=号R∙C,m=号R,Z=詮=号I图2—13F a相U圧分大卡砂,_內匕_ 2000X103P8X20X107∏?_, 1, I理想气体状心方程n- RTI-8. 314 J ・moΓl∙ K1X298K~"∙ 14m°1(L)等温可逆膨胀∆U=0,∆H=0W≈-nRT∖n^≈-tιRT In^ (理想气体状态方Spι⅛=p2V2) P2= -16. 14mol×& 314 J ・ mol~,・ K^1×298K -119. 79kJ2=Q+W r=O Q=-W==I19. 79kJ.(2)绝热可逆膨胀Q=O理想气体绝热可逆过程方程式Pi-j TV = P2-TVp1<H>τJ=p1<ι-4>τ3(2000)∙i (298T =(IoO)一专T2IΓ2=89.91K理气绝热过程中W ≡nCv.m<T2-Tι)= 16∙ 14 molXyX8.314 J ∙ moΓ,∙ K*,(89. 91-298)K--4L 88X10,J ∆U≈Q+W≈W≈-41.88X1O3J *∆H=n C h^(-T i) = I6.14 mol×y X& 314 J ∙ moΓl∙ KT ×(89. 91-298)K=-69. 81XIO3J.(3〉多方可逆过程与绝热可逆过程方程式相似故aτ√≡z>21-*τ/(2000)73 (298)】」=(IOO) ^3T2k3T2 = 149. 27KW=器(号一TJ= 16.14molX 普詔］•型T匕KT(149. 27-298)Kn—66. 53kJ∆U=n CV t m ( T： ^~ Ti) = 16.14mol×-∣∙×8. 314 J ・moΓ 1•KTX(149. 27-298)K=-29. 94kJ∆H=nCn.m(T2-T l) = l6.14mol×y X& 314 J ∙ moΓ,•KTX(149. 27-298)K=-49∙ 89kJQ=Q+W(热力学第一定律)Q=∆U-W r=-29. 94kJ一(一66∙ 53kJ) = 36∙ 59kJ.(4)等温可逆膨胀∕>∣½≡p2½求出V2=0. 4m3绝热可逆膨胀∕>1V ∣4 =∕>2v 2i 求出V 2=O. 12m 3 多方过程可逆膨胀Zh⅛, s = ^V 2, 3求出V 2=O. 2 通过0(1)〜(3)的计算,可知杯，如图2-14.23.1 mol 单原子理想气体从始态298 K∙200 kPa.经下列途径使体积加倍•试计算每种途径的终态圧 力及各过程的Q ，W 及 W 的值,画出P-V 示意图,并把2和W 的值按大小次胖排列.(1) 等温可逆膨胀) (2) 绝热可逆膨胀；(3) 沿着^∕Pa=1.0×10*V.∕(dm j ・moΓl )÷6的途牲可逆变化. 解：1 mol 单原子理想气体 C^.β = -∣R.Q.1B = -I-R(1)等温可逆膨胀W=OW=—nRT In^ = -ImQIX& 314 J ・ moL ・ KTX298KXln 孝=-1717. 32J Q=-W=I717. 32J. (2)绝热可逆膨胀Q=OPIVI r ≡P J V J Z *故 Q= ”】(令)≡=200×103Pa伕X2χ連21-镇=鬻=7.7K= ImOlX 售 X8∙314 J ∙ InOr l ∙ K*1 (187. 7-Z98)K= -1375. 55J.V2=2Vι=24.78X10"3m 3p∕Pa≡ 1. OXIO 4V fII (Clm 3 ∙ TnOr l )+6代入数值•求解 6 值 2OOX1O 3 = 1.O× IO 4 × 12. 39+6 6=76100p 2=l× IO 4 XV 2 +∂=1 XIO 4 X24. 78+76100= 32390O(Pa)T =AV2=3239OQFaX24∙ 78X1OT 2~ nR -ImOIx& 314 J ∙ moL ∙ K -'W =_匸 PdV=-£2 (1.0×104V w +6)dV= -[y ×1. 0×104× (Vl-V4)÷76100× (V 2-⅛ )]=^3245. 56J∆U≡ΛCv,m (T 2-Tι)(3)V 1=讐=S 喙蘇3—2.咖E= 965. 4KK 2-15=63. OOXlO 3Pa=1 mol×4×&314 J ∙ moΓl ∙ KTX(965∙ 4-298)K=8323∙ 15J∆LΓ=Q÷H rQ≈∆U -W≈↑1. 57×1O 3J.（4）比较可得W3>W l >W 2f>随丁变大而变大p 3>∕h>p2册力学能变化 4>A3>∆LL,如图2 — 16. 24.某一热BL 的低温热源为313 K,若高温热源分别为： （1） 373 K （在大气压力下水的沸点”（2） 538 K （是压力为5. OXlO 6Pa 下水的沸点）・ 试分别计算热机的理论转换系数.解：（1）热机效3-⅞-I 1-κ=16.08%.T^TX298 K-273 K “一“ ^LT T Wl 273 K 八 33DkJ ∙ I QJ 人 1ICg —30. 68kj系统和环境中得到30. 68kJ 的功.26.有如下反应,设都在298 K 和大气压力下进行,请比较各个反应的2与的大小,并说明这差 别主要是什么因素造成的.(1) C lZ H 22C>1(蔗糖)完全燃烧；(2) CI O H ft (蔡,s)完全氧化为苯二甲酸 C βH 4(COOH 2)(S)I (3) 乙醇的完全燃烧；(4) FbS(S)完全氯化为 Eb(XS)和 5(⅛(gλ解:反应条件为 298 K, 100× IO 3Pa 压力下进行 Δ.H ro (T) = Δ<LΓm (T)+∆^T (1) C 12Hno ne + 1202(g>^12CO l (g)+llH2θ(l) An= 12—12=0 ∆H -∆L∕. (2) Δn<0∆H<∆U.(3) C 2 H 5OH÷3(⅛ (g)-2O⅛ (g) +3H 2O Δn<0 ∆H<∆L7.(4) 2Pbs÷3(⅛ ------- 2PbO+2SC⅛ Δn<0 ∆H<∆L7差别的主要因索在于反应前后气体的物质的虽差M fiiB 当 Δn<0 时.∆H<ΔU 当 Δn>0 时,∆H>∆U.27.0. 500 g 正庚烷放在弹形热量计中,燃烧后温度升高2. 94 K.若热量计本身及其附件的热容量为8. 177 kJ ・K-I •计算298 K 时正庚烷的摩尔燃烧焙(凰热计的平均泯度为298 K).解:GHw(l) + llQ(g)竺 7CO⅛(g)+8H2θ<l)TA373 K(2)热机效率 7=¾^ = 538KzpJS =41 82%.T K 538 K25某电冰箱内的温度为273 K ・空温为298 K ・今欲使1 kg 273 K 的水变 成冰,何最:少需做多少功？已知273 K 时冰的融化热为335 kJ ・kg-*.解:冷冻系数尸籌 W=丑匚耳Q 图 2-16止庚烷燃烧放热反应 ∆U=Q =—& 177kJ ∙ K 1 ×298 K=-24.0lkJ A f U =—= --------- 二?4. O^jeJ --------- = —4817 6kJ ・ mol 勺 d5 π 0∙5X]07⅛g 4*∙wu Inol100. 2 XIr rJ kg ∙ moΓl 正庚烷摩尔燃烧熔ΔcH w (GHιβ∙298K∙z>∙) = Δet∕ιn +∆zιRT= -4817.6kJ ∙ moΓ,+(7-ll)×8.314 kJ ∙ mol"1 ∙ X 10~ X298K=-4827. 5kJ ∙ moΓ,.2&根据下列反应在298.15 K 时的熔变值•计算AgCI(S)的标准摩尔生成给Δ H 紅AgChS,29& 15 K). (1) Afco(4+2HCl(g)—2AgCl(s) + H 2O(l) Δr W∙.ι(29& 15 K) - 32l.9 kJ ∙ moΓ,∣ (2) 2Ag(S)+*Q f (g)-Ag 2(Xs) (3) -∣ H 2 ⅛)+∙∣CI 2 <g)_HCKg) (4) H 2(g)+yO 2(g)-H 2CXI) 解：Ag( S) ÷~-C ∣2( g)—AgCl(S)经(I)Xy+(2)×y÷(3)-(4)×-∣这个计算过程方可得到Δl HX(AgCl,s.29& 15K) = *Δ,H"298. 15K)+*ΔJ H^(29& 15K) + ∆r ‰ 入、吐=×(-324.9)÷y ×(-30. 57) + (-92.31)—*(-285. 84) JkJ ・ mol~, = -127. 13kJ ・ moΓ1.29. 在29& 15 K 及IookPa 压力时•设环丙烷、石零及氢气的燃烧熔∆r ^(298.15 K)分别为一2092 kJ ・moΓ∖-393.8 kJ ・moL 及一285. 84 kJ ・moL.若已知丙烯QH<(g)的标准摩尔生成焙为Δl Hl <298. 15 K) = 2O. SO kJ ・ mol~l .试求：(1) 环丙烷的标准摩尔生成焙4HS,(29& 15 K)I(2) 环丙烷异构化变为丙烯的摩尔反应焙变值Δr HX(298. 15 K). 解：(1 )3C( 5)+3H 2 (g)-C 3 H e (g) ∆r Ht(C 3He,298.15K) = - Y vH∆c Wζ(β)B= -[∆C H; (GHs(g)∙29 & 15K)—3'H ：MC(S) .29 & 15K)-3∆eW(H t (g)∙29 & 15K)] = -[-2092-3X(-393. 8) — 3X( — 285∙ 84)]kJ ∙ moΓl =53.08kJ ∙ moΓ∖ (2)C 1H β =GCH=CH2XHl =3(GCH=CH?・298∙ 15K)-Δ(Hζl (GHχ298∙ ISK)= 20. SokJ ∙ moΓ1 —53. 08kJ ∙ moΓ1 = —32. 58kJ ∙ mol~,.30. 根据以下数据•计算乙酸乙商的标准摩尔生成焙(CH J C(XXZ 2H 5.1.29& 15 K) CH3αX)H(l)÷G H 5OH(I)=CH 3CCXX^ H S (1) + H 2O(1) Δf Hζ(29& 15 K) = -9. 20 kJ ∙ TnOr l乙酸和乙醉的标准障尔燃烧席Δt Hζ(298∙15 K)分别为:-874. 54 kJ ・moL 和一1366 kJ ・TnOΓ,, CO z (g),HτO(l)的标准摩尔生成熔分别为：一393・51 kJ ・moL 和一285. 83 kJ ・moΓ,.解：先求出ClhCCKJH(I)和GHsOH(I)的标准摩尔生成焙. CH 3C∞H+2Cλ —2CQ+2Hg∆r‰(29 8. 15 K)--30. 57 kJ ・ moL) ∆r‰(298. 15 K>-92. 31 kJ ・ m 。
第 三 章 热 力 学 第 二 定 律L 有5 md 某双原子理愚气体，巳知K 。
血'L 5 R,从始态MX ） &小）敏』经绝热诃逆压嫦至400 kPa 后,再真空膨胀至200 kPm 求整个过程的QW.&j.Vf 和AS,解:双原于理想气体 Gm = W^qg=R+G5 = 4"Ry=&JGs=L4 w br 绝刑 5moLT ? 5TDP 1 可逆1400 kpj 板00 好|绝热可逆IM Q,=-0,A S.-0iL r ! -IV -A CV E （耳一 M ）= 5 molxgx&314j mor i * K 1 X （487, 61-400） K=&104. S7J£f.y X S. 314J • n»r l • K 1<4&7. 61 -40O ）K= 127< &2J 绝然过程方程式k 弓=（勿＞了「=487.61枷真空圈胀&J 』=SAH ：=O ,W£=Q ,Q —Q 设计可逆膨媵计算4 皿,T 我L 二旱映H 网竣成虹£=S molX& 314J • eL ・ K' • In :& 8】J ・ K~ZUv KI aAS.r =0（真空肱虬系统不吸然）400 K.^md 200 kPa△Hi =rGm （K —「）—5 molXW=W]+W ：=9104. 87J Q=Q+Q=O必=W 】+W?=9104. 87J △H=△孙 +^Hz = 12746. 82J △S=q+AS2 = 28.81J • FT'.2. 有5 mol He(g),可看作理想气体，已知其Gm = l.5 k,从始态273 K,100 kPa .变到终态298 K. 000 kPa.计算该过程的炳变.解：单原子理想气体,Gs = 1.5R ・G.f=G ・m+R=2.5R等温升压可逆&7=0 Q-- W=(早)印=~£ =8. 314 J • mol 1 • K X5 irolXIn — 95. 72J • K *i Pt 1 uuu等压升温可逆Q=aH=nC,.m <T 2-T 1)M f ^f^dT = nC^.Jn 争=5 mol X 2. 5 X 8. 314J • rnoL • K" X In = 9. 11J • K 1J 丁1 」 / I4/O K^S=AS 1+AS 2 = -86. 61J • K \I3. 在绝热容器中，将0.10 kg,283 K 的水与0. 20 kg 、313 K 的水混合，求混合过程的嬉变.设水的平户 比热为4.184kJ ・Kf - kg"1.]解:Q=0. 1 kgX4. 184 kJ • K" • kgTX(T -283.2)KQ=0.20kgX4.184AJ •• kg"1 X (313. 2-T)K在绝热容器中Q+Q=0 T=303.2K ASi = f /：^dT=0. 01kgX4.184kJ • kg -XIn86XK)7kJ • K*1点=[孕 牟d 丁 =0.02kgX4.184 kJ • FT 1 . kgrxin^4^=-2.72XKTW • K^1J i 1 I OlO. 4i\ AS= AS )+ AS» =0.14J ・ KT ・4. 在298 K 的等温情况F,在一个中间有导热隔板分开的盒子中.一边放0.2 mol Q(g),压力为20 kPa,另一边放0. 8 molN ：(g).压力为80 kPa.抽去隔板使两种气体混合.试求(DIK 合后，盒子中的压力； (2) 混合过程的Q,W,和 g(3) 如果假设在等温情况下，使混合后的气体再可逆地回到始态,计算该过程的Q 和W 的值. 解:(1)理思气体状态方程 V> =g +V N 2m.RT »N 2RT)・2molX8.3m・moli •KTX298K|0.8molX&314J・moL ・K'X298K20X IO3 Pa 8OX1O5 Pa = 49. 55X10-0?% + 〃斗=0. 2 mol+O. 8 mol= 1 molA _性・" 处一& =」mo凶辿 . moLXU2竺瓯= 50,仲Pfl49. 55X10-3m3 50X10 1<L（2）等温过程W=0 Q=-WDahon 分压定律fix =—X/>a =10X103PaAv t =^X/>e=40X103Paw = + W斗=一处RTln 普-QTln竿》r^2=一8. 314jmoL • K- X298K(0, 2 molXln^+0. 8 molXln ~) = -1717. 32J10 40Q=-W=1717. 32J△S=* = 5. 76J ・ K'1j Vdp=W=-1717. 32J.(3)等温可逆W=0.Q=-W.要可逆回到始态.故△8 = —点=一5.76J・KFQ=T・ AS7=298 KX(-5. 76J • K-,) = -1717. 32JW=-Q二1717. 32J..5.有■•绝炼箱子.中间用绝热隔板把箱了•的容积一分为二.一边放1 mol 300 KJOO kPa的单原于理想气体Ar(g),另一个放2 mol 400 K,200 kPa的戏原子理想气体N2(g),若把绝热隔板抽去,让两种气体混合达平衡•求混合过程的隔变•M.2 molX&314j • mol ' • K -'X298K 〔 0.8molX8.31 妇• moL • K ・'X298K 2OX1O 3 Pa 80X101 Pa=49. 55X105 %=0. 2 mol+0. 8 mol=l mol,—催• RT_ 1 molX8.314J • mor 1 XK"1 X298K s 八心 DAft <7 — 小 * 一，m =50X O ra.Dalton 分压定律威=^X 如nlOXlUPa p* = —XAtt=40X103Pa "AW =W\ +W\ =_g RTln 策 f —RTln 斜= -8.314JmoL • K -|X298K(0.2molXln 急+0. 8 molXln 籍)= -1717.32J Q^-W =1717. 32J △S=¥=5. 76J ・ L ^G= Vd/>=W=-1717.32J.(3) 等温可逆 W=0.Q=-W.要可逆回到始态，故AS' = -AS=-5. 76J • K -* Q=T ・ #=298 KX(-5.76J • K"1 ) = -1717. 32J W=-Q= 1717.32J..5. 有-绝熄箱子.中间用绝热隔板把箱子的容枳一分为二，一边放1 mol 300 K,100 kPa 的单原子理想 气体Ar(g).另一个放2 mol 400 K.200 kPa 的双原子理想气体N 2(g).若把绝热隔板抽去,让两种气体混 合达平衡,求混合过程的烟变.解:将这•过程分为两部分来考虑，首先抽掉绝势阳板后，两边达到平衡温度下;再在等温下的条件下. 进行等温嫡变.已知Cv.・(Ar) = l. 5R Cv.m (N2)N2,5R | 叫。
