第七章热力学基础练习册答案

第七章 热力学基础7-1 假设火箭中的气体为单原子理想气体，温度为2000 K ，当气体离开喷口时，温度为1000 K ，（1）设气体原子质量为4个原子质量单位，求气体分子原来的方均根速率2v ．已知一个原子质量单位=1.6605×10-27 kg ；（2）假设气体离开喷口时的流速（即分子定向运动速度）大小相等，均沿同一方向，求这速度的大小，已知气体总的能量不变．分析 气体动理论的能量公式表明，气体的温度是气体分子平均平动动能的量度．当气体的内能转化为定向运动的动能时，即表现为平均平动动能的减少，也就是温度的降低．解 （1）由气体动理论的能量公式kT m 23212=v ，得m/s 3530.7m/s 106605.1420001038.13327232=⨯⨯⨯⨯⨯==--m kTv （2）气体总的能量不变，气体内能的减少应等于定向运动动能的增量，就气体分子而言，即分子的平均平动动能的减少应等于定向运动动能的增量．若分子定向运动速度为d v ，则有212d 232321kT kT m -=v m/s 2496.6m/s 106605.14)10002000(1038.13)(3272321d =⨯⨯-⨯⨯⨯=-=--m T T k v7-2 单原子理想气体从状态a 经过程abcd 到状态d ，如图7-2所示．已知Pa 10013.15⨯==d a p p ，Pa 10026.25⨯==c b p p ，L 1=a V ，L 5.1=b V ，L 3=c V ，（1）试计算气体在abcd 过程中作的功，内能的变化和吸收的热量；（2）如果气体从状态d 保持压强不变到a 状态，如图中虚线所示，问以上三项计算变成多少？（3）若过程沿曲线从a 到c 状态，已知该过程吸热257 cal ，求该过程中气体所作的功．分析 理想气体从体积1V 膨胀到体积2V 的过程中所作的功为⎰21d )(V V V V p ，其量值为V p -图上过程曲线下的面积．如果过程曲线下是规则的几何图形，通常可以直接计算面积获得该过程中气体所作的功．解 （1）气体在abcd 过程中作的功应等于过程曲线下的面积，得Pa531.8 Pa 10)5.13(10013121103100131 353514=⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=+=--..S S W adcbda abcd 内能改变为J455.9J )101104(10013.123)(23)(23)(335m V,=⨯-⨯⨯⨯⨯=-=-=-=---a d a a d a d a d V V p T T R M m T T C M m E E应用热力学第一定律，系统吸热为J 987.7J 455.9J 8.531=+=-+=a d abcd E E W Q（2）气体在等压过程da 中作的功为J -303.9J 10)41(10013.1)(35=⨯-⨯⨯=-=-d a a da V V p W0 1 1.5 3 4 V /L图7-2内能改变为 J 455.9-=-a d E E系统吸热为 J 9.875J 455.9-J 9.303-=-=-+=d a da E E W Q（3）若沿过程曲线从a 到c 状态，内能改变为J8.759J 1010013.1)1132(23)(23)(23)(35m V,=⨯⨯⨯⨯-⨯⨯=-=-=-=--a a c c a c a c a c V p V p T T R M m T T C M m E E应用热力学第一定律，系统所作的功为J 5.314J 759.8-J 18.4257=⨯=-+=a c ac ac E E Q W7-3 2 mol 的氮气从标准状态加热到373 K ，如果加热时（1）体积不变；（2）压强不变，问在这两种情况下气体吸热分别是多少？哪个过程吸热较多？为什么？分析 根据热力学第一定律，系统从外界吸收的热量，一部分用于增加系统的内能，另一部分用于对外作功．理想气体的内能是温度的单值函数，在常温和常压下氮气可视为理想气体，无论经过什么样的准静态过程从标准状态加热到373 K ，其内能的变化都相同．在等体过程中气体对外不作功，系统从外界吸收的热量，全部用于系统的内能的增加，而在等压过程中，除增加内能外，还要用于系统对外作功，因此吸热量要多些．解 （1）氮气可视为双原子理想气体，5=i ．在等体过程中，系统吸热为J 4155J )273373(31.8252)(212V =-⨯⨯⨯=-=T T R i M m Q（2）在等压过程中，系统吸热为J 5817J )273373(31.8272)(2212p =-⨯⨯⨯=-+=T T R i M m Q7-4 10 g 氧在p = 3×105 Pa 时温度为t = C 10︒，等压地膨胀到10 L ，求（1）气体在此过程中吸收的热量；（2）内能的变化；（3）系统所作的功．分析 气体在等压过程中吸收的热量为)(2212p T T R i M m Q -+=，其中1T 已知，2T 可以通过气体状态方程由已知的该状态的压强和体积求出．用同样的方法可以计算内能的变化．再应用热力学第一定律计算出系统所作的功．解 （1）气体在等压过程中吸收的热量为J8792J )28331.832101010103(27 )(22)(22351212p =⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=-+=-+=-RT MmpV i T T R i M m Q（2）内能的变化为J5663J )28331.832101010103(25 )(2)(235121212=⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=-=-=--RT MmpV i T T R i M m E E（3）应用热力学第一定律，系统所作的功为J 2265J 5663-J 792812==-+=E E Q W7-5 双原子理想气体在等压膨胀过程中吸收了500 cal 的热量，试求在这个过程中气体所作的功．解 双原子理想气体在等压膨胀过程中吸热为)(22)(221212p V V p i T T R i M m Q -+=-+=所作的功为J 597J 18.450025222)(p 12p =⨯⨯+=+=-=Q i V V p W 7-6一定质量的氧气在状态A 时V 1 = 3 L ，p 1 = 8.2×105 Pa ，在状态B 时V 2 = 4.5 L ，p 2 = 6×105 Pa ，分别计算在如图7-6所示的两个过程中气体吸收的热量，完成的功和内能的改变：（1）经ACB 过程；（2）经ADB 过程．分析 在热力学中，应该学会充分利用V p -图分析和解题．从图7-6所示的V p -图可以看出，AC 和DB 过程为等体过程，AD 和CB 过程为等压过程．理想气体的内能是温度的单值函数，在常温和常压下氧气可视为理想气体，只要始末状态相同，无论经过什么样的准静态过程，其内能的变化都相同．但是气体吸收的热量和完成的功则与过程有关，在等压过程中吸收的热量为)(2212p T T R i M m Q -+=，在等体过程中吸收的热量为)(212V T T R iM m Q -=，其中温度值可以利用状态方程代换为已知的压强和体积参量．解 （1）经ACB 过程，即经等体和等压过程，气体吸热为J1500 J103106J 103102.825J 105.4106225 222 )(22)(2353535121122p V =⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯+=--+=-++-=+=---V p V p iV p i V p V p i V p V p i Q Q Q C C B B A A C C ACB 所作的功为J 900J 10)35.4(106)(35122=⨯-⨯⨯=-==-V V p W W CB ACB应用热力学第一定律，系统内能改变为J 600J 900-J 1500==-=-ACB ACB A B W Q E E（2）经ADB 过程，所作的功为J 1230J 10)35.4(102.8)(35121=⨯-⨯⨯=-==-V V p W W AD ADB系统内能改变为 J 600=-A B E Ep pO V 1 V 2 V图7-6应用热力学第一定律，气体吸热为J 1830J 600J 123012=+=-+=E E W Q ADB ADB7-7 1 g 氮气在密封的容器中，容器上端为一活塞，如图7-7所示．求（1）把氮气的温度升高10°C 所需要的热量；（2）温度升高10°C 时，活塞升高了多少？已知活塞质量为1 kg ，横截面积为10 cm 2，外部压强为Pa 10013.15⨯．分析 可以上下自由运动的活塞加在气体上的压强为大气压与气体上表面单位面积上承受的活塞重力之和．利用理想气体状态方程，气体对外所作的功，也可以用温度的变化表示，即T R MmV p ∆=∆． 解 （1）因外部压强和活塞质量不变，系统经历等压过程，压强为Pa 101.111Pa 10108.91Pa 10013.1545⨯=⨯⨯+⨯=-p J 4.10J 1031.822528122p =⨯⨯+⨯=∆+=T R i M m Q（2）系统作功为T R Mmh pS V p W ∆=∆=∆=p 则 m 102.67m 101010111.11031.82812-45⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=∆=∆-pS T R m m h 7-8 10 g 某种理想气体，等温地从V 1膨胀到V 2 = 2 V 1，作功575 J ，求在相同温度下该气体的2v ．分析 气体动理论的能量公式表明，气体的温度是气体分子平均平动动能的量度，而且定义了方均根速率2v ．只要温度不变，无论经历什么样的过程，方均根速率都不变．本题中，可以通过等温过程中系统所作的功的表达式确定该过程中系统的温度．图7-7解 等温过程中系统所作的功为12T ln V V RT M mW =m/s 499m/s 2ln 10105753ln33312T2=⨯⨯⨯===-V V m W MRTv 7-9 2 m 3的气体等温地膨胀，压强从Pa 10065.551⨯=p 变到Pa 10052.451⨯=p ，求完成的功．解 等温过程中系统所作的功为J 102.26J 10052.410065.5ln210065.5 ln ln 5555121112T ⨯=⨯⨯⨯⨯⨯===p p V p p p RT M mW7-10 在圆筒中的活塞下密闭空间中有空气，如图7-10所示．如果空气柱最初的高度h 0 = 15 cm ，圆筒内外的压强最初均为Pa 10013.150⨯=p ，问如要将活塞提高h = 10 cm ，需作多少功？已知活塞面积S = 10 cm 2，活塞质量可以忽略不计，筒内温度保持不变．分析 因筒内温度保持不变，这是一个等温过程．由于过程必须是准静态过程，则在过程进行中的任一时刻，系统都处于平衡状态．过程进行中，活塞受到向上的拉力F ，筒外空气向下的压力S p 0，筒内气柱向上的压力pS ，在这些力的作用下处于平衡状态．由力的平衡条件，可以确定活塞向上位移外力所作的元功，并联系气体等温过程方程求解．解 取圆筒底面为原点，竖直向上为x 轴正向，如图7-10所示．设活塞位于x 处时，筒内压强为p ，筒内外的压强差为p p -0，在准静态过程中提高活塞O图7-10所需的向上外力为S p p F )(0-=，此时活塞向上位移x d 外力所作的元功为x S p p x F W d )(d d 0-==因等温过程有00V p pV =，Sx V =，则要将活塞提高h ，需作的功为J2.37J )15.015.010.0ln15.010.0(10101.013 )ln (d )1(d )(3500000000=+-⨯⨯⨯=+-=-=-=-++⎰⎰h h h h h S p x x h S p x S p p W h h h h h h7-11 今有温度为27°C ，压强为Pa 10013.15⨯，质量为2.8g 的氮气，首先在等压的情况下加热，使体积增加一倍，其次在体积不变的情况下加热，使压强增加一倍，最后等温膨胀使压力降回到Pa 10013.15⨯，（1）作出过程的p —V 图；（2）求在三个过程中气体吸收的热量，所作的功和内能的改变．分析 本题中涉及到三个等值过程，利用已导出的各等值过程中系统作功、吸热和内能变化表达式和热力学第一定律求解．解 （1）过程的p —V 图如图7-11所示． （2）1～2，等压过程J249J 30031.8288.2 )(111121p =⨯⨯===-=RT MmV p V V p WJ872J 2492252222 )(22)(22p 112112p =⨯+=+=+=-+=-+=W i pV i V V p i T T R i M m QJ 623J 249J 872p p =-=-=∆W Q E2～3，等体过程， 0V =WpppO V 1 V 2 V 4 V图7-11J 1245J 24952)(2)(2p 112121323V =⨯====-=-==∆iW V p i V p iV p p iT T R i M m Q E3～4，等温过程， 0=∆EJ690J 2ln 24942ln 4 2ln 42ln 2lnp 11131333T T =⨯⨯======W V p V p p p V p W Q7-12 双原子气体V 1 = 0.5 L ，Pa 10065.541⨯=p ，先绝热压缩到一定的体积V 2和一定的压强p 2，然后等容地冷却到原来的温度，且压强降到Pa 10013.150⨯=p ．（1）作出过程的p -V 图；（2）求V 2 = ？p 2 = ？分析 对于双原子理想气体，热容比4.1=γ．不论经历什么过程，只要初终态气体的温度相同，就可以应用理想气体状态方程，建立类似于等温过程中初态和终态压强和体积之间的关系．解 （1）过程的p —V 图如图7-12所示．（2）因初态和终态温度相同，应用理想气体状态方程，有1120V p V p =L 0.25L 10013.15.010065.5540112=⨯⨯⨯==p V p V 由绝热过程方程γγ1122V p V p =，得Pa 101.337Pa 25.05.010065.554.142112⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=γVV p p 7-13 推证质量为m ，摩尔质量为M 的理想气体，由初状态（p 1、V 1、T 1）pp p pO V 2 V 1 V图7-12绝热膨胀到p 2、V 2时气体所作的功为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--=-1211221111)(11γγγV V RT M m V p V p W 分析证 对于绝热过程，有⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--=-=-=∆-=-121121121112211221122112111111 11)(11)(2)(2γγγγγγV VRT M m V V V V RT M mV p V p V p V p V p V p V p iT T R i M m E W7-14 32 g 氧气处于标准状态，后分别经下二过程被压缩至5.6×10-3 m 3，（1）等温压缩；（2）绝热压缩，试在同一个p -V 图上作出两过程曲线，并分别计算两过程最终的温度以及所需要的外功．分析 32 g 氧气恰好为1 mol ，标准状态下体积和温度都有确定值． 解 两过程的p —V 图如图7-14所示． （1）32 g 氧气为 1 mol ，体积为331m 104.22-⨯=V ，温度为K 2731=T ，且等温压缩过程K 27312==T T ，所作的功为J -3146J 4.226.5ln104.2210013.1 ln351211T =⨯⨯⨯⨯==-V V V p W（2）绝热压缩过程γγ1122V p V p =，得K 475K )106.5()104.22(31.810013.14.034.1351211222=⨯⨯⨯⨯===---γγV V R p R V p Tpp 1O V 2 V 1 V图7-14利用上题结果，绝热压缩过程所作的功为J -4204J 6.54.2214.0104.2210013.1 114.03512111=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-⨯⨯⨯⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--γγVV V p W7-15 体积为V 1 = 1 L 的双原子理想气体，压强p 1 =Pa 10013.15⨯，使之在下述条件下膨胀到V 2 = 2 L ，（1）等温膨胀；（2）绝热膨胀，试在同一p -V 图中作出两过程曲线，并分别计算两种情况下气体吸收的热量，所作的功及内能的变化．分析 等温过程中气体内能不变，所吸收的热量等于对外所作的功；绝热过程中气体吸热为零，对外所作的功等于内能的减少．解 两过程的p —V 图如图7-15所示．（1）等温膨胀 0=∆EJ 2.70J 2ln 1010013.1 ln351211T T =⨯⨯⨯===-V V V p W Q（2）绝热膨胀 0=QJ61.3J )5.01(4.01010013.1 114.03512111=-⨯⨯⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--γγV V V p W J 3.61-=-=∆W E7-16 0.1 mol 单原子理想气体，由状态A 经直线AB 所表示的过程到状态B ，如图7-16所示，已知V A = 1 L ，V B = 3 L ，p A =Pa 10039.35⨯，p B =Pa 10013.15⨯。

第七章 习题解答7-2 ()10.1762.60.927772575.56x h x h xh '''=-+=⨯+⨯= kJ kg()10.1 2.13820.9 6.5847 6.104x s x s xs '''=-+=⨯+⨯=kJ kg K ⋅ 0.90.19430.17487x v xv ''==⨯= 3m2575.5610000.174872400.69 x x x u h Pv =-=-⨯=kJ kg 查h-s 图，2575x h =kJ kg ， 6.14x s =kJ kg K ⋅，0.175x v =3m257510000.1752400x x x u h pv =-=-⨯=kJ kg 7-3 ⑴ 定容过程：()2121q u h h v p p ==---()()110.850.0010.85 1.69 1.437v x v xv '''=-+=-⨯+⨯= 3m kg ()()1110.85417.60.852675.12336.46h x h xh '''=-+=-⨯+⨯=kJ kg 查h-s 图：22925h =kJ kg()29252336.46 1.437150100517q ∴=--⨯-=kJ kg ⑵ 查h-s 图：1 6.45s =kJ kg ，27.7s = kJ kg工质吸热，熵增加为：1217.7 6.45 1.25s s s =-=-= kJ kg热源放热，熵减少为：205170.411000273q s T =-=-=-+ kJ kg 孤立系统的熵增为：12 1.250.410.84iso s s s =+=-= kJ kg7-4 (1) 1.556 MPa p =，30.20.1 m 2x v == 30.12714 m v ''=，0.10.7865''0.12714x v x v ≈== (2)()10.2135852.40.78652791.4 2377.4 kJ/kgx h x h xh '''=-+=⨯+⨯=(3) 20.7865 1.573v m m x =⋅=⨯= kg'' 1.5730.127140.2v v m v =⋅=⨯=3m (4)()[]10 1.5732377.483.860.2 1.5563118.2 kJv x q m h h v p p =---⎡⎤⎣⎦=⨯--⨯=7-5 (1) 定压过程：()21W p V V =-查附表3：10.001v =3m 20.090v = 3m kg()30000.0900.0012534W =⨯-⨯= kJ (2) 定压过程：21q h h h ==-查附表3：1852.93h =kJ kg 23114.4h =k J k g()3114.4852.9324522.9q =-⨯=kJ7-624v d c m v xmv π''''⋅≥=2440.9515000.194336003600 3.14xmv d π''⨯⨯⨯≥=⨯ ∴0.06258 m d ≥7-7 湿蒸汽中其加热作用的仅为干饱和蒸汽：()air p xm h h m c T '''-=⋅∆ ()()4000 1.293 1.00512.00306.6kg h 0.942725.5561.4m ⨯⨯⨯-==-7-8 充满饱和水的容器比较危险 7-9 ()11221x x x mv m v m v =+()112221210.3748120.80.19430.83830.27274m v m x v x m m ''''+⨯+⨯⨯===+⨯()312''30.8380.272740.6857 m x V mv m m xv ==+=⨯⨯=()11222x x x Q mu mu m u =--()()()11112222x x x x x m h pv m h p v m h p v =-----()32762.90.838697.10.1627000.8380.27274=⨯+⨯-⨯⨯()()2748.55000.37481227770.8762.610000.80.1943--⨯-⨯+-⨯⨯193.7 kJ =-7-10 查附表3：12886h =kJ kg 23387h = kJ kg10.012v =3m 20.018v =3m k g2133872886501q h h =-=-=kJ kg 21501 h h h ∆=-=kJ kg()()21501180000.0180.012393u q p v v ∆=--=-⨯-=kJ kg 7-11 ()1查 h-s 图：0.816x = 2118k J k gx h = 6.94x s =kJ kg 13325h =k J k g33x t =℃ 1211833251207t x w h h h =-∆=-=-=- kJ kg()2()0.25273331130.5t t w w '=+⨯+=- kJkg7-12 查表 t=25℃，1104h = kJ kg查h-s 图：22708h = kJ kg 20.136v =3m k g33046h =kJ kg 30.184v =3mk g (1) ()31B Q m h h η⋅⋅=-煤()1000030401040.6984143029400η⨯-∴==⨯(2) ()()46321030402708 3.3210Q m h h =-=-=⨯kJ()3232=U m h h p v v ∆---⎡⎤⎣⎦()46103040270814000.1840.136 2.5610=⋅---=⨯⎡⎤⎣⎦kJ 7-13 (1) 由附表2：20t =℃时，183.86h =kJ kg100t =℃时，22675.71h =kJ kg由 ()1221p y m c t m h h ⋅⋅∆=-，得：()()()21212675.7183.862001001503650180 1.079p y h h m m c t --⨯⨯===⋅-⨯kg h7-14 节流前后焓相等，查h-s 图：0.968x =7-15 (1) 查附表3得 10.0010053v '=m 3/kg 128.191v ''= m 3/kg 137.72h '= kJ/kg 2560.6h ''= kJ/kg ()10.928.1910.10.0010053252380.0010053x xv x v v n v v '''+-⨯+⨯====''(2)()211 0.92560.60.1137.72137.722180.6 kJ/kgq h h h xh x h h ''''=∆=-=+--=⨯+⨯-=。

第7单元热力学基础（一）序号学号姓名专业、班级一选择题[ C ]1．如图所示，当气缸中的活塞迅速向外移动从而使气体膨胀时，气体所经历的过程(A)是平衡过程，它能用p-V图上的一条曲线表示。

(B)不是平衡过程，但它能用p-V图上的一条曲线表示。

(C)不是平衡过程，它不能用p-V图上的一条曲线表示。

(D)是平衡过程，但它不能用p-V图上的一条曲线表示。

[ B ]2．两个相同的容器，一个盛氢气，一个盛氦气（均视为刚性分子理想气体），开始时它们的压强和温度都相等。

现将6 J热量传给氦气，使之升高到一定温度。

若使氢气也升高同样的温度，则应向氢气传递热量:(A) 6 J (B) 10 J (C) 12 (D) 5 J[ C ]3. 设高温热源的热力学温度是低温热源的热力学温度的n倍，则理想气体在一次卡诺循环中，传给低温热源的热量是从高温热源吸取的热量的(A)n倍 (B)n-1倍(C)n1倍 (D)nn1+倍[ D ]4．如果卡诺热机的循环曲线所包围的面积从图中的abcda 增大为ab'c'da，那么循环abcda与ab'c'da所作的功和热机效率的变化情况是：(A) 净功增大，效率提高;(B) 净功增大，效率降低;(C) 净功和效率都不变;(D) 净功增大，效率不变。

[ A ]5．如图所示，一定量理想气体从体积1V膨胀到体积2V分别经历的过程是：A→B等压过程；A→C等温过程；A→D绝热过程。

其中吸热最多的过程(A)是A→B ;(B) 是A→C ;(C) 是A→D ;(D) 既是A→B，也是A→C，两过程吸热一样多。

[ B ]6．一个绝热容器，用质量可忽略的绝热板分成体积相等的两部分。

两边分别装入质量相等、温度相同的H2和O2。

开始时绝热板P固定，然后释放之，板P将发生移动（绝热板与容器壁之间不漏气且摩擦可以忽略不计）。

在达到新的平衡位置后，若比较两边温度2T1Tabb'c'cdOpCDpA BO12的高低，则结果是：(A) H 2比O 2温度高;(B) O 2比H 2温度高;(C) 两边温度相等, 且等于原来的温度;(D) 两边温度相等, 但比原来的温度降低了。

第七章 统计热力学基础习题详解1. (1) 10个可分辨粒子分布于 n 0＝4，n 1＝5，n 2＝1 而简并度 g 0＝1，g 1＝2，g 2＝3 的 3 个能极上的微观状态数为多少？(2) 若能级为非简并的，则微观状态数为多少？。

解: (1)451D g 123W =N =10=120960451i n i i n ⋅⋅Π⋅⋅！！！！！！(2)D 110W =N ==1260451i n Π⋅⋅！！！！！！2. 某一分子集合在100 K 温度下处于平衡时，最低的3个能级能量分别为 0、2.05×10-22J 和 4.10×-22J ，简并度分别为1、3、5。

计算3个能级的相对分布数 n 0：n 1：n 2。

解：-22-2202.051011.38101001==1:2.593N N e⎛⎞−×⎜⎟⎜⎟××⎝⎠⋅()-22-222.05 4.10101.3810100123==0.6965N e N ⎡⎤−×−⎢⎥××⎢⎥⎣⎦⋅123=1:2.59:3.72N N N ：：3. I 2分子的振动能级间隔是0.42×10-20 J ，计算在25℃时，某一能级和其较低一能级上分子数的比值。

已知玻尔兹曼常数k ＝1.3806×10-23 J·cm -1。

解：根据Boltzmann 分布对于一维谐振子，能级为非简并的，即+1==1i i g g ，因此 I 2分子-201+1-230.4210=exp =exp =0.360T1.380610298i+i i i N g N g k ε⎛⎞−∆−×⎛⎞⎜⎟⎜⎟××⎝⎠⎝⎠4. 一个含有N 个粒子的系统只有两个能级，其能级间隔为ε，试求其配分函数q 的最大可能值是多少？最小值是多少？在什么条件下可能达到最大值和最小值？设ε＝0.1 k T 。

第七章 习题及解答1. 设有一个体系，由三个定位的一维简谐振子所组成，体系能量为νh 211,这三个振子在三个固定的位置上振动,试求体系全部的微观状态数.解 对振动 νυενh )21(+=,在总能量 νενh 211=时，三个一维简谐振子可能有以下四种分布方式:（1）N 0=2, N 4=1, νενh 2120⨯=, νενh 294=， 3!2!1!31==t （2）N 0=1， N 2=2， νενh 2110⨯=, νενh 2522⨯=, 3!2!1!32==t （3）N 0=1， N 1=1, N 3=1， νενh 210=, νενh 231=， νενh 273=， 6!1!1!1!33==t （4）N 1=2， N 2=1， νενh 2321⨯=, νενh 252=， 3!2!1!34==t Ω= t 1+t 2+t 3+t 4=3+3+6+3=152。

当热力学体系的熵函数S 增加0.418J ·K —1时，体系的微观状态数增加多少？用1/∆ΩΩ表示。

解 S 1=kln Ω1， S 2=kln Ω2， S 2—S 1=kln （Ω2/Ω1)ln(Ω2/Ω1)=（S 2—S 1）/k=(0。

418J·K -1）/（1.38×10—23J ·K -1）=3。

03×10221/Ω∆Ω=（Ω2—Ω1）/Ω1=（Ω2/Ω1)-1≈Ω2/Ω1= exp （3。

03×1022）3。

在海平面上大气的组成用体积百分数可表示为：N 2（g ）为0.78,O 2(g)为0。

21,其他气体为0。

01。

设大气中各种气体都符合Bolzenmann 分布，假设大气柱在整个高度内的平均温度为220K 。

试求：这三类气体分别在海拔10km ，60km 和500km 处的分压.已知重力加速度为9.8m·s -2。

解 所用公式为p=p 0e —Mgh/RT ，其中M （空气） =29g·mol —1， M(N 2)=28g·mol —1， M （O 2)=32g·mol —1，M （其它)=［M(空气)—0。

7-1当水的温度t=80℃，压力分别为0.01、0.05、0.1、0.5及1MPa时，各处于什么状态并求出该状态下的焓值。

解：查表知道t=80℃时饱和压力为0.047359MPa。

因此在0.01、0.05、0.1、0.5及1MPa时状态分别为过热、未饱和、未饱和，未饱和、未饱和。

焓值分别为2649.3kJ/kg，334.9 kJ/kg，335 kJ/kg，335.3 kJ/kg，335.7 kJ/kg。

7－2已知湿蒸汽的压力p=1MPa干度x=0.9。

试分别用水蒸气表和h-s图求出hx，vx，ux，sx。

解：查表得：h``＝2777kJ/kg h`=762.6 kJ/kgv``＝0.1943m3/kg v`＝0.0011274 m3/kgu``= h``－pv``=2582.7 kJ/kg u`＝h`－pv`=761.47 kJ/kgs``=6.5847 kJ/(kg.K) s`＝2.1382 kJ/(kg.K)hx＝xh``+(1-x)h`=2575.6 kJ/kgvx＝xv``+(1-x)v`=0.1749 m3/kgux＝xu``+(1-x)u`=2400 kJ/kgsx＝xs``+(1-x)s`=6.14 kJ/(kg.K)7-3在V＝60L的容器中装有湿饱和蒸汽，经测定其温度t＝210℃，干饱和蒸汽的含量mv=0.57kg，试求此湿蒸汽的干度、比容及焓值。

解：t＝210℃的饱和汽和饱和水的比容分别为：v``＝0.10422m3/kg v`＝0.0011726 m3/kgh``＝2796.4kJ/kg h`=897.8 kJ/kg湿饱和蒸汽的质量：解之得：x=0.53比容：vx＝xv``+(1-x)v`=0.0558 m3/kg焓：hx＝xh``+(1-x)h`=1904kJ/kg7－4将2kg水盛于容积为0.2m3的抽空了的密闭刚性容器中，然后加热至200℃试求容器中（1）压力；（2）焓；（3）蒸汽的质量和体积。

第七章 热力学基础7-1 假设火箭中的气体为单原子理想气体，温度为2000 K ，当气体离开喷口时，温度为1000 K ，（1）设气体原子质量为4个原子质量单位，求气体分子原来的方均根速率2v ．已知一个原子质量单位=1.6605×10-27 kg ；（2）假设气体离开喷口时的流速（即分子定向运动速度）大小相等，均沿同一方向，求这速度的大小，已知气体总的能量不变．分析 气体动理论的能量公式表明，气体的温度是气体分子平均平动动能的量度．当气体的内能转化为定向运动的动能时，即表现为平均平动动能的减少，也就是温度的降低．解 （1）由气体动理论的能量公式kT m 23212=v ，得m/s 3530.7m/s 106605.1420001038.13327232=⨯⨯⨯⨯⨯==--m kTv （2）气体总的能量不变，气体内能的减少应等于定向运动动能的增量，就气体分子而言，即分子的平均平动动能的减少应等于定向运动动能的增量．若分子定向运动速度为d v ，则有212d 232321kT kT m -=v m/s 2496.6m/s 106605.14)10002000(1038.13)(3272321d =⨯⨯-⨯⨯⨯=-=--m T T k v7-2 单原子理想气体从状态a 经过程abcd 到状态d ，如图7-2所示．已知Pa 10013.15⨯==d a p p ，Pa 10026.25⨯==c b p p ，L 1=a V ，L 5.1=b V ，L 3=c V ，（1）试计算气体在abcd 过程中作的功，内能的变化和吸收的热量；（2）如果气体从状态d 保持压强不变到a 状态，如图中虚线所示，问以上三项计算变成多少？（3）若过程沿曲线从a 到c 状态，已知该过程吸热257 cal ，求该过程中气体所作的功．分析 理想气体从体积1V 膨胀到体积2V 的过程中所作的功为⎰21d )(V V V V p ，其量值为V p -图上过程曲线下的面积．如果过程曲线下是规则的几何图形，通常可以直接计算面积获得该过程中气体所作的功．解 （1）气体在abcd 过程中作的功应等于过程曲线下的面积，得Pa531.8 Pa 10)5.13(10013121103100131 353514=⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=+=--..S S W adcbda abcd 内能改变为J455.9J )101104(10013.123)(23)(23)(335m V,=⨯-⨯⨯⨯⨯=-=-=-=---a d a a d a d a d V V p T T R M m T T C M m E E应用热力学第一定律，系统吸热为J 987.7J 455.9J 8.531=+=-+=a d abcd E E W Q（2）气体在等压过程da 中作的功为J -303.9J 10)41(10013.1)(35=⨯-⨯⨯=-=-d a a da V V p W0 1 1.5 3 4 V /L图7-2内能改变为 J 455.9-=-a d E E系统吸热为 J 9.875J 455.9-J 9.303-=-=-+=d a da E E W Q（3）若沿过程曲线从a 到c 状态，内能改变为J8.759J 1010013.1)1132(23)(23)(23)(35m V,=⨯⨯⨯⨯-⨯⨯=-=-=-=--a a c c a c a c a c V p V p T T R M m T T C M m E E应用热力学第一定律，系统所作的功为J 5.314J 759.8-J 18.4257=⨯=-+=a c ac ac E E Q W7-3 2 mol 的氮气从标准状态加热到373 K ，如果加热时（1）体积不变；（2）压强不变，问在这两种情况下气体吸热分别是多少？哪个过程吸热较多？为什么？分析 根据热力学第一定律，系统从外界吸收的热量，一部分用于增加系统的内能，另一部分用于对外作功．理想气体的内能是温度的单值函数，在常温和常压下氮气可视为理想气体，无论经过什么样的准静态过程从标准状态加热到373 K ，其内能的变化都相同．在等体过程中气体对外不作功，系统从外界吸收的热量，全部用于系统的内能的增加，而在等压过程中，除增加内能外，还要用于系统对外作功，因此吸热量要多些．解 （1）氮气可视为双原子理想气体，5=i ．在等体过程中，系统吸热为J 4155J )273373(31.8252)(212V =-⨯⨯⨯=-=T T R i M m Q（2）在等压过程中，系统吸热为J 5817J )273373(31.8272)(2212p =-⨯⨯⨯=-+=T T R i M m Q7-4 10 g 氧在p = 3×105 Pa 时温度为t = C 10︒，等压地膨胀到10 L ，求（1）气体在此过程中吸收的热量；（2）内能的变化；（3）系统所作的功．分析 气体在等压过程中吸收的热量为)(2212p T T R i M m Q -+=，其中1T 已知，2T 可以通过气体状态方程由已知的该状态的压强和体积求出．用同样的方法可以计算内能的变化．再应用热力学第一定律计算出系统所作的功．解 （1）气体在等压过程中吸收的热量为J8792J )28331.832101010103(27 )(22)(22351212p =⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=-+=-+=-RT MmpV i T T R i M m Q（2）内能的变化为J5663J )28331.832101010103(25 )(2)(235121212=⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=-=-=--RT MmpV i T T R i M m E E（3）应用热力学第一定律，系统所作的功为J 2265J 5663-J 792812==-+=E E Q W7-5 双原子理想气体在等压膨胀过程中吸收了500 cal 的热量，试求在这个过程中气体所作的功．解 双原子理想气体在等压膨胀过程中吸热为)(22)(221212p V V p i T T R i M m Q -+=-+=所作的功为J 597J 18.450025222)(p 12p =⨯⨯+=+=-=Q i V V p W 7-6一定质量的氧气在状态A 时V 1 = 3 L ，p 1 = 8.2×105 Pa ，在状态B 时V 2 = 4.5 L ，p 2 = 6×105 Pa ，分别计算在如图7-6所示的两个过程中气体吸收的热量，完成的功和内能的改变：（1）经ACB 过程；（2）经ADB 过程．分析 在热力学中，应该学会充分利用V p -图分析和解题．从图7-6所示的V p -图可以看出，AC 和DB 过程为等体过程，AD 和CB 过程为等压过程．理想气体的内能是温度的单值函数，在常温和常压下氧气可视为理想气体，只要始末状态相同，无论经过什么样的准静态过程，其内能的变化都相同．但是气体吸收的热量和完成的功则与过程有关，在等压过程中吸收的热量为)(2212p T T R i M m Q -+=，在等体过程中吸收的热量为)(212V T T R iM m Q -=，其中温度值可以利用状态方程代换为已知的压强和体积参量．解 （1）经ACB 过程，即经等体和等压过程，气体吸热为J1500 J103106J 103102.825J 105.4106225 222 )(22)(2353535121122p V =⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯+=--+=-++-=+=---V p V p iV p i V p V p i V p V p i Q Q Q C C B B A A C C ACB 所作的功为J 900J 10)35.4(106)(35122=⨯-⨯⨯=-==-V V p W W CB ACB应用热力学第一定律，系统内能改变为J 600J 900-J 1500==-=-ACB ACB A B W Q E E（2）经ADB 过程，所作的功为J 1230J 10)35.4(102.8)(35121=⨯-⨯⨯=-==-V V p W W AD ADB系统内能改变为 J 600=-A B E Ep pO V 1 V 2 V图7-6应用热力学第一定律，气体吸热为J 1830J 600J 123012=+=-+=E E W Q ADB ADB7-7 1 g 氮气在密封的容器中，容器上端为一活塞，如图7-7所示．求（1）把氮气的温度升高10°C 所需要的热量；（2）温度升高10°C 时，活塞升高了多少？已知活塞质量为1 kg ，横截面积为10 cm 2，外部压强为Pa 10013.15⨯．分析 可以上下自由运动的活塞加在气体上的压强为大气压与气体上表面单位面积上承受的活塞重力之和．利用理想气体状态方程，气体对外所作的功，也可以用温度的变化表示，即T R MmV p ∆=∆． 解 （1）因外部压强和活塞质量不变，系统经历等压过程，压强为Pa 101.111Pa 10108.91Pa 10013.1545⨯=⨯⨯+⨯=-p J 4.10J 1031.822528122p =⨯⨯+⨯=∆+=T R i M m Q（2）系统作功为T R Mmh pS V p W ∆=∆=∆=p 则 m 102.67m 101010111.11031.82812-45⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=∆=∆-pS T R m m h 7-8 10 g 某种理想气体，等温地从V 1膨胀到V 2 = 2 V 1，作功575 J ，求在相同温度下该气体的2v ．分析 气体动理论的能量公式表明，气体的温度是气体分子平均平动动能的量度，而且定义了方均根速率2v ．只要温度不变，无论经历什么样的过程，方均根速率都不变．本题中，可以通过等温过程中系统所作的功的表达式确定该过程中系统的温度．图7-7解 等温过程中系统所作的功为12T ln V V RT M mW =m/s 499m/s 2ln 10105753ln33312T2=⨯⨯⨯===-V V m W MRTv 7-9 2 m 3的气体等温地膨胀，压强从Pa 10065.551⨯=p 变到Pa 10052.451⨯=p ，求完成的功．解 等温过程中系统所作的功为J 102.26J 10052.410065.5ln210065.5 ln ln 5555121112T ⨯=⨯⨯⨯⨯⨯===p p V p p p RT M mW7-10 在圆筒中的活塞下密闭空间中有空气，如图7-10所示．如果空气柱最初的高度h 0 = 15 cm ，圆筒内外的压强最初均为Pa 10013.150⨯=p ，问如要将活塞提高h = 10 cm ，需作多少功？已知活塞面积S = 10 cm 2，活塞质量可以忽略不计，筒内温度保持不变．分析 因筒内温度保持不变，这是一个等温过程．由于过程必须是准静态过程，则在过程进行中的任一时刻，系统都处于平衡状态．过程进行中，活塞受到向上的拉力F ，筒外空气向下的压力S p 0，筒内气柱向上的压力pS ，在这些力的作用下处于平衡状态．由力的平衡条件，可以确定活塞向上位移外力所作的元功，并联系气体等温过程方程求解．解 取圆筒底面为原点，竖直向上为x 轴正向，如图7-10所示．设活塞位于x 处时，筒内压强为p ，筒内外的压强差为p p -0，在准静态过程中提高活塞O图7-10所需的向上外力为S p p F )(0-=，此时活塞向上位移x d 外力所作的元功为x S p p x F W d )(d d 0-==因等温过程有00V p pV =，Sx V =，则要将活塞提高h ，需作的功为J2.37J )15.015.010.0ln15.010.0(10101.013 )ln (d )1(d )(3500000000=+-⨯⨯⨯=+-=-=-=-++⎰⎰h h h h h S p x x h S p x S p p W h h h h h h7-11 今有温度为27°C ，压强为Pa 10013.15⨯，质量为2.8g 的氮气，首先在等压的情况下加热，使体积增加一倍，其次在体积不变的情况下加热，使压强增加一倍，最后等温膨胀使压力降回到Pa 10013.15⨯，（1）作出过程的p —V 图；（2）求在三个过程中气体吸收的热量，所作的功和内能的改变．分析 本题中涉及到三个等值过程，利用已导出的各等值过程中系统作功、吸热和内能变化表达式和热力学第一定律求解．解 （1）过程的p —V 图如图7-11所示． （2）1～2，等压过程J249J 30031.8288.2 )(111121p =⨯⨯===-=RT MmV p V V p WJ872J 2492252222 )(22)(22p 112112p =⨯+=+=+=-+=-+=W i pV i V V p i T T R i M m QJ 623J 249J 872p p =-=-=∆W Q E2～3，等体过程， 0V =WpppO V 1 V 2 V 4 V图7-11J 1245J 24952)(2)(2p 112121323V =⨯====-=-==∆iW V p i V p iV p p iT T R i M m Q E3～4，等温过程， 0=∆EJ690J 2ln 24942ln 4 2ln 42ln 2lnp 11131333T T =⨯⨯======W V p V p p p V p W Q7-12 双原子气体V 1 = 0.5 L ，Pa 10065.541⨯=p ，先绝热压缩到一定的体积V 2和一定的压强p 2，然后等容地冷却到原来的温度，且压强降到Pa 10013.150⨯=p ．（1）作出过程的p -V 图；（2）求V 2 = ？p 2 = ？分析 对于双原子理想气体，热容比4.1=γ．不论经历什么过程，只要初终态气体的温度相同，就可以应用理想气体状态方程，建立类似于等温过程中初态和终态压强和体积之间的关系．解 （1）过程的p —V 图如图7-12所示．（2）因初态和终态温度相同，应用理想气体状态方程，有1120V p V p =L 0.25L 10013.15.010065.5540112=⨯⨯⨯==p V p V 由绝热过程方程γγ1122V p V p =，得Pa 101.337Pa 25.05.010065.554.142112⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=γVV p p 7-13 推证质量为m ，摩尔质量为M 的理想气体，由初状态（p 1、V 1、T 1）pp p pO V 2 V 1 V图7-12绝热膨胀到p 2、V 2时气体所作的功为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--=-1211221111)(11γγγV V RT M m V p V p W 分析证 对于绝热过程，有⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--=-=-=∆-=-121121121112211221122112111111 11)(11)(2)(2γγγγγγV VRT M m V V V V RT M mV p V p V p V p V p V p V p iT T R i M m E W7-14 32 g 氧气处于标准状态，后分别经下二过程被压缩至5.6×10-3 m 3，（1）等温压缩；（2）绝热压缩，试在同一个p -V 图上作出两过程曲线，并分别计算两过程最终的温度以及所需要的外功．分析 32 g 氧气恰好为1 mol ，标准状态下体积和温度都有确定值． 解 两过程的p —V 图如图7-14所示． （1）32 g 氧气为 1 mol ，体积为331m 104.22-⨯=V ，温度为K 2731=T ，且等温压缩过程K 27312==T T ，所作的功为J -3146J 4.226.5ln104.2210013.1 ln351211T =⨯⨯⨯⨯==-V V V p W（2）绝热压缩过程γγ1122V p V p =，得K 475K )106.5()104.22(31.810013.14.034.1351211222=⨯⨯⨯⨯===---γγV V R p R V p Tpp 1O V 2 V 1 V图7-14利用上题结果，绝热压缩过程所作的功为J -4204J 6.54.2214.0104.2210013.1 114.03512111=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛-⨯⨯⨯⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--γγVV V p W7-15 体积为V 1 = 1 L 的双原子理想气体，压强p 1 =Pa 10013.15⨯，使之在下述条件下膨胀到V 2 = 2 L ，（1）等温膨胀；（2）绝热膨胀，试在同一p -V 图中作出两过程曲线，并分别计算两种情况下气体吸收的热量，所作的功及内能的变化．分析 等温过程中气体内能不变，所吸收的热量等于对外所作的功；绝热过程中气体吸热为零，对外所作的功等于内能的减少．解 两过程的p —V 图如图7-15所示．（1）等温膨胀 0=∆EJ 2.70J 2ln 1010013.1 ln351211T T =⨯⨯⨯===-V V V p W Q（2）绝热膨胀 0=QJ61.3J )5.01(4.01010013.1 114.03512111=-⨯⨯⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=--γγV V V p W J 3.61-=-=∆W E7-16 0.1 mol 单原子理想气体，由状态A 经直线AB 所表示的过程到状态B ，如图7-16所示，已知V A = 1 L ，V B = 3 L ，p A =Pa 10039.35⨯，p B =Pa 10013.15⨯。

7.1(1) 因为TT 21-=η，所以40=η℅时高温热源的温度： )(4671121K T T =-⋅=η而当50'=η℅时，)(560'K T =所以高温热源需增加的温度为：)(931'1K T T =-（2）当50'=η℅时，低温热源温度为：)(233)5.01(467)1(1'2K T T =-⨯=-=η所以低温热源降低的温度为：)(47'22K T T =-7.2（1） 制冷机所需的最小功率就是它做逆向准静态卡诺循环时每秒所需的功A 。

已知每秒钟吸热J Q 20002=，并知高温热源的温度K T 3101=，低温热源温度K T 3002=，可得：)(7.662212s J T T T Q A =-= 所求最小功率为66.7W 。

（2） 每秒钟从室外取热：)(6002703002707.662122s J T T T AQ =-⨯=-= 所以每秒钟给室内最大热量：)(7.66621s J A Q Q =+=。

7.3此时将热机视为卡诺机。

（1）kJ T T T Q A T T T Q A kJ Q K T K T 23.4110027847312111211121=-=-====(2)kJT T T AQ T T T Q A kJ A K T K T 29.80523.412782932111121121=-=-====7.4工作在同样高低温热源之间的热机，以可逆卡诺机的效率最高，令热机I , II , III 都是可逆的。

热机I 放热为：12112T T Q A Q Q =-=热机II 的最大功为：132123222T T T Q T T T Q A -=-=热机III 的最大功为：211311A A T T T Q A +=-=。

7.5，I 代表热机，II 代表制冷机，1Q ，2Q ，3Q ，4Q ，A , 1T ,2T, 3T 各符号的意义如图，暖气系统（温度3T ）所得热量：131123313143T TT Q A T T T A T T Q Q Q -=-+=+其中所以：J T T T T T T Q Q Q 432321131431025.62883332884834833331092.20⨯=--⨯⨯⨯=--⋅=+ 即暖气系统所得的总热量为J 41025.6⨯，可见比单烧燃料获得的热量多7.6(1) 在昼间，()kW T T T Q A T T T Q A kW T T Q KT K T 9.1040805.05.02933732212221221221=-=-==⨯=-⨯===（3） 在夜间，()kW T T T Q A T T T Q A kW T T Q KT K T 6.24601205.05.01732931211121121121=-=-==⨯=-⨯=== 7.7 7.8对1 mol 范德瓦尔斯气体，有：2Vab V RT P --=（1） 对上式在定容下求T 的偏微商：bV R T P V -=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂ 所以：22V a V a b V RTb V R T P T P T V u VT =⎪⎭⎫ ⎝⎛----⋅=-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂（2）dT C dV V a dT T u dV V u du V VT +=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=2积分可得：⎰⎰⎰⎰++-=+=-=TT V TT V VV uu dT C V aV a dT C dV V a u u du 0000020所以：⎪⎪⎭⎫⎝⎛-++=⎰V V a dT C u u TT V 11000（2）若V C 为常数，则有，()'000011u V a T C V V a T T C u u V V +-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+= 000'0V aT C u u V +-=7.9在绝热过程中，据热力学第一定律：Ad du Q d ==0 （1）对于范德瓦尔斯气体，据7.8题，有：dT C dV V adu V +=2（2）dV V a b V RTPdV A d ⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-=2（3）将（2）（3）式代入（1）式并整理：dV bV RdT T C V --= 对上式积分可得：()常数+--=b V C RT Vln ln 所以：()常数=-VC R b V T7.10据热力学第二定律：TPdV T du dS +=对1 mol 范德瓦尔斯气体2V ab V RT P --=dT C dV V adu V +=2dT TC dV b V RdS V +-=对它积分可以得到：()00ln S dT T C b V R S TT V++-=⎰若V C 是常数，则：()'ln ln S T C b V R S V ++-= 7.11自由膨胀是不可逆过程，为了求其熵变，应当设想在给定的始末态之间有一可逆过程来代替原过程。

第七章 热力学基础7-1答：系统的内能是系统状态的单值函数，当系统的状态确定时，其内能也是确定的，且只有一个值。

但状态不是内能的单值函数，一个内能值对应的系统状态可能有几个（例如，在理想气体的等温过程中，系统的状态在不断地变化，但系统的内能始终没有变）。

因此，系统内能的变化一定对应着系统状态的改变，但系统状态的改变不一定会引起系统内能的变化。

然而，系统状态变化所引起的内能变化，只与系统的初始状态和末状态有关，与系统所经历的中间过程无关（即系统从同一初始状态沿不同过程到达相同的末状态，系统内能的变化是相同的）。

7-2答：热机的性能，是以“热机的工作物质从外界吸收的热量中，有多少转换成了对外界所做的净功”来衡量的，并把“热机在一个正循环过程中工作物质对外界所做的净功，与它从外界所吸收的热量之比”，定义为热机的效率，以η表示，即1212111Q Q Q Q Q Q A -=-==η 不同的热机因其循环过程不同，因而有不同的效率。

7-3答：理想气体被绝热压缩时外界对气体做功，根据绝热方程“恒量=-T Vγ1”可知：体积缩小，温度升高，内能增加。

理想气体在真空中自由膨胀，既不对外做功、也没有热量的传递，因此气体的温度与原温度相同，内能不变。

7-4答：在这个过程中，理想气体系统经历了一个逆循环，因此系统的内能不变，系统对外界做负功。

在这个循环过程中，系统对外界所做功为：)(ln12121V V p V V RT A A A --=+=等压等温 7-5解：标准状态是Pa 10013.150⨯==p p ，K 273=T 。

（1）等温过程 ∵0=∆E ，∴)J (25.78621ln 27331.810281014ln 3312-≈⨯⨯⨯⨯⨯===--V V RT MA Q μ 因此，在该过程中外界对系统所做的功：J 25.786=-='A A ， 系统向外界放热：J 25.786=-='Q Q ；（2）绝热过程 ∵0=Q ，∴⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=--=∆-=121V 12V 1)(T T T C MT T C ME A μμ， 由绝热过程方程122111--=γγV T V T ，可得：J)(906)21(27331.82510281014114.1331211V -≈-⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆-=--γμV V T C M E A 因此，在该过程中系统内能的增量：J 906=∆E ， 外界对系统所做的功：J 906=-='A A ； （3）等压过程：⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-=∆1)(121V 12V T T T C MT T C ME μμ由等压过程方程2211T V T V =，可得： J)(90.1417)21(27331.82510281014133121V -≈-⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆V V T C ME μ， 又 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=11)(121p 121p 12p V V T C M T T T C MT T C MQ μμμJ)(05.1985)21(27331.8271028101433-≈-⨯⨯⨯⨯⨯⨯=， 故 J)(15.56790.141705.1985-=+-=∆-=E Q A ， 因此，在该过程中系统内能的增量：J 90.1417-=∆E ， 外界对系统所做的功：J 15.567=-='A A ， 系统向外界放热：J 05.1985=-='Q Q 。

第七章 热学基础思考题7-1 如设单位摩尔气体的尺度约为10-1m 量级，一个气体分子约为10-9m 量级。

试估算宏观气体系统是由多大数量级的微观粒子组成的。

7-2 在一定条件下，较重的原子核可视为由质子、中子等组成的热学系统。

试说明这李的“宏观系统”和“微观系统”分别是谁？7-3 无规则热运动首先由生物学家布朗在观察悬浮在水中的细小花粉颗粒运动时候发现。

有人说，热运动就是指划分颗粒的无规则运动，这种说法正确吗？进一步的，若将水加热，花粉颗粒运动更加剧烈，这又说明了什么道理。

7-4 讨论热力学第零定律在温度概念引进中的必要性。

7-5 若一个物体的某种状态量与其物质的量成正比例，该状态属于广延量；若状态量与物质量没有关系，则属于强度量。

试分析理想气体的三个状态量谁属于广延量，谁又属于强度量。

习题7-6 有一氧气瓶，其容积为32L ，压强为130个标准大气压（记为atm ）。

当压强降到10大气压时，就应重新装气体。

某工厂若平均每天用1atm 下的氧气400L ，试问，在温度不变的情况下，一瓶氧气能用多少天？解：设温度为T ，出厂氧气质量为M1，最后质量为M2，每天用氧气质量M ’，故有：7-7 测定气体摩尔质量的一种方法是：容积为V 的容器内装满被测的气体，测出其压强为P1，温度为T ，并称容器连同气体的质量为M1;然后放出一部分气体，使压强降到P2，温度仍不变，再称出容器连同气体的质量M2，试由此求该气体的摩尔质量。

解：设容器本身的质量为M ’，则二状态分别满足 联立求解，得1212()M M RT P P Vμ-=- 7-8 水银气压计混进了一个气泡，因此它的毒素比实际的气压小些。

当精确的气压计的水银柱高为768mm 时，它的水银柱高只有748mm ，此时管中水银面到管顶的距离为80mm 。

试问，此气压计的水银柱高为734mm 时，实际气压应是多少？（把气泡中气体当作理想气体，并设温度不变。

）解：设管的横截面积为S ，混进管内气体的质量为M “0”角码为精确气压计。

第七章统计热力学基础习题和答案第七章、统计热力学基础习题和答案统计热力学基础I.多项选择题1.下面有关统计热力学的描述，正确的是：()a.统计热力学研究的是大量分子的微观平衡体系b.统计热力学研究的是大量分子的宏观平衡体系c.统计热力学是热力学的理论基础d、统计热力学和热力学是两个独立且不相关的学科B2，当研究具有确定值N，V和u的粒子系统的统计分布时，设∑Ni=N和∑NiεI=u，因为所研究的系统是：（）A.系统是封闭的，粒子是独立的，B.系统是孤立的，粒子是相依的，C.系统是隔离的，粒子是独立的，D.系统是封闭的，粒子是独立的，C3.假定某种分子的许可能级是0、ε、2ε和3ε，简并度分别为1、1、2、3四个这样的分子构成的定域体系，其总能量为3ε时，体系的微观状态数为：()a.40b.24c.20d.28a4.使用麦克斯韦-玻尔兹曼分布定律，粒子数N必须非常大，因为当引入该定律时：（）假设粒子是可互换的，则采用B.斯特林近似公式c.忽略了粒子之间的相互作用d.应用拉氏待定乘因子法a5.对于玻尔兹曼分布定律，Ni=（n/Q）giexp（-εI/KT）：（1）Ni是分布在第I能级上的粒子数；（2）随着能级的增加，εI增大，Ni始终减小；（3）它只适用于可分辨的独立粒子系统；（4）它适用于任何大量的粒子系统，正确的是：（）a.(1)(3)b.(3)(4)c.(1)(2)d.(2)(4)c6.对于分布在某一能级εi上的粒子数ni，下列说法中正确是：()a.ni与能级的简并度无关b.εi值越小，ni值就越大c、 Ni被称为分布D。

Ni的任何分布都可以用玻尔兹曼分布公式计算7.15．在已知温度t时，某种粒子的能级εj=2εi，简并度gi=2gj，则εj和εi 上分布的粒子数之比为：()a.0.5exp(εj/2kt)b.2exp(-εj/2kt)c、 0.5exp（-εj/kt）d.2exp（2εj/kt）c8。