第二章 热力学第二定律
引 言
一、热力学第一定律的局限性：凡是违背第一定律的过程一定不能实现，但是不违背第一定律的过程并不是都能自动实现的。
例如： 1．两块不同温度的铁相接触，究竟热从哪一块流向哪一块呢？按热力学第一定律，只要一块铁流出的热量等于另一块铁吸收的热量就可以了，但实际上，热必须温度从较高的一块流向温度较低的那块，最后两块温度相等，至于反过来的情况，热从较冷的一块流向热的一块，永远不会自动发生。
2．对于化学反应：
以上化学反应计量方程告诉我们，在上述条件下，反应生成1mol NO 2，则放热57.0KJ,若1mol NO 2分解，吸热57.0KJ ，均未违反热力学第一定律，但热力学第一定律不能告诉我们，在上述条件下的混合物中，究竟是发生
NO 2的分解反应，还是NO 2的生成反应？假定是生成NO 2的反应能自动进行，那么进行到什么程度呢？这些就是过程进行的方向和限度问题，第一定律无法解决，要由第二定律解决。
二、热力学第二定律的研究对象及其意义：
1．研究对象：在指定条件下，过程自发进行的方向和限度：当条件改变后，方向和限度有何变化。
2．意义：过程自发进行的方向和限度是生产和科研中所关心和要解决的重要问题。
例如：在化工及制药生产中，不断提出新工艺，或使用新材料，或合成新药品这一类的科学研究课题，有的为了综合利用，减少环境污染，有的为了改善劳动条件不使用剧毒药品，……等。这些方法能否成功？也就是在指定条件下，所需要的化学反应能否自动进行？以及在什么条件下，能获得更多新产品的问题。当然，我们可以进行各种实验来解决这一问题，但若能事先通过计算作出正确判断，就可以大大节省人力，物力。理论计算认为某条件下根本不可能进行的反应，就不要在该条件下去进行实验了。
NO(g)+12
O 2(g)2(g)KJ
H m r 0.57298..=?KJ H m r 0.57298..-=?NO(g)
+
1
2O 2
(g)NO 2(g)
§2–1 自发过程的共同特征一、自发过程举例：
1．理想气体自由膨胀
2．热量由高温物体传向低温物体
3．锌投入硫酸铜溶液中发生置换反应：
Zn + CnSO
4→ Cu + ZnSO
4
二、自发过程的共同特征：
由上述例子可以分析，所有自发变化是否可逆的问题，最终都可归结为“热能否全部转变为功而没有其他变化”这样一个问题。但经验告诉我们：功可自发地全部变为热，但热不能全部变为功而不引起其他变化。由此可知：一切自发过程都是不可逆的。这就是自发过程的共同特征。
§2–1热力学第二定律
热力学第二定律的表述方法：
1．克劳修斯（Clausius）说法：热不能自动地从低温物体传至高温物体。2．开尔文（Kelvin）说法：不可能从单一热源吸收热量，使之全部转变为功，而不发生其他影响。
3．普朗克（Planck）说法：第二类永动机是不可能实现的。
不同表述法的实质及相互关系：
热力学第二定律的表达方式虽有很多种，但实质是一样的，都是指一件事情是“不可能”的，即指出某种自发过程的逆过程是不能自动进行的。各种不同说法都是等效的，可以用反证法证明若违背了克劳修斯的说法，必然也违背开尔文的说法，反这亦然。
§2–3 卡诺循环和卡诺定理
热力学第二定律揭示了热功之间的转换关系即热功之间的转化是不可逆的，因而从热功之间的转化研究中，有可能找到判断一切过程的方向及限度的判据。
一、卡诺循环：由两个等温可逆和两个绝热可逆过程组成的循环称为卡诺（Carnot）循环。
卡诺设计了一部理想热机，其工作物质是1mol理想气体，它放入带活塞的气缸
中，活塞无重量，与气缸壁无磨擦，该热机进行的循环就是卡诺循环。经过下列循环：
（1）与高温热源T
2接触，进行等温可逆膨胀，由T
2
P
1
V
1
到T
2
P
2
V
2
；（2）离开热
源，进行绝热可逆膨胀，由T
2
P
2
V
2
到T
1
P
3
V
3
；（3）
与低温热源T
1
接触，进行等温可逆压缩，由T
1
P
3
V
3
到T
1
P
4
V；（4）离开热源，进行绝热可逆压缩，
由T
1
P
4
V
4
到T
2
P
1
V
1
。
1mol理想气体经历卡诺循环，从高温热源T
2
吸热
Q
2
，作功W，同时放热Q
1
给低温热源T
1
。
所作的总功 W=W
1
+W
2
+W
3
+W
4
∵ W
2
= –W
4
W=W
1
+W
3
=-R（T
2
—T
1
）ln（V
2
/V
1
）
二、热机效率
公式：
是任意热机效率，
为可逆热机效率。
三、卡诺定理
1、在两个不同温度的热源之间工作的任何热机的效率，以卡诺热机效率为最大。否则将违反热力学第二定律。
2．卡诺热机的效率只与两个热源的温度有关，而与工作物质无关。否则将违反热力学第二定律。
§2–4 熵的概念
1.卡诺循环过程的热温商
2.因为：公式：
3.
（2.2）
意义：双热源热机在Carnot循环（可逆循环）过程中的热温商之和为零。
适用条件：热机在双热源间按Carnot 循环（可逆）运转。 2．任意可逆循环过程的热温商
向任意可逆循环ABCDA 中引入许多绝热可逆线（虚线）和恒温可逆线（实线）便得到许多由二条可逆恒温线与两条可逆绝热线构成的小卡诺循环，如图(2.2)所示。从图上还可看出：虚线所代表的绝热可逆线实际上并不存在，因为每一个小卡诺循环的绝热可逆膨胀线是前一个小卡诺循环的绝热可逆压缩线，互相抵消。这些小卡诺循环的总和形成一个沿曲线ABCDA 的封闭折线，当小卡诺循环的数目无限多时，折线即为曲线，折线所包围的面积就是曲线所包围的面积，即任意可逆循环，可由无穷多个小卡诺循环之和代替它。
对于每个小卡诺循环：结果表明对于任意可逆循环，其热温商之和等于零。 可逆过程的热温商与熵函数。 3.熵的引出
对于一任意的可逆循环，可以看作是由两个可逆过程组成。见图2.3
???=???
??+??? ??=??? ??021A
B R B
A R R T Q T Q T Q δδδ
移项整理后得：
结果表明从A 到B 经两个不同途径的可逆过程，它们各自的热温商之和相等只取决于始终
状态，而与途径无关，而且
R T Q ???
??δ的环积分为零，因此它必定对应于某一状态函数的变化，
这个状态函数就定义为熵（entropy ），用符号S 表示。 4.熵的定义
熵是体系的容量性质，在状态一定时，有一确定的值，当状态发生改变时，可以用可逆过程中的热温商之和来表示它的变化，
即：
??
??
??=-=?B
A R A
B T Q S S S δ (2.3) 当变化为无限小时
R T Q dS ?
?? ??=δ
(2.4)
图2.3 可逆循环图2.4 不可逆循环
§2–5 克劳修斯不等式与熵增加原理
1.任意不可逆过程的热温商
任意不可逆过程的热温商：
在相同低温和高温热源之间工作的不可逆热机效率η′一定小于可逆热机效率η
公式：
（2.5）
意义：热机在双热源间不可逆运转时热温商之和小于零。
适用条件：双热源间热机的循环过程总有一段过程是不可逆的。
公式：
（2.6）
意义：多热源间任意不可逆循环过程中的热温商总和小于零。
适用条件：热源有T
1
，T
2
，T
3
，...T
i
多个，整个循环过程中总有一段过程不可逆。
2.Clausius 不等式--热力学第二定律的数学表达式
将一任意的不可逆循环过程分为由A→B的不可逆过程和由B→A的可逆过程，因有一步不可逆，故整个循环仍是不可逆的。见图2.4
∑
∑?
?
?
?
?
+
?
?
?
?
?
?
A
B R
B
A R
I
T
Q
T
Qδ
δ
< 0 或B
A
B
A R
I
S
T
Q
→
?
?
-
?
?
?
?
?
∑δ
< 0
即A B
S S S -=?>∑??
?? ??B
A R I T Q δ （2.9）
结果表明：对于不可逆过程A →B 来说体系的熵变ΔS 大于过程的热温商：对于可逆过程A →B 来说ΔS 等于过程的热温商。
当发生微小过程时可得：dS ≥T Q
δ (2.10) 该式称为克劳修斯不等式，其中等式适用于可逆过程，不等式适用于不可逆过程，克劳修斯不等式作为热力学第二定律的数学表示式，用来判断过程的方向和限度时，又称熵判据。 热力学第二定律的数学式： 公式：
式中：δQ 是实际的过程热，T 是环境温度，可逆过程中T 也是系统的温度。 意义：在热力学可逆过程中，系统的熵变等于热温商，在热力学不可逆过程中，系统的熵变大于热温商。
适用条件：系统的简单状态变化，有非体积功（如电功）的热力学可逆和不可逆化学反应。系统的始态和终态应确定不变。 3.熵增加原理
绝热体系：因0=Q δ则dS ≥0或ΔS ≥0等号表示绝热可逆过程，不等号表示绝热不可逆过程。熵增加原理可表述为：在绝热条件下，趋向于平衡的过程使体系的熵增加。或者说在绝热条件下，不可能发生熵减少的过程。 熵增加原理可有两种表述：孤立系统的熵永不减少。即只有△S
孤
≥0。在绝热
过程中，系统的熵永不减少。即只有△S 绝热≥0，不会有△S 绝热<0。这两者是统一的，因孤立系统与环境间是无热交换的。 4.Clausius 不等式的意义
1．绝热体系：因0=Q δ则dS ≥0或ΔS ≥0
不等号表示不可逆；等号表示可逆。应指出，在绝热过程中，体系与环境虽
无热的交换，但可以有功的交换，因此绝热不可逆过程可以是自发过程，也可以是非自发过程，故在绝热条件下，只能用来判断过程是否可逆，而不能判断过程方向。
2．孤立体系：
如果把与体系密切有关的部分（环境）包括在一起，当作一孤立体系，则应有：
dS
孤=dS
体
+dS
环
≥0或（ΔS）
孤
=ΔS
体
+ΔS
环
≥0 (2.12)
由于在孤立体系中所发生的不可逆过程一定是自发过程，因此不等号表示自发过程，等号表示可逆过程或平衡状态，这就是熵判据。
§2–6 熵变的计算
一、简单状态变化过程
1、理想气体的等温过程
（2.13）
意义：系统的熵变与物质的量n和对数ln（V
2/V
1
）或ln（P
1
/P
2
）之积成正比。
适用条件：理想气体的等温过程（可逆与否均可用）。
2．等温等压混合熵变
公式：
（2.14）
意义：混合过程的熵等于各物质在混合过程中的熵变之和。
适用条件：理想气体（或理想溶液）在等温等压下混合。
3．等容变温过程
公式：
（2.15）
意义：熵变等于定容热容与dlnT之积的积分。
适用条件：纯物质的等容，变温过程，理想气体的任何等容变温过程。
若nC
V,m
为常数，则。
4．等压变温过程 公式：
（2.16）
意义：熵变等于定压热容乘dlnT 再积分。
适用条件：纯物质的等压，变温过程。理想气体的任何等压变温过程，
若nC p ，m 为常数，则
。
5.理想气体PVT 都改变的过程 公式：
（2.17）
意义：理想气体的熵变与温度、气体压力和体积都有关，并可用其中任何两个变量来计算。
适用条件：理想气体，T ，V ，P 三个变量中有两个是独立的，这三个式子是等效的，即对同一系统发生的同一过程，可用其中任一个公式计算熵变。 YP87-例6
今有2mol 某理想气体，由50℃，100dm 3加热膨胀到150℃，150dm 3，求系统的△S 。已知CV ，m=20J·K -1·mol -1。
1
2
1221211
ln ln 17.95S S S V m T V
S S S nC nR J K T V ???-??→
↓??→
??→↑
?=?+?=+=?33
3
，解：设计过程： 2mol 2mol 323K ，100dm 423K，150dm 2mol 423K ，100dm
二、相变过程
1．等温等压下纯物质的可逆相变
公式：
（2.18）
意义：可逆相变过程的熵变等于焓变除以相变温度。 适用条件：等温等压下纯物质的可逆相变。
2. 不可逆相变过程：如果相变过程不是在平衡条件下发生的相变化，则是不可逆相变过程，这时由于Q R ≠ΔH 故不能直接用来计算ΔS ，而要设计成始、终态相同的可逆过程才能求算ΔS 。 YP87-例6
在标准压力下。有1mol 、0℃的冰变为100℃的水汽，求△S 。已知冰的熔化热△fus H m 0=334.7J ·g -1,水的汽化热△vap H m 0 = 2259J ·g -1,水的热容为4.184J ·K -1·g -1。
22213
22H O H O H O H O S
S S S θθθθ????→↓?↓???→解：设计过程：
273K ，P （s） 373K，P （g）
273K ，P （l） 373K，P （l）
1230
1-1-1
ln 18334.737318 2.2594.18418ln 154.6J K mol 273273373
fus m
vap m
m fus
fus vap
S S S S H H T S C T T T ?=?+?+????=++
??=
+?+=??vap P ，
§2–7 热力学第二定律的本质和熵的统计意义
一、热力学第二定律的本质：
热力学第二定律指出，凡是自发过程都是不可逆的，而且一切不可逆过程都可以与热功交换的不可逆相联系。热是分子混乱运动的一种表现，而功则是与有方向的运动相联系，是有序运动，所以功转变为热的过程中由有规则的运动转化为无规则的热运动，是向混乱度增加的方向进行的，因此有序运动会自动地变为无序运动，而无序运动却不会自动地变为有序运动，所以热力学第二定律的本质就是一切不可逆过程都是向混乱度增加的方向进行。
二、熵的物理意义
1、几率、宏观状态、微观状态：
所谓几率就是指某种事物出现的可能性，一种指定的宏观状态，可以由多种微观状态来实现，与某一宏观状态相对应的微观状态的数目，称为该宏观状态的微观状态数，也称为这一宏观状态的热力学概率以符号Ω表示。
2、熵是体系混乱程度的度量：
某热力学状态所对应的微观状态数Ω就是体系处于该状态时的混乱度。在热力学过程中，体系混乱度的增减与体系熵S的增减是同步的，二者的函数关系为
S=KlnΩ（2.20）
上式称为玻尔兹曼（Boltzmann）公式，式中K称为玻尔兹曼常数，K=1.38×10–23J·K–1，这是一个重要公式，因为熵是一宏观物理量，而几率是一微观量，这一公式成为宏观量与微观量联系的桥梁。
§2–8 亥姆霍兹自由能与吉布斯自由能用熵增原理来判别自发变化的方向及限度，必须是孤立体系，而化学反应和相变化常在等温、等容或等温、等压的条件下进行，因此有必要引进新的辅助函数，只要利用体系自身该函数的变化，就可直接判断在特定条件下自发变化的方向，为此定义了亥姆霍兹自由能F和吉布斯自由能G。
一、亥姆霍兹自由能（F）
1． F函数的导出：
若体系进行一等温、等容过程并且只做体积功，则：
ΔU=Q体，代入熵判据：ΔS体+ΔS环≥0
ΔS–≥0
T总为正值，上式两边同乘以T：
TΔS–ΔU≥0
即：ΔU–Δ(TS)≤0
Δ(U–TS)≤0
令F= U –TS （2.23）
F 叫做亥姆霍兹自由能（Helmholtz free energy）或亥姆霍兹函数。2．亥姆霍兹自由能判据：
ΔF
T.V
≤0 （W′=0）（2.24）
这就是亥姆霍兹自由能判据，它是熵判据在ΔT=0、ΔV=0、W′=0条件下的具体形式，式中不等号适用于自发的不可逆过程，等号适用于可逆过程或平衡状态。关于F还应指出下列几点：
（1） F是容量性质、状态函数，只要体系状态发生改变，F就有改变值ΔF=ΔU–Δ(TS)，与过程无关。
（2）只有ΔT=0、ΔV=0、W′=0的过程，ΔF≤0 才能作判据。
（3）由定义F= U –TS 在ΔT=0时，ΔF= ΔU –TΔS
将ΔU=Q
R –W
R
及ΔS=代入上式ΔF=Q
R
–W
R
–Q
R
得到–ΔF
T =W
R
(2.25)
它表明在等温过程中，体系亥姆霍兹自由能的减少等于体系所作最大功。
二、吉布斯自由能（G）
1. G函数的导出
若体系进行一等温、等压过程并且只做体积功，则：
ΔH=Q体，Q环=–Q体=–ΔH代入熵判据：ΔS体+ΔS环≥0
ΔS–≥0T总为正值，上式两边同乘以T： TΔS–ΔH≥0
即：ΔH –Δ(TS)≤0 Δ(H –TS)≤0
令G= H –TS （2.26） G叫做吉布斯自由能（Gibbs free energy）或吉布斯函数。
2. 吉布斯自由能判据：
ΔG
T.P
≤0 （W′=0） (2.27) 这就是吉布斯自由能判据，它是熵判据在ΔT=0、ΔP=0、W′=0条件下的具体形式，式中不等号适用于自发的不可逆过程，等号适用于可逆过程或平衡状态。关于G亦需指出下列几点：
(1) G为容量性质、状态函数，只要体系状态发生改变，G就有改变值ΔG=ΔH –Δ(TS)，与过程无关。
(2) 只有ΔT=0、ΔP=0、W′=0的过程，ΔG才能作判据。
3. ΔG
T.P
由定义 G=H–TS
在ΔT=0，ΔP=0时，ΔG=ΔH–TΔS
将ΔU=Q
R –W
R
及Q
R
=TΔS代入上式
ΔG=ΔU+PΔV–TΔS=Q
R
–W
R
+PΔV–Q
R
而W
R =PΔV+W
R
′
则–ΔG
T.P = W
R
′ (2.28)
它表明在等温、等压过程中，体系吉布斯自由能的减少等于体系所作的最大非体积功。
§2–9 变化方向与平衡条件
平衡判据是用以检验系统是否处于热力学平衡状态，它是由热力学第一定律
（dU=dQ-dW）和热力学第二定律（dS-0）结合式得出的，当系统只作膨胀功时，以某些具有容量性质的状态函数在一定条件下是否有极值来作为平衡判据。常见的平衡判据有：
§2–10 ΔG的计算
一、简单状态变化过程
1.等温过程公式：△G=△H-T△S
适用条件：封闭系统和孤立系统的任一等温过程。
理想气体简单状态变化过程的ΔG.
等温过程：
；
△G=△H-T△S
2. 变温过程公式△G=△H-△(TS)
适用条件：封闭系统和孤立系统的各种热力学过程。
二、相变过程的ΔG
1.可逆相变过程：ΔG=0
2.不可逆相变过程：
计算不可逆相变过程的ΔG时应当设计可逆过程代替原不可逆过程，然后再计算每步可逆过程的ΔG，在设计可逆过程时可根据题中已知条件分别采用等温可逆过程或等压可逆过程。
三、化学变化过程ΔG的计算：
（2.31）
意义：化学反应的标准吉氏自由能差等于产物的标准生成吉氏自由能总和减去反应物的标准生成吉氏自由能总和。
适用条件：等温等压且符合标准状态规定的化学反应。
四、ΔG与温度的关系——吉布斯—亥姆霍兹方程
1. 微分式：
()
S
T
G
P
?
-
=
?
?
?
?
?
?
?
?
?
或
2
T
H
T
T
G
P
?
-
=
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
2. 不定积分式：
?+
?
=
?
1
2
dT
T
H
T
G
其中1为积分常数
3. 定积分式：
dT
T
H
T
G
T
G T
T
T
T
??
?
?
?
??
-
?
?
?
?
??
=
?
?
?
?
??2
1
1
2
2
数。
（4）
意义：变温、变压过程中系统的吉氏自由能变化可由热力学基本方程积分求得。
§2–11 几个热力学函数间的关系
一、基本公式
1．定义式：（1）H=U+PV （2）F=U–TS （3）G=H–TS
2．热力学基本方程式：
（1）
（2.29）
意义：它们表达了在做非体积功的热力学过程中热力学特性函数与特征变量之间
的具体关系。
适用条件：系统组成不变且无相变的封闭系统的可逆过程。
（2）
（2.30）
意义：它们表达了在做非体积功的热力学过程中热力学特性函数与特征变量之间的具体关系。
适用条件：系统组成不变且无相变的封闭系统的可逆过程。 3.对应系数关系式：
P V S H S u T ???? ????=???? ????=
T S V F V u P ????
????-=???? ????-= P V T G T F S ???? ????-=???? ????-= P V T G T F S ???? ????-=???? ????-= （2.37）
4．麦克斯韦关系式：
（2.38）
意义：状态函数P 、S 和V 与S 在一定条件下的偏微商总可用易测的T 与V 和T 与P 的偏微商代表。
§2–12热力学第三定律与规定熵
1.热力学第三定律：在0K时，任何纯物质完美晶体的熵值为零，即S
T→0
=0 。
2.规定熵和标准熵：
（1）规定熵（conventional entropy）：以S
=0为基础，求得1mol任何纯物质
在温度TK时的熵值S
T
称为该物质的规定熵。
（2）标准熵（standard entropy）：1mol物质在101325Pa下的规定熵T S。
3、标准熵的计算：
??
=
=
-
=
?T m P
T
T T dT
C
S
S
S
S
0 (2.21)
表2.1 HCl(g) 298.15 K时的摩尔标准熵值
4．化学反应的熵变
公式：（2.22）
意义：化学反应的标准熵变等于产物的标准规定熵总和减反应物的标准规定熵总和。
适用条件：在标准态条件下进行的化学反应。是纯B的标准摩尔规定熵，
实际上反应物和产物是混合的，中没有包括混合熵。
习题十一 一、选择题 1．你认为以下哪个循环过程是不可能实现的 [ ] （A ）由绝热线、等温线、等压线组成的循环； （B ）由绝热线、等温线、等容线组成的循环； （C ）由等容线、等压线、绝热线组成的循环； （D ）由两条绝热线和一条等温线组成的循环。 答案：D 解：由热力学第二定律可知，单一热源的热机是不可能实现的，故本题答案为D 。 2．甲说：由热力学第一定律可证明，任何热机的效率不能等于1。乙说：热力学第二定律可以表述为效率等于100%的热机不可能制成。丙说：由热力学第一定律可以证明任何可逆热机的效率都等于2 1 1T T -。丁说：由热力学第一定律可以证明理想气体可逆卡诺热机的效率等于2 1 1T T - 。对于以上叙述，有以下几种评述，那种评述是对的 [ ] （A ）甲、乙、丙、丁全对； （B ）甲、乙、丙、丁全错； （C ）甲、乙、丁对，丙错； （D ）乙、丁对，甲、丙错。 答案：D 解：效率等于100%的热机并不违反热力学第一定律，由此可以判断A 、C 选择错误。乙的说法是对的，这样就否定了B 。丁的说法也是对的，由效率定义式2 1 1Q Q η=-，由于在可逆卡诺循环中有2211Q T Q T =，所以理想气体可逆卡诺热机的效率等于21 1T T -。故本题答案为D 。 3．一定量理想气体向真空做绝热自由膨胀，体积由1V 增至2V ，此过程中气体的 [ ] （A ）内能不变，熵增加； （B ）内能不变，熵减少； （C ）内能不变，熵不变； （D ）内能增加，熵增加。 答案：A 解：绝热自由膨胀过程，做功为零，根据热力学第一定律2 1V V Q U pdV =?+?，系统内能 不变；但这是不可逆过程，所以熵增加，答案A 正确。 4．在功与热的转变过程中，下面的那些叙述是正确的？[ ] （A ）能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之完全变为有用功；
第3章 热力学第二定律 练 习 1、发过程一定是不可逆的。而不可逆过程一定是自发的。上述说法都对吗？为什么？ 答案：（第一句对，第二句错，因为不可逆过程可以是非自发的，如自发过程的逆过程。） 2、什么是可逆过程？自然界是否存在真正意义上的可逆过程？有人说，在昼夜温差较大的我国北方冬季，白天缸里的冰融化成水，而夜里同样缸里的水又凝固成冰。因此，这是一个可逆过程。你认为这种说法对吗？为什么? 答案：（条件不同了） 3、若有人想制造一种使用于轮船上的机器，它只是从海水中吸热而全部转变为功。你认为这种机器能造成吗？为什么？这种设想违反热力学第一定律吗？ 答案：（这相当于第二类永动机器，所以不能造成，但它不违反热力学第一定律) 4、一工作于两个固定温度热源间的可逆热机，当其用理想气体作工作介质时热机效率为 η 1，而用实际气体作工作介质时热机效率为 η2，则 A ．η1>η2 B ．η1<η2 C.η1=η2 D.η1≥η2 答案：（ C ） 5、同样始终态的可逆和不可逆过程，热温商值是否相等？体系熵变 ΔS 体 又如何？ 答案：（不同，但 ΔS 体 相同，因为 S 是状态函数，其改变量只与始、终态有关） 6、下列说法对吗？为什么？ (1)为了计算不可逆过程的熵变，可以在始末态之间设计一条可逆途径来计算。但绝热过程例外。 (2)绝热可逆过程 ΔS =0，因此，熵达最大值。 (3)体系经历一循环过程后，ΔS =0 ，因此，该循环一定是可逆循环。 (4)过冷水凝结成冰是一自发过程，因此，ΔS >0 。 (5)孤立系统达平衡态的标态是熵不再增加。 答案：〔(1) 对，(2) 不对，只有孤立体系达平衡时，熵最大，(3)不对，对任何循环过程，ΔS ＝0 不是是否可逆，(4) 应是 ΔS 总＞0，水→冰是放热，ΔS ＜0，ΔS ＞0，(5) 对〕
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
第三章 热力学第二定律自测题 一、选择题 1．理想气体与温度为T 的大热源接触做等温膨胀，吸热Q ，所做的功是变到相同终态的最大功的20%，，则系统的熵变为（ ）。 （a ）T Q （b ）0 （c ） T Q 5 （d ）T Q - 2．系统经历一个不可逆循环后（ ）。 （a ）系统的熵增加 （b ）系统吸热大于对外做功 （c ）环境的熵一定增加 （d ）环境热力学能减少 3．室温下对一定量的纯物而言，当W f =0时，V T A ??? ????值为（ ） 。 （a ）>0 （b ）<0 （c ）0 （d ）无定值 4．B B n S n T p H p G ,,???? ????=???? ????，该式使用条件为（ ）。 （a ）等温过程 （b ）等熵过程 （c ）等温、等熵过程 （d ）任何热力学平衡系统 5．某化学反应若在300K ，101325Pa 下在试管中进行时放热6?104 J ，若在相同条件下通过可逆电池进行反应，则吸热6?103 J ，该化学反应的熵变?S 系为（ ）。 （a ）-200J ·K -1 （b ）200J ·K -1 （c ）-20J ·K -1 （d ）20J ·K -1 6．题5中，反应在试管中进行时，其环境的?S 环为（ ）。 （a ）200J ·K -1 （b ）-200J ·K -1
（c ）-180J ·K -1 （d ）180J ·K -1 7．在题5中，该反应系统可能做的最大非膨胀功为（ ）。 （a ）66000J （b ）-66000J （c ）54000J （d ）-54000J 8．在383K ，101325Pa 下，1mol 过热水蒸气凝聚成水，则系统、环境及总的熵变为（ ）。 （a ）?S 系 <0，?S 环 <0，?S 总 <0 （b ）?S 系 <0，?S 环 >0，?S 总 >0 （c ）?S 系 >0，?S 环 >0，?S 总 >0 （d ）?S 系 <0，?S 环 >0，?S 总 <0 9．1mol van der waals 气体的T V S ??? ????应等于（ ） 。 （a ） b V R m - （b ）m V R （ c ）0 （ d ）b V R m -- 10．可逆机的效率最高，在其他条件相同的情况下假设由可逆机牵引火车，其速度将（ ）。 （a ）最快 （b ）最慢 （c ）中等 （d ）不确定 11．水处于图中A 点所指状态，则C p 与C V （a ）C p > C V （b ）C p < C V （c ）C p = C V （d ）无法比较 12．在纯物的S -T 图中，通过某点可以分别作出等容线和等压线，其斜率分别为V T S ??? ????= x 和p T S ??? ????= y ，则在该点两曲线的斜率关系为（ ）。 （a ）x < y （b ）x = y V
第一章 热力学第一定律练习题 一、判断题（说法对否）： 1．道尔顿分压定律，对理想气体和实际混合气体来说关系式PB=Nb(RT/V)都成立。 2．在两个封闭的容器中，装有同一种理想气体，压力、体积相同，那么温度也相同。 3．物质的温度越高，则热量越多；天气预报：今天很热。其热的概念与热力学相同。 4．恒压过程也就是恒外压过程，恒外压过程也就是恒过程。 5．实际气体在恒温膨胀时所做的功等于所吸收的热。 6．凡是温度升高的过程体系一定吸热；而恒温过程体系不吸热也不放热。 7．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。 8．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。 9．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。 10．一定量的理想气体，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。 11．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。 12．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。 13．因Q P = ΔH ，Q V = ΔU ，所以Q P 与Q V 都是状态函数。 14．封闭系统在压力恒定的过程中吸收的热等于该系统的焓。 15．对于一定量的理想气体，当温度一定时热力学能与焓的值一定，其差值也一定。 16．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。 17．1mol ，80.1℃、101.325kPa 的液态苯向真空蒸发为80.1℃、101.325kPa 的气态苯。已 知该过程的焓变为30.87kJ ，所以此过程的Q = 30.87kJ 。 18．1mol 水在l01.325kPa 下由25℃升温至120℃，其ΔH = ∑C P ,m d T 。 19．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。 20．因Q p = ΔH ，Q V = ΔU ，所以Q p - Q V = ΔH - ΔU = Δ(p V) = -W 。 21．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。 22．一个系统经历了一个无限小的过程，则此过程是可逆过程。 23．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。 24．若一个过程是可逆过程，则该过程中的每一步都是可逆的。 25．1mol 理想气体经绝热不可逆过程由p 1、V 1变到p 2、V 2， 则系统所做的功为 V p C C V p V p W =--=γγ，11122。 26．气体经绝热自由膨胀后，因Q = 0，W = 0，所以ΔU = 0，气体温度不变。 27．(?U /?V )T = 0 的气体一定是理想气体。 28．因理想气体的热力学能与体积压力无关，所以(?U /?p )V = 0，(?U /?V )p = 0。 29．若规定温度T 时，处于标准态的稳定态单质的标准摩尔生成焓为零，那么该温度下
1引言 热力学第二定律是在研究如何提高热机效率的推动下, 逐步被人们发现的。19蒸汽机的发明,使提高热机效率的问题成为当时生产领域中的重要课题之一. 19 世纪20 年代, 法国工程师卡诺从理论上研究了热机的效率问题. 卡诺的理论已经深含了热力学第二定律的基本思想，但由于受到热质说的束缚，使他当时未能完全探究到问题的底蕴。这时，有人设计这样一种机械——它可以从一个热源无限地取热从而做功，这被称为第二类永动机。1850 年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律与卡诺原理，指出：一个自动运作的机器，不可能把热从低温物体移到高温物体而不发生任何变化，这就是热力学第二定律。不久，1851年开尔文又提出：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用功而不产生其他影响；或不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷至比周围最低温度还低，从而获得机械功。这就是热力学第二定律的“开尔文表述”。在提出第二定律的同时，克劳修斯还提出了熵的概念，并将热力学第二定律表述为：在孤立系统中，实际发生的过程总是使整个系统的熵增加。奥斯特瓦尔德则表述为：第二类永动机不可能制造成功。热力学第二定律的各种表述以不同的角度共同阐述了热力学第二定律的概念，完整的表达出热力学第二定律的建立条件并且引出了热力学第二定律在其他方面的于应用及意义。 2热力学第二定律的建立及意义 2.1热力学第二定律的建立 热力学第二定律是在研究如何提高热机效率的推动下, 逐步被人们发现的。但是它的科学价值并不仅仅限于解决热机效率问题。热力学第二定律对涉及热现象的过程, 特别是过程进行的方向问题具有深刻的指导意义它在本质上是一条统计规律。与热力学第一定律一起, 构成了热力学的主要理论基础。 18世纪法国人巴本发明了第一部蒸汽机,后来瓦特改进的蒸汽机在19 世纪得到广泛地应用, 因此提高热机效率的问题成为当时生产领域中的重要课题之一. 19 世纪20 年代, 法国工程师卡诺(S.Carnot, 1796～ 1832) 从理论上研究了热机的效率问题。
第一章热力学第一定律 一、单选题 1) 如图，在绝热盛水容器中，浸入电阻丝，通电一段时间，通电后水及电阻丝的温度均略有升高，今以电阻丝为体系有：( ) A.W =0，Q <0，?U <0 B.W <0，Q<0，?U >0 C.W<0，Q<0，?U >0 D.W<0，Q=0，?U>0 2) 如图，用隔板将刚性绝热壁容器分成两半，两边充入压力不等的空气(视为理想气体)，已 知p 右> p 左， 将隔板抽去后: ( ) A.Q＝0, W＝0, ?U＝0 B.Q＝0, W <0, ?U >0 C.Q >0, W <0, ?U >0 D.?U＝0, Q＝W≠0 3）对于理想气体，下列关系中哪个是不正确的：( ) A. (?U/?T)V＝0 B. (?U/?V)T＝0 C. (?H/?p)T＝0 D. (?U/?p)T＝0 4）凡是在孤立孤体系中进行的变化，其?U和?H的值一定是：( ) A.?U >0, ?H >0 B.?U＝0, ?H＝0 C.?U <0, ?H <0 D.?U＝0，?H大于、小于或等于零不能确定。 5）在实际气体的节流膨胀过程中，哪一组描述是正确的: ( ) A.Q >0, ?H＝0, ?p < 0 B.Q＝0, ?H <0, ?p >0 C.Q＝0, ?H＝0, ?p <0 D.Q <0, ?H＝0, ?p <0 6）如图，叙述不正确的是：( ) A.曲线上任一点均表示对应浓度时积分溶解热大小 B.?H1表示无限稀释积分溶解热 C.?H2表示两浓度n1和n2之间的积分稀释热 D.曲线上任一点的斜率均表示对应浓度时HCl的微分溶解热 7）?H＝Q p此式适用于哪一个过程: ( ) A.理想气体从101325Pa反抗恒定的10132.5Pa膨胀到10132.5sPa B.在0℃、101325Pa下，冰融化成水 C.电解CuSO4的水溶液 D.气体从(298K，101325Pa)可逆变化到(373K，10132.5Pa ) 8) 一定量的理想气体，从同一初态分别经历等温可逆膨胀、绝热可逆膨胀到具有相同压力的终态，终态体积分别为V1、V2。( ) A.V1 < V2 B.V1 = V2 C.V1> V2 D.无法确定 9) 某化学反应在恒压、绝热和只作体积功的条件下进行，体系温度由T1升高到T2，则此过程的焓变?H:( )
第三章热力学第二定律 一、选择题 1、如图，可表示理想气体卡诺循环的示意图是：（） (A) 图⑴(B) 图⑵(C) 图⑶ (D) 图⑷ 2、工作在393K 和293K 的两个大热源间的 卡诺热机，其效率约为（） (A) 83％(B) 25％(C) 100％(D) 20％ 3、不可逆循环过程中，体系的熵变值（）(A) 大于零(B) 小于零(C)等于零(D) 不能确 4、将 1 mol 甲苯在101.325 kPa，110 ℃（正常沸点）下与110 ℃的热源接触，使它向真空容器中汽化，完全变成101.325 kPa 下的蒸气。该过程的：（） (A) Δvap S m= 0 (B) Δvap G m= 0 (C) Δvap H m= 0 (D) Δvap U m= 0 5、1mol 理想气体从300K ，1×10 6Pa 绝热向真空膨胀至1×105Pa，则该过程（） (A) ΔS>0、ΔG>ΔA (B) ΔS<0、ΔG<ΔA(C)ΔS＝0、ΔG＝ΔA (D) ΔA<0、ΔG＝ΔA 6、对理想气体自由膨胀的绝热过程，下列关系中正确的是( )(A) ΔT>0、ΔU>0、ΔS>0 (B) ΔT<0、ΔU<0、ΔS<0 (C)ΔT=0、ΔU=0、ΔS=0 (D) ΔT=0、ΔU=0、ΔS>0 7、理想气体在等温可逆膨胀过程中( )(A) 内能增加(B) 熵不变(C)熵增加(D)内能减少8、根据熵的统计意义可以 判断下列过程中何者的熵值增大？（）(A) 水蒸气冷却成水(B) 石灰石分解生成石灰(C) 乙烯聚 合成聚乙烯(D) 理想气体绝热可逆膨胀 9、热力学第三定律可以表示为：（） (A) 在0 K 时,任何晶体的熵等于零(B) 在0 K 时,任何完整晶体的熵等于零 (C) 在0 ℃时,任何晶体的熵等于零(D) 在0 ℃时,任何完整晶体的熵等于零 10、下列说法中错误的是( ) (A) 孤立体系中发生的任意过程总是向熵增加的方向进行 (B)体系在可逆过程中的热温商的加和值是体系的熵变 (C)不可逆过程的热温商之和小于熵变 (D)体系发生某一变化时的熵变等于该过程的热温商 11、两个体积相同，温度相等的球形容器中，装有同一种气体，当连接两容器的活塞打开时，熵变为( )(A) ΔS＝0 (B)ΔS>0 (C)ΔS<0 (D) 无法判断 12、下列过程中系统的熵减少的是( ) (A) 在900 O C 时CaCO (s) →CaO(S)+CO2(g) (B) 在0O C、常压下水结成冰 3 (C)理想气体的恒温膨胀(D)水在其正常沸点气化 13、水蒸汽在373K，101.3kPa 下冷凝成水，则该过程( ) (A) ΔS＝0 (B)ΔA＝0 (C)ΔH＝0 (D) ΔG＝0 14、1mol 单原子理想气体在TK 时经一等温可逆膨胀过程，则对于体系( ) (A) ΔS＝0、ΔH＝0 (B)ΔS>0、ΔH＝0 (C)ΔS<0、ΔH>0 (D)ΔS>0、ΔH>0 3 3 等温可逆膨胀到100dm ，则此过程的( ) 15、300K 时5mol 的理想气体由10dm (A) ΔS<0；ΔU＝0 (B) ΔS<0；ΔU<0 (C)ΔS>0；ΔU>0 (D) ΔS>0；ΔU＝0 16、某过冷液体凝结成同温度的固体，则该过程中( ) (A) ΔS环( )<0 (B)ΔS系()> 0 (C)［ΔS系( )+ ΔS环( )］<0 (D)［ΔS系( )+ ΔS环( )］>0 17、100℃，1.013 ×10 5Pa下的1molH O(l)与100℃的大热源相接触，使其向真空器皿中蒸发成100℃，1.013 ×105Pa的H2O(g)， 2 判断该过程的方向可用( ) (A) ΔG (B)ΔS系( ) (C)ΔS总( ) (D)ΔA 18、下列四个关系式中,哪一个不是麦克斯韦关系式? (A) ( T/ V)s=( T/ V)p (B)( T/ V)s=( T/ V)p (C) ( T/ V)T=( T/ V)v (D) ( T/ V)T= -( T/ V)p
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。
宏观过程的方向性 热力学第二定律 初识熵 (建议用时：45分钟) [学业达标] 1．下列关于熵的有关说法正确的是( ) A．熵是系统内分子运动无序性的量度 B．在自然过程中熵总是增加的 C．热力学第二定律也叫做熵减小原理 D．熵值越大表示系统越无序 E．熵值越小表示系统越无序 【解析】根据熵的定义知A正确；从熵的意义上说，系统自发变化时总是向着熵增加的方向发展，B正确；热力学第二定律也叫熵增加原理，C错；熵越大，系统越混乱，无序程度越大，D正确，E错误． 【答案】ABD 2．下列说法正确的是( ) A．热量能自发地从高温物体传给低温物体 B．热量不能从低温物体传到高温物体 C．热传导是有方向性的 D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的 E．气体向真空中膨胀的过程是可逆的 【解析】如果是自发的过程，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，选项A、C对，B错；气体向真空中膨胀的过程是不可逆的，具有方向性，选项D对，E错． 【答案】ACD 3．以下说法正确的是( ) 【导学号：74320064】A．热传导过程是有方向性的，因此两个温度不同的物体接触时，热量一定是从高温物体传给低温物体的 B．热传导过程是不可逆的 C．两个不同的物体接触时热量会自发地从内能多的物体传向内能少的物体 D．电冰箱制冷是因为电冰箱自发地将内部热量传给外界
E．热量从低温物体传给高温物体必须借助外界的帮助 【解析】热量可以自发地由高温物体传递给低温物体，热量从低温物体传递给高温物体要引起其他变化，A、B、E选项正确． 【答案】ABE 4．(2016·西安高二检测)下列说法中不正确的是( ) A．电动机是把电能全部转化为机械能的装置 B．热机是将内能全部转化为机械能的装置 C．随着技术不断发展，可以把内燃机得到的全部内能转化为机械能 D．虽然不同形式的能量可以相互转化，但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以完全利用 E．电冰箱的工作过程表明，热量可以从低温物体向高温物体传递 【解析】由于电阻的存在，电流通过电动机时一定发热，电能不能全部转化为机械能，A错误；根据热力学第二定律知，热机不可能将内能全部转化为机械能，B错误；C项说法违背热力学第二定律，因此错误；由于能量耗散，能源的可利用率降低，D正确；在电流做功的情况下，热量可以从低温物体向高温物体传递，故E正确． 【答案】ABC 5．下列说法中正确的是( ) A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性 B．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的 C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行 D．一切物理过程都不可能自发地进行 E．功转变为热的实际宏观过程是不可逆的 【解析】热力学第二定律是反映宏观自然过程的方向性的定律，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但可以自发地从高温物体传到低温物体；并不是所有符合能量守恒定律的宏观过程都能实现，故A、C正确，B、D错误，一切与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，则E正确． 【答案】ACE 6．下列宏观过程能用热力学第二定律解释的是( ) 【导学号：74320065】A．大米和小米混合后小米能自发地填充到大米空隙中而经过一段时间大米、小米不会自动分开 B．将一滴红墨水滴入一杯清水中，会均匀扩散到整杯水中，经过一段时间，墨水和清水不会自动分开 C．冬季的夜晚，放在室外的物体随气温的降低，不会由内能自发地转化为机械能而动
第三章 热力学第二定律概念理解 一、判断题 1. 不可逆过程一定是自发过程。 2. 绝热可逆过程的?S = 0，绝热不可逆膨胀过程的?S > 0，绝热不可逆压缩过程的?S < 0。 3. 为了计算绝热不可逆过程的熵变，可以在始末态之间设计一条绝热可逆途径来计算。 4. 平衡态的熵最大。 5. 理想气体经等温膨胀后，由于?U = 0，所以吸的热全部转化为功，这与热力学第二定律相矛盾。 6. 吉布斯函数减小的过程一定是自发过程。 7．在等温、等压下，吉布斯函数变化大于零的化学变化都不能进行。 8．系统由V1膨胀到V2，其中经过可逆途径时做的功最多。 9. 理想气体等温自由膨胀时，对环境没有做功，所以 -pdV = 0，此过程温度不变，?U = 0，代入热力学基本方程dU = TdS - pdV ，因而可得dS = 0，为恒熵过程。 10. 某体系处于不同的状态，可以具有相同的熵值。 11. 在任意一可逆过程中?S = 0，不可逆过程中?S > 0。 12. 由于系统经循环过程后回到始态，?S = 0，所以一定是一个可逆循环过程。 13. 过冷水结冰的过程是在恒温、恒压、不做其他功的条件下进行的，由方程dG=-SdT+Vdp 可得ΔG = 0。 14. 熵增加的过程一定是自发过程。 15. 自然界发生的过程一定是不可逆过程。 16. 系统达平衡时，Gibbs 自由能最小。 17. 体系状态变化了，所有的状态函数都要变化。 18. 当系统向环境传热时(Q < 0)，系统的熵一定减少。 19. 相变过程的熵变可由(Qtra/Ttra)计算。 20. 一切物质蒸发时，摩尔熵都增大。 二、选择题 21. 理想气体在等温条件下反抗恒定外压膨胀，该变化过程中系统的熵变ΔSsys 及环境的熵变ΔSsur 应为： (A)sys sur 0,0S S ?>?= (B)sys sur 0,0S S ??< (D)sys sur 0,0S S ? 22. 在绝热条件下，用大于气缸内的压力迅速推动活塞压缩气体，此过程的熵变： (A)大于零 (B)小于零 (C)等于零 (D)不能确定 23. H2(g)和O2(g)在绝热钢瓶中化合生成水的过程： (A)0H ?= (B)0U ?= (C)0S ?= (D)0G ?= 24. 在大气压力和273.15K 下水凝结为冰，判断下列热力学量中哪一个一定为零： (A)U ? (B)H ? (C)S ? (D)G ? 25. 在N2和O2混合气体的绝热可逆压缩过程中，系统的热力学函数变化值在下列结论中正确的是： (A)0U ?= (B)0A ?= (C)0S ?= (D)0G ?=
11热力学第二定律 习题详解
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢2 习题十一 一、选择题 1．你认为以下哪个循环过程是不可能实现的 [ ] （A ）由绝热线、等温线、等压线组成的循环； （B ）由绝热线、等温线、等容线组成的循环； （C ）由等容线、等压线、绝热线组成的循环； （D ）由两条绝热线和一条等温线组成的循环。 答案：D 解：由热力学第二定律可知，单一热源的热机是不可能实现的，故本题答案为D 。 2．甲说：由热力学第一定律可证明，任何热机的效率不能等于1。乙说：热力学第二定律可以表述为效率等于100%的热机不可能制成。丙说：由热力学第一定律可以证明任何可逆热机的效率都等于211T T - 。丁说：由热力学第一定律可以证明理想气体可逆卡诺热机的效率等于211T T - 。对于以上叙述，有以下几种评述，那种评述是对的 [ ] （A ）甲、乙、丙、丁全对； （B ）甲、乙、丙、丁全错； （C ）甲、乙、丁对，丙错； （D ）乙、丁对，甲、丙错。 答案：D 解：效率等于100%的热机并不违反热力学第一定律，由此可以判断A 、C 选择错误。乙的说法是对的，这样就否定了B 。丁的说法也是对的，由效率定义式211Q Q η=-，由于在可逆卡诺循环中有2211 Q T Q T =，所以理想气体可逆卡诺热机的效率等于211T T - 。故本题答案为D 。 3．一定量理想气体向真空做绝热自由膨胀，体积由1V 增至2V ，此过程中气体的 [ ]
仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢3 （A ）内能不变，熵增加； （B ）内能不变，熵减少； （C ）内能不变，熵不变； （D ）内能增加，熵增加。 答案：A 解：绝热自由膨胀过程，做功为零，根据热力学第一定律2 1V V Q U pdV =?+?，系统内能不变；但这是不可逆过程，所以熵增加，答案A 正确。 4．在功与热的转变过程中，下面的那些叙述是正确的？[ ] （A ）能制成一种循环动作的热机，只从一个热源吸取热量，使之完全变为有用功； （B ）其他循环的热机效率不可能达到可逆卡诺机的效率，可逆卡诺机的效率最高； （C ）热量不可能从低温物体传到高温物体； （D ）绝热过程对外做正功，则系统的内能必减少。 答案：D 解：（A ）违反了开尔文表述；（B ）卡诺定理指的是“工作在相同高温热源和相同低温热源之间的一切不可逆热机，其效率都小于可逆卡诺热机的效率”，不是说可逆卡诺热机的效率高于其它一切工作情况下的热机的效率； （C ）热量不可能自动地从低温物体传到高温物体，而不是说热量不可能从低温物体传到高温物体。故答案D 正确。 5．下面的那些叙述是正确的？[ ] （A ）发生热传导的两个物体温度差值越大，就对传热越有利； （B ）任何系统的熵一定增加； （C ）有规则运动的能量能够变为无规则运动的能量，但无规则运动的能量不能够变为有规则运动的能量； （D ）以上三种说法均不正确。 答案：D 解：（A ）两物体A 、B 的温度分别为A T 、B T ，且A B T T >，两物体接触后， 热量dQ 从A 传向B ，经历这个传热过程的熵变为11( )B A dS dQ T T =-，因此两
第一章 热力学练习题参考答案 一、判断题解答： 1．错。对实际气体不适应。 2．错。数量不同，温度可能不同。 3．错。没有与环境交换能量，无热可言；天气预报的“热”不是热力学概念，它是指温度，天气很热，指气温很高。 4．错。恒压（等压）过程是体系压力不变并与外压相等，恒外压过程是指外压不变化，体系压力并不一定与外压相等。 5．错。一般吸收的热大于功的绝对值，多出部分增加分子势能（内能）。 6．错。例如理想气体绝热压缩，升温但不吸热；理想气体恒温膨胀，温度不变但吸热。 7．第一句话对，第二句话错，如理想气体的等温过程ΔU = 0，ΔH = 0，U 、H 不变。 8．错，两个独立变数可确定系统的状态只对组成一定的均相组成不变系统才成立。 9．错，理想气体U = f (T )，U 与T 不是独立的。描述一定量理想气体要两个独立变量。 10．第一个结论正确，第二个结论错，因Q+W ＝ΔU ，与途径无关。 11．错，Q V 、Q p 是过程变化的量、不是由状态决定的量，该式仅是数值相关而已。在一定条件下，可以利用ΔU ，ΔH 来计算Q V 、Q p ，但不能改变其本性。 12．错，(1)未说明该过程的非体积功W '是否为零； (2)若W ' = 0，该过程的热也只等于系统的焓变，而不是体系的焓。 13．对。因为理想气体热力学能、焓是温度的单值函数。 14．错，这是水的相变过程，不是理想气体的单纯状态变化，ΔU > 0。 15．错，该过程的p 环 = 0，不是恒压过程，也不是可逆相变，吸的热，增加体系的热力学能。吸的热少于30.87 kJ 。 16．错，在25℃到120℃中间，水发生相变，不能直接计算。 17．错，H = f (T ,p )只对组成不变的均相封闭系统成立，该题有相变。 18．错，Δ(pV )是状态函数的增量，与途径无关，不一定等于功。 19．错，环境并没有复原，卡诺循环不是原途径逆向返回的。 20．错，无限小过程不是可逆过程的充分条件。如有摩擦的谆静态过程。 21．错，若有摩擦力(广义)存在，有能量消耗则不可逆过程，只是准静态过程。 22．对。只有每一步都是可逆的才组成可逆过程。 23．对。() ()()12m ,121122n n 1T T C C C C T T R V p V p W V V V p -=--=--= γ。该公式对理想气体可逆、 不可逆过程都适用。 24．错，若是非理想气体的温度会变化的，如范德华气体。 25．错，该条件对服从pV m = RT + bp 的气体(钢球模型气体)也成立。 26．错，(?U /?V )p ≠(?U/?V )T ；(?U /?P )V ≠(?U/?V )T ，因此不等于零。 27．错，U = H －pV 。PV 不可能为零的。 28．错。CO 2在1000K 的标准摩尔生成焓可以由298K 标准摩尔生成焓计算出：由基尔霍夫定律得出的计算公式：
二、热力学第二定律(601题) 一、选择题 ( 共152题 ) 1. 1 分 (0624) 理想气体绝热向真空膨胀，则： ( ) (A) ΔS = 0，W = 0 (B) ΔH = 0，ΔU = 0 (C) ΔG = 0，ΔH = 0 (D) ΔU = 0，ΔG = 0 2. 1 分 (0671) 熵变S是： (1) 不可逆过程热温商之和 (2) 可逆过程热温商之和 (3) 与过程无关的状态函数 (4) 与过程有关的状态函数 以上正确的是：( ) (A) 1,2 (B) 2,3 (C) 2 (D) 4 3. 2 分 (0675) 理想气体在等温条件下反抗恒定外压膨胀，该变化过程中体系的熵变?S 体 及环境的熵 变?S 环 应为：（） (A) ?S 体>0，?S 环 =0 （B）?S 体 <0，?S 环 =0 (C) ?S 体>0，?S 环 <0 （D）?S 体 <0，?S 环 >0 4. 2 分 (0693) 下列四种表述： (1) 等温等压下的可逆相变过程中，体系的熵变ΔS =ΔH相变/T相变 (2) 体系经历一自发过程总有 d S > 0 (3) 自发过程的方向就是混乱度增加的方向 (4) 在绝热可逆过程中，体系的熵变为零 两者都不正确者为： ( ) (A) (1)，(2) (B) (3)，(4) (C) (2)，(3) (D) (1)，(4) 5. 2 分 (0694) 有三个大热源,其温度T3>T2>T1，现有一热机在下面两种不同情况下工作： (1) 从T3热源吸取Q热量循环一周对外作功W1，放给T1热源热量为(Q-W1) (2) T3热源先将Q热量传给T2热源，热机从T2热源吸取Q热量循环一周, 对外作功 W2，放给T1热源 (Q-W2) 的热量 则上述两过程中功的大小为： ( ) (A) W1> W2 (B) W1= W2 (C) W1< W2 (D) W1≥W2 6. 1 分 (0695) 求任一不可逆绝热过程的熵变ΔS时，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 7. 2 分 (0696)
热力学第二定律 一、 自发反应-不可逆性（自发反应乃是热力学的不可逆过程） 一个自发反应发生之后，不可能使系统和环境都恢复到原来的状态而不留下任何影响，也就是说自发反应是有方向性的，是不可逆的。 二、 热力学第二定律 1. 热力学的两种说法： Clausius:不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化 Kelvin ：不可能从单一热源取出热使之完全变为功，而不发生其他的变化 2. 文字表述： 第二类永动机是不可能造成的（单一热源吸热，并将所吸收的热完全转化为功） 功 热 【功完全转化为热，热不完全转化为功】 （无条件，无痕迹，不引起环境的改变） 可逆性：系统和环境同时复原 3. 自发过程：（无需依靠消耗环境的作用就能自动进行的过程） 特征：（1）自发过程单方面趋于平衡；（2）均不可逆性；（3）对环境做功，可从自发过程获得可用功 三、 卡诺定理（在相同高温热源和低温热源之间工作的热机） ηη≤ηη （不可逆热机的效率小于可逆热机） 所有工作于同温热源与同温冷源之间的可逆机，其热机效率都相同，且与工作物质无关 四、 熵的概念 1. 在卡诺循环中，得到热效应与温度的商值加和等于零：ηηηη+η ηηη=η 任意可逆过程的热温商的值决定于始终状态，而与可逆途径无关 热温商具有状态函数的性质 ：周而复始 数值还原 从物理学概念，对任意一个循环过程，若一个物理量的改变值的总和为0，则该物理量为状态函数 2. 热温商：热量与温度的商 3. 熵：热力学状态函数 熵的变化值可用可逆过程的热温商值来衡量 ηη ：起始的商 ηη ：终态的熵 ηη=(ηηη)η （数值上相等） 4. 熵的性质： （1）熵是状态函数，是体系自身的性质 是系统的状态函数，是容量性质 （2）熵是一个广度性质的函数，总的熵的变化量等于各部分熵的变化量之和 （3）只有可逆过程的热温商之和等于熵变 （4）可逆过程热温商不是熵，只是过程中熵函数变化值的度量 （5）可用克劳修斯不等式来判别过程的可逆性 （6）在绝热过程中，若过程是可逆的，则系统的熵不变 （7）在任何一个隔离系统中，若进行了不可逆过程，系统的熵就要增大，所以在隔离系统中，一切能自动进行的过程都引起熵的增大。若系统已处于平衡状态，则其中的任何过程一定是可逆的。 五、克劳修斯不等式与熵增加原理 不可逆过程中，熵的变化量大于热温商 ηηη→η?(∑ηηηηηηη)η>0 1. 某一过程发生后，体系的热温商小于过程的熵变，过程有可能进行不可逆过程 2. 某一过程发生后，热温商等于熵变，则该过程是可逆过程
第一章 热力学第一定律 一、选择题 1．下述说法中，哪一种正确（ ） (A)热容C 不是状态函数； (B)热容C 与途径无关； (C)恒压热容C p 不是状态函数；(D)恒容热容C V 不是状态函数。 2．对于内能是体系状态的单值函数概念，错误理解是（ ） (A) 体系处于一定的状态，具有一定的内能； (B) 对应于某一状态，内能只能有一数值不能有两个以上的数值； (C) 状态发生变化，内能也一定跟着变化； (D) 对应于一个内能值，可以有多个状态。 3．某高压容器中盛有可能的气体是O 2 ,Ar, CO 2, NH 3中的一种，在298K 时由5dm3绝热可逆膨胀到6dm3，温度降低21K ，则容器中的气体（ ） (A) O 2 (B) Ar (C) CO 2 (D) NH 3 4．戊烷的标准摩尔燃烧焓为-3520kJ·mol -1，CO 2(g)和H 2O(l)标准摩尔生成焓分别为-395 kJ·mol -1和-286 kJ·mol -1，则戊烷的标准摩尔生成焓为（ ） (A) 2839 kJ·mol -1 (B) -2839 kJ·mol -1 (C) 171 kJ·mol -1 (D) -171 kJ·mol -1 5．已知反应)()(2 1)(222g O H g O g H =+的标准摩尔反应焓为)(T H m r θ ?，下列说法中不正确的是（ ）。 (A). )(T H m r θ?是H 2O(g)的标准摩尔生成焓 (B). )(T H m r θ ?是H 2O(g)的标准摩尔燃烧焓 (C). )(T H m r θ?是负值 (D). )(T H m r θ?与反应的θ m r U ?数值相等 6．在指定的条件下与物质数量无关的一组物理量是（ ） (A) T , P, n (B) U m , C p, C V (C) ΔH, ΔU, Δξ (D) V m , ΔH f,m (B), ΔH c,m (B) 7．实际气体的节流膨胀过程中，下列那一组的描述是正确的（ ） (A) Q=0 ΔH=0 ΔP< 0 ΔT≠0 (B) Q=0 ΔH<0 ΔP> 0 ΔT>0 (C) Q>0 ΔH=0 ΔP< 0 ΔT<0 (D) Q<0 ΔH=0 ΔP< 0 ΔT≠0 8．已知反应 H 2(g) + 1/2O 2(g) →H 2O(l)的热效应为ΔH ，下面说法中不正确的是（ ） (A) ΔH 是H 2O(l)的生成热 (B) ΔH 是H 2(g)的燃烧热 (C) ΔH 与反应 的ΔU 的数量不等 (D) ΔH 与ΔH θ数值相等 9．为判断某气体能否液化，需考察在该条件下的（ ） (A) μJ-T > 0 (B) μJ-T < 0 (C) μJ-T = 0 (D) 不必考虑μJ-T 的数值