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物理化学-课后答案-热力学第二定律-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第三章 热力学第二定律【复习题】【1】指出下列公式的适用范围。
（1）min ln BB BS Rnx ∆=-∑;（2）12222111lnln ln ln P v p T V T S nR C nR C p T V T ∆=+=+; （3）dU TdS pdV =-； （4）G Vdp ∆=⎰（5）,,S A G ∆∆∆作为判据时必须满足的条件。
【解】 （1）封闭体系平衡态，理想气体的等温混合，混合前后每种气体单独存在时的压力都相等，且等于混合后气体的总压力。
（2）非等温过程中熵的变化过程，对一定量的理想气体由状态A （P 1、V 1、T 1）改变到状态A （P 2、V 2、T 2）时，可由两种可逆过程的加和而求得。
（3）均相单组分（或组成一定的多组分）封闭体系，非体积功为0的任何过程；或组成可变的多相多组分封闭体系，非体积功为0的可逆过程。
（4）非体积功为0，组成不变的均相封闭体系的等温过程。
（5）S ∆：封闭体系的绝热过程，可判定过程的可逆与否； 隔离体系，可判定过程的自发与平衡。
A ∆：封闭体系非体积功为0的等温等容过程，可判断过程的平衡与否； G ∆：封闭体系非体积功为0的等温等压过程，可判断过程的平衡与否；【2】判断下列说法是否正确，并说明原因。
（1）不可逆过程一定是自发的，而自发过程一定是不可逆的； （2）凡熵增加过程都是自发过程； （3）不可逆过程的熵永不减少；（4）系统达平衡时，熵值最大，Gibbs 自由能最小；（5）当某系统的热力学能和体积恒定时，S ∆<0的过程不可能发生；（6）某系统从始态经过一个绝热不可逆过程到达终态，先在要在相同的始、终态之间设计一个绝热可逆过程；（7）在一个绝热系统中，发生了一个不可逆过程，系统从状态1变到了状态2，不论用什么方法，系统再也回不到原来状态了；（8）理想气体的等温膨胀过程，0U ∆=，系统所吸的热全部变成了功，这与Kelvin 的说法不符；（9）冷冻机可以从低温热源吸热放给高温热源，这与Clausius 的说法不符； （10）p C 恒大于V C 。
第三章多组分系统热力学及其在溶液中的应用一、基本公式和内容提要1. 偏摩尔量定义:其中X为多组分系统的任一种容量性质，如V﹑U﹑S......全微分式：总和：偏摩尔量的集合公式：2. 化学势定义物质的化学势是决定物质传递方向和限度的强度因素，是决定物质变化方向和限度的函数的总称，偏摩尔吉布斯函数只是其中的一种形式。
3. 单相多组分系统的热力学公式4. 化学势判据等温等压、只做体积功的条件下将化学势判据用于多相平衡和化学平衡中，得多组分系统多相平衡的条件为：化学平衡的条件为：5.化学势与温度、压力的关系（1）化学势与压力的关系（2）化学势与温度的关系6.气体的化学势（1）纯组分理想气体的化学势理想气体压力为（标准压力）时的状态称为标准态，称为标准态化学势，它仅是温度的函数。
（2）混合理想气体的化学势式中：为物质B的分压；为物质B的标准态化学势；是理想气体混合物中B组分的摩尔分数；是B纯气体在指定T，p时的化学势，p是总压。
（3）实际气体的化学势式中：为实际气体或其混合物中物质B的化学势；为B的标准态化学势，其对应状态是B在温度T、压力、且假想具有理想气体行为时的状态，这个状态称为实际气体B的标准态；分别为物质B的逸度系数和逸度。
7. 稀溶液中的两个经验定律（1）拉乌尔定律一定温度时，溶液中溶剂的蒸气压与溶剂在溶液中的物质的量分数成正比，其比例系数是纯溶剂在该温度时的蒸气压。
用公式表示为。
对二组分溶液来说，，故拉乌尔定律又可表示为即溶剂蒸气压的降低值与纯溶剂蒸气压之比等于溶质的摩尔分数。
（2）亨利定律一定温度时，稀溶液中挥发性溶质的平衡分压与溶质在溶液中的物质的量分数成正比。
用公式表示。
式中：为溶质的浓度分别为摩尔分数、质量摩尔浓度和物质的量浓度表示时的亨利系数，单位分别为Pa、和。
使用亨利定律时应注意：①是溶质在液面上的分压；②溶质在气体和在溶液中的状态必须是相同的。
8.溶液的化学势（1）理想液态混合物中物质的化学势①定义：在一定的温度和压力下，液态混合物中任意一种物质在任意浓度均遵守拉乌尔定律的液态混合物称为理想液态混合物。
第三章热力学第二定律【复习题】【1】指出下列公式的适用范围。
（1）min ln BB BS Rnx ∆=-∑;（2）12222111lnln ln ln P v p T V T S nR C nR C p T V T ∆=+=+; （3）dU TdS pdV =-； （4）G Vdp ∆=⎰（5）,,S A G ∆∆∆作为判据时必须满足的条件。
【解】（1）封闭体系平衡态，理想气体的等温混合，混合前后每种气体单独存在时的压力都相等，且等于混合后气体的总压力。
（2）非等温过程中熵的变化过程，对一定量的理想气体由状态A （P 1、V 1、T 1）改变到状态A （P 2、V 2、T 2）时，可由两种可逆过程的加和而求得。
（3）均相单组分（或组成一定的多组分）封闭体系，非体积功为0的任何过程；或组成可变的多相多组分封闭体系，非体积功为0的可逆过程。
（4）非体积功为0，组成不变的均相封闭体系的等温过程。
（5）S ∆：封闭体系的绝热过程，可判定过程的可逆与否； 隔离体系，可判定过程的自发与平衡。
A ∆：封闭体系非体积功为0的等温等容过程，可判断过程的平衡与否；G ∆：封闭体系非体积功为0的等温等压过程，可判断过程的平衡与否；【2】判断下列说法是否正确，并说明原因。
（1）不可逆过程一定是自发的，而自发过程一定是不可逆的； （2）凡熵增加过程都是自发过程； （3）不可逆过程的熵永不减少；（4）系统达平衡时，熵值最大，Gibbs 自由能最小；（5）当某系统的热力学能和体积恒定时，S ∆<0的过程不可能发生；（6）某系统从始态经过一个绝热不可逆过程到达终态，先在要在相同的始、终态之间设计一个绝热可逆过程；（7）在一个绝热系统中，发生了一个不可逆过程，系统从状态1变到了状态2，不论用什么方法，系统再也回不到原来状态了；（8）理想气体的等温膨胀过程，0U ∆=，系统所吸的热全部变成了功，这与Kelvin 的说法不符；（9）冷冻机可以从低温热源吸热放给高温热源，这与Clausius 的说法不符； （10）p C 恒大于V C 。
物理化学习题及答案第一章热力学第一定律选择题1．热力学第一定律ΔU=Q+W 只适用于(A) 单纯状态变化(B) 相变化(C) 化学变化(D) 封闭物系的任何变化答案：D2．关于热和功, 下面的说法中, 不正确的是(A) 功和热只出现于系统状态变化的过程中, 只存在于系统和环境间的界面上 (B) 只有在封闭系统发生的过程中, 功和热才有明确的意义(C) 功和热不是能量, 而是能量传递的两种形式, 可称之为被交换的能量(D) 在封闭系统中发生的过程中, 如果内能不变, 则功和热对系统的影响必互相抵消答案：B2．关于焓的性质, 下列说法中正确的是(A) 焓是系统内含的热能, 所以常称它为热焓(B) 焓是能量, 它遵守热力学第一定律(C) 系统的焓值等于内能加体积功 (D) 焓的增量只与系统的始末态有关答案：D。
因焓是状态函数。
3．涉及焓的下列说法中正确的是(A) 单质的焓值均等于零(B) 在等温过程中焓变为零(C) 在绝热可逆过程中焓变为零(D) 化学反应中系统的焓变不一定大于内能变化答案：D。
因为焓变ΔH=ΔU+Δ(pV)，可以看出若Δ(pV)＜0则ΔH＜ΔU。
4．下列哪个封闭体系的内能和焓仅是温度的函数(A) 理想溶液 (B) 稀溶液 (C) 所有气体 (D) 理想气体答案：D5．与物质的生成热有关的下列表述中不正确的是(A) 标准状态下单质的生成热都规定为零 (B) 化合物的生成热一定不为零 (C) 很多物质的生成热都不能用实验直接测量(D) 通常所使用的物质的标准生成热数据实际上都是相对值答案：A。
按规定，标准态下最稳定单质的生成热为零。
6．dU=CvdT及dUm=Cv,mdT适用的条件完整地说应当是 (A) 等容过程(B)无化学反应和相变的等容过程(C) 组成不变的均相系统的等容过程(D) 无化学反应和相变且不做非体积功的任何等容过程及无反应和相变而且系统内能只与温度有关的非等容过程答案：D7．下列过程中, 系统内能变化不为零的是(A) 不可逆循环过程(B) 可逆循环过程 (C) 两种理想气体的混合过程(D) 纯液体的真空蒸发过程答案：D。
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，系统从高温热源汲取的热及向低温热源放出的热。
解：卡诺热机的效率为依据定义3．2 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）当从高温热源吸热时，系统对环境作的功及向低温热源放出的热解：(1) 由卡诺循环的热机效率得出（2）3．3 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）当向低温热源放热时，系统从高温热源吸热及对环境所作的功。
解：（1）(2)3．4 试说明：在高温热源和低温热源间工作的不行逆热机与卡诺机结合操作时，若令卡诺热机得到的功r W 等于不行逆热机作出的功－W 。
假设不行逆热机的热机效率大于卡诺热机效率，其结果必定是有热量从低温热源流向高温热源，而违背势热力学第二定律的克劳修斯说法。
证： （反证法） 设 r ir ηη>不行逆热机从高温热源吸热，向低温热源放热，对环境作功则逆向卡诺热机从环境得功从低温热源吸热向高温热源放热则若使逆向卡诺热机向高温热源放出的热不行逆热机从高温热源汲取的热相等，即总的结果是：得自单一低温热源的热，变成了环境作功，违背了热力学第二定律的开尔文说法，同样也就违背了克劳修斯说法。
3．5 高温热源温度，低温热源温度，今有120KJ的热干脆从高温热源传给低温热源，求此过程。
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。
求下列三种状况下，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）不行逆热机效率。
（3）不行逆热机效率。
解：设热机向低温热源放热，依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1 kg，10℃的水经下列三种不同过程加热成100 ℃的水，求过程的。
（1）系统与100℃的热源接触。
（2）系统先与55℃的热源接触至热平衡，再与100℃的热源接触。
第三章 化学平衡测试练习题选择题：1、化学反应若严格遵循体系的“摩尔吉布斯函数—反应进度”曲线进行，则该反应在（ A ）[A]．曲线的最低点[B]．最低点与起点或终点之间的某一侧[C]．曲线上的每一点[D]．曲线以外某点进行着热力学可逆过程．2、有一理想气体反应A+B=2C ，在某一定温度下进行，按下列条件之一可以用θm r G ∆直接判断反应方向和限度：（ C ）[A]．任意压力和组成[B]．总压101.325kPa ，物质的量分数31===C B A x x x [C]．总压303.975kPa ，31===C B A x x x [D]．总压405.300kPa ，41==B A x x ，21=C x 3、298K 的理想气体化学反应AB=A+B ，当温度不变，降低总压时，反应的转化率（ A ）[A]．增大 [B]．减小 [C]．不变 [D]．不能确定4、已知气相反应)()(3)(126266g H C g H g H C =+在373K 时的143.192-⋅-=∆mol kJ H mr θ，当反应达平衡时，可采用下列哪组条件，使平衡向右移动（ C ）[A]．升温与加压 [B]．升温与减压[C]．降温与加压 [D]．降温与减压5、化学反应的平衡状态随下列因素当中的哪一个面改变? （ A ）[A]．体系组成 [B]．标准态 [C]．浓度标度[D]．化学反应式中的计量系数νB6、在相同条件下有反应式(1)C B A 2=+，（θ1,m r G ∆）；(2) C B A =+2121，（θ2,m r G ∆）则对应于(1)，(2)两式的标准摩尔吉不斯函数变化以及平衡常数之间的关系为：（ B ）[A]．θθ2,1,2m r m r G G ∆=∆，θθ21K K =[B]．θθ2,1,2m r m r G G ∆=∆，221)(θθK K =[C]．θθ2,1,m r m r G G ∆=∆，221)(θθK K =[D]．θθ2,1,m r m r G G ∆=∆，θθ21K K = 7、反应)()()()(222g H g CO g O H g CO +=+，在600℃、100 kPa 下达到平衡后，将压力增大到5000kPa ，这时各气体的逸度系数为09.12=CO γ，10.12=H γ，23.1=CO γ，77.02=O H γ。
第三章 化学反应系统热力学习题及答案§3.1 标准热化学数据（P126）1. 所有单质的 O m f G ∆ (T )皆为零？为什么？试举例说明？答：所有处于标准态的稳定单质的O m f G ∆ (T ) 皆为零，因为由稳定单质生成稳定单质的状态未发生改变。
如：单质碳有石墨和金刚石两种，O m f G ∆ (298.15K,石墨)=0，而O m f G ∆(298.15K,金刚石)=2.9 kJ·mol -1 (课本522页)，从石墨到金刚石状态要发生改变，即要发生相变，所以O m f G ∆ (298.15K,金刚石)不等于零。
2. 化合物的标准生成热(焓)定义成：“由稳定单质在298.15K 和100KPa 下反应生成1mol 化合物的反应热”是否准确？为什么？答：标准生成热(焓)的定义应为：单独处于各自标准态下，温度为T 的稳定单质生成单独处于标准态下、温度为T 的1mol 化合物B 过程的焓变。
此定义中（1）强调压力为一个标准大气压，而不强调温度；（2）变化前后都单独处于标准态。
3. 一定温度、压力下，发生单位化学反应过程中系统与环境交换的热Q p 与化学反应摩尔焓变r m H ∆是否相同？为什么？答： 等压不作其他功时（W’=0），数值上Q p =n r H ∆。
但Q p 是过程量，与具体的过程有关；而r m H ∆是状态函数，与过程无关，对一定的化学反应有固定的数值。
如将一个化学反应至于一个绝热系统中，Q p 为零，但r m H ∆有确定的数值。
§3.2 化学反应热力学函数改变值的计算（P131） 1.O mr G ∆(T )、m r G ∆(T )、Om f G ∆(B,相态,T )各自的含义是什么？ 答：Om r G ∆(T )： 温度为T ，压力为P θ，发生单位反应的ΔG ；m r G ∆(T )：温度为T ，压力为P ，发生单位反应的ΔG ；Omf G ∆(B,相态,T )：温度为T ，压力为P θ，由各自处于标准状态下的稳定单质，生成处于标准态1mol 化合物反应的ΔG 。
2. 25℃时，H 2O(l)及H 2O(g)的标准摩尔生成焓分别为-285.838 kJ mol -1及-241.825 kJ mol -1。
计算水在25℃时的气化焓。
解：g l ∆H m =Δf H m θ(H 2O,g)- Δf H m θ(H 2O,l)=-241.825-(-285.838)=44.01 kJ·mol -13．用热化学数据计算下列单位反应的热效应Om r H ∆(298.15K)。
(1) 2CaO(s)+5C(s,石墨)→2CaC 2(s)+CO 2(g) (2) C 2H 2(g)+H 2O(l)→CH 3CHO(g)(3) CH 3OH(l)+21O 2(g)→HCHO(g)+H 2O(l)解： (1) 2CaO(s)+5C(s,石墨)→2CaC 2(s)+CO 2(g) Δf H m θ(kJ·mol -1)： -635.09 0 59.8 -393.509Δr H m θ(298.15K)=2Δf H m θ(CaC 2(s)) + Δf H m θ(CO 2(g)) - 2Δf H m θ(CaO(s)) - 5Δf H m θ(C(s))=[2×(-59.8)+(-393.509)] - 2×(-635.09) - 0=757.07 kJ·mol -1(2) C 2H 2(g)+H 2O(l)→CH 3CHO(g)Δc H m θ(kJ·mol -1)： -1300 0 -1193Δr H m θ(298.15K)= Δc H m θ(C 2H 2(g))+ Δc H m θ(H 2O(l))- Δc H m θ(CH 3CHO(g))=-1300-(-1193)=-107 kJ·mol -1注：C 2H 2(g)和CH 3CHO(g)的Δc H m θ数值本书未给出，是从其它物理化学书中查到的。
(3) CH 3OH(l)+21O 2(g)→HCHO(g)+H 2O(l)Δf H m θ(298.15K)： -238.66 0 -115.9 -285.83Δr H m θ(298.15K)=Δf H m θ(HCHO(g))+Δf H m θ(H 2O(l))-Δf H m θ(CH 3OH(l))-(1/2)Δf H m θ(O 2(g)) =-115.9+(-285.83)-(-238.66)= -163.16 kJmol -14．利用附录表中O m f H ∆ (B,相态,298.15 K)数据，计算下列反应的 O m r H ∆ (298.15K)及Or mU ∆ (298.15K)。
假定反应中各气体物质可视为理想气体。
(1) H 2S(g) + 3/2O 2(g) → H 2O(l) + SO 2(g)(2) CO(g) + 2H 2(g) → CH 3OH (l) (3) Fe 2O 3(s) + 2Al(s) →Al 2O 3(α) + 2Fe (s)解：O m r H ∆=Or m U ∆+ΣνB (g)RT 。
【因为H=U+PV ，ΔH=ΔU+Δ(PV)=ΔU+Δ(n g RT)= ΔU+RTΔn g ，对一定温度压力下的化学反应则有：O m r H ∆=O r m U ∆+ ΣνB (g)RT 】(1) H 2S(g) + 3/2 O 2(g) → H 2O (l) + SO 2(g)Omr H ∆=Δf H m θ(SO 2(g))+Δf H m θ(H 2O(l))- Δf H m θ(H 2S(g))-3/2Δf H m θ(O 2(g))=-296.83+(-285.83)-(-20.63)-0=-562.03 kJ·mol -1O mr H ∆=O r m U ∆+ ΣνB (g)RT Or mU ∆=O m r H ∆-ΣνB (g)RT= -562.03+(3/2)×8.314×298.15×10-3= -558.3 kJ·mol -l(2) CO(g)+2H 2(g)→CH 3OH(l)，Omr H ∆=(-238.66)-(-110.525)=-128.14 kJ·mol -1，Or mU ∆=O m r H ∆-ΣνB (g)RT=(-128.14)-(-3) ×8.314×298.15×10-3= -120.7 kJ·mol -l(3) Fe 2O 3(s)+2Al(s)→Al 2O 3(α)+2Fe(s)，Omr H ∆=(-1675.7)-(-824.2)= -851.5 kJ·mol -l ，Or mU ∆=O m r H ∆-ΣνB (g)RT=O m r H ∆= -851.5 kJ·mol -l5．计算在无限稀的溶液中发生下述单位反应的热效应。
已知标准摩尔生成焓数据(单位是kJ mol -1)：H 2O(l),-285.83；AgCl(s),-127.07；Na +,-329.66；K +,-251.21；Ag +,-105.90；NO 3-,-206.56；Cl -,-167.46；OH -,-229.94；SO 42-,-907.51。
(1) NaCl(∞,aq)+KNO 3(∞,aq)→(2) NaOH(∞,aq)+HCl(∞,aq)→(3) 1/2Ag 2SO 4(∞,aq)+NaCl(∞,aq)→解：(1) 实质上是：Na ++Cl -+K ++NO 3-→Na ++Cl -+K ++NO 3-，没有化学反应，所以Om r H ∆=0(2) 实质上是：OH -(∞,aq)+H +(∞,aq)→H 2O(l)，Omr H ∆=Δf H m θ(H 2O(l))- Δf H m θ(H +(∞,aq))- Δf H m θ(OH -(∞,aq ))=-285.83-0-(-229.94)=-55.89 kJ·mol -1 (3) 实质上是：Ag +(∞,aq)+Cl -(∞,aq)→AgCl(s)， Omr H ∆=(-127.07)-(-105.9)-(-167.46)=146.29 kJ·mol -16．(1) CO(g) + H 2O(g) —→ CO 2(g) + H 2(g) Δϑm r H (298.15K)=-41.2 kJ ·mol –1(2)CH 4(g) + 2H 2O(g) —→CO 2(g) + 4H 2(g) Δϑm r H (298.15K)=165.0 kJ ·mol –1反应 CH 4(g) + H 2O(g) —→ CO(g) + 4H 2(g) 为 (2)-(1)：则：Δϑm r H (298.15K) = 165.0-(-41.2) = 206.2 kJ ·mol –17．解：CH 4(g) + Cl 2(g) —→ CH 3Cl(g) + HCl(g)Δϑm r H (298.15K) = 4ε(C-H)+ε(Cl-Cl)-3ε(C-H)-ε(C-Cl)-ε(H-Cl)=414.63+242.7-328.4-430.95= -102.02 kJ ·mol –1 C 2H 6(g) —→ C 2H 4(g) + H 2(g)Δϑm r H (298.15K) = 6ε(C-H)+ε(C-C)-ε(H-H)-4ε(C-H)-ε(C=C)=2×414.63+347.7-435.97-606.7 = 134.29 kJ ·mol –18. 由以下数据计算2,2,3,3四甲基丁烷的标准生成热。
已知：O m f H ∆[H(g)]=217.94 kJ mol -1，O m f H ∆[C(g)] =718.38 kJ mol -1，εC-C =344 kJ mol -1，εC-H = 414 kJ mol -1。
解：2,2,3,3四甲基丁烷的结构式如下：【含有7个C-C 键和18个C-H 键】9H 2(g)+8C(s,石墨)→C 8H 18， O m r H ∆=O m f H ∆(C 8H 18)【相当于9个H 2(g)变成18个H(g)原子，8个C(s,石墨)变成8个C(g)原子后（此时打开键需要吸收一定的能量），然后再组合成C 8H 18（放出一定的能量）。
】所以，O m f H ∆(C 8H 18)=O m r H ∆=18O m f H ∆[H(g)]+8O m f H ∆[C(g)] – (7εC-C +18εC-H )=18×217.94+8×718.38-7×344 -18×414= -190.04 kJ·mol -1C C CH 3CH 3CH 3CH 3CH 3CH 3石墨) C 8H 1818H(g)+8C(g)9. 将0.005kg 的正庚烷放入弹式量热计内通氧燃烧，反应的结果使量热计量温度上升2.94 K ，已知量热计总的热容量为8175.54 J K -1，开始时的平均温度为298.15 K 。
