物理化学第五版课后习题答案.docx
- 文档编号:8652263
- 上传时间:2023-02-01
- 格式:DOCX
- 页数:151
- 大小:1.50MB
物理化学第五版课后习题答案.docx
《物理化学第五版课后习题答案.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《物理化学第五版课后习题答案.docx(151页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
物理化学第五版课后习题答案
大学物理化学课后答案详解
第一章 气体的pVT性质
1.1 物质的体膨胀系数 与等温压缩率的定义如下
试推出理想气体的,与压力、温度的关系。
解:
根据理想气体方程
1.5 两个容积均为V的玻璃球泡之间用细管连结,泡密封着标准状态下的空气。
若将其中的一个球加热到 100 C,另一个球则维持 0 C,忽略连接细管中气体体积,试求该容器空气的压力。
解:
由题给条件知,
(1)系统物质总量恒定;
(2)两球中压力维持相同。
标准状态:
因此,
1.9如图所示,一带隔板的容器,两侧分别有同温同压的氢气与氮气,二者均可视为理想气体。
(1) 保持容器温度恒定时抽去隔板,且隔板本身的体积可忽略不计,试
求两种气体混合后的压力。
(2) 隔板抽取前后,H2及N2的摩尔体积是否相同?
(3) 隔板抽取后,混合气体中H2及N2的分压立之比以及它们的分体积各为若干?
解:
(1)等温混合后
即在上述条件下混合,系统的压力认为。
(2)混合气体中某组分的摩尔体积怎样定义?
(3)根据分体积的定义
对于分压
1.11室温下一高压釜有常压的空气,为进行实验时确保安全,采用同样温度的纯氮进行置换,步骤如下:
向釜通氮气直到4倍于空气的压力,尔后将釜混合气体排出直至恢复常压。
重复三次。
求釜最后排气至恢复常压时其中气体含氧的摩尔分数。
解:
分析:
每次通氮气后至排气恢复至常压p,混合气体的摩尔分数不变。
设第一次充氮气前,系统中氧的摩尔分数为,充氮气后,系统中氧的摩尔分数为,则,。
重复上面的过程,第n次充氮气后,系统的摩尔分数为
,
因此
。
1.13今有0 C,40.530kPa的N2气体,分别用理想气体状态方程及vanderWaals方程计算其摩尔体积。
实验值为。
解:
用理想气体状态方程计算
用vanderWaals计算,查表得知,对于N2气(附录七)
,用MatLabfzero函数求得该方程的解为
也可以用直接迭代法,,取初值
,迭代十次结果
1.16 25 C时饱和了水蒸气的湿乙炔气体(即该混合气体中水蒸气分压力为同温度下水的饱和蒸气压)总压力为138.7kPa,于恒定总压下冷却到10 C,使部分水蒸气凝结为水。
试求每摩尔干乙炔气在该冷却过程中凝结出水的物质的量。
已知25 C及10 C时水的饱和蒸气压分别为3.17kPa及1.23kPa。
解:
该过程图示如下
设系统为理想气体混合物,则
1.17一密闭刚性容器中充满了空气,并有少量的水。
但容器于300K条件下大平衡时,容器压力为101.325kPa。
若把该容器移至373.15K的沸水中,试求容器中到达新的平衡时应有的压力。
设容器中始终有水存在,且可忽略水的任何体积变化。
300K时水的饱和蒸气压为3.567kPa。
解:
将气相看作理想气体,在300K时空气的分压为
由于体积不变(忽略水的任何体积变化),373.15K时空气的分压为
由于容器中始终有水存在,在373.15K时,水的饱和蒸气压为101.325kPa,系统中水蒸气的分压为101.325kPa,所以系统的总压
第二章 热力学第一定律
2.5 始态为25 C,200kPa的5mol某理想气体,经途径a,b两不同途径到达相同的末态。
途经a先经绝热膨胀到 -28.47 C,100kPa,步骤的功;再恒容加热到压力200kPa的末态,步骤的热。
途径b为恒压加热过程。
求途径b的及。
解:
先确定系统的始、末态
对于途径b,其功为
根据热力学第一定律
2.6 4mol的某理想气体,温度升高20 C,求的值。
解:
根据焓的定义
2.102mol某理想气体,。
由始态100kPa,50dm3,先恒容加热使压力体积增大到150dm3,再恒压冷却使体积缩小至25dm3。
求整个过程的
。
解:
过程图示如下
由于,则,对有理想气体和只是温度的函数
该途径只涉及恒容和恒压过程,因此计算功是方便的
根据热力学第一定律
2.13 已知20 C液态乙醇(C2H5OH,l)的体膨胀系数,等温压缩率,密度,摩尔定压热容。
求20 C,液态乙醇的。
解:
由热力学第二定律可以证明,定压摩尔热容和定容摩尔热容有以下关系
2.14 容积为27m3的绝热容器中有一小加热器件,器壁上有一小孔与100kPa的大气相通,以维持容器空气的压力恒定。
今利用加热器件使器的空气由0 C加热至20 C,问需供给容器的空气多少热量。
已知空气的。
假设空气为理想气体,加热过程中容器空气的温度均匀。
解:
在该问题中,容器的空气的压力恒定,但物质量随温度而改变
注:
在上述问题中不能应用,虽然容器的体积恒定。
这是因为,从
小孔中排出去的空气要对环境作功。
所作功计算如下:
在温度T时,升高系统温度 dT,排出容器的空气的物质量为
所作功
这正等于用和所计算热量之差。
2.15 容积为0.1m3的恒容密闭容器中有一绝热隔板,其两侧分别为0 C,4mol的Ar(g)及150 C,2mol的Cu(s)。
现将隔板撤掉,整个系统达到热平衡,求末态温度t及过程的。
已知:
Ar(g)和Cu(s)的摩尔定压热容分别为及,且假设均不随温度而变。
解:
图示如下
假设:
绝热壁与铜块紧密接触,且铜块的体积随温度的变化可忽略不计
则该过程可看作恒容过程,因此
假设气体可看作理想气体,,则
2.16 水煤气发生炉出口的水煤气的温度是1100 C,其中CO(g)和H2(g)的摩尔分数均为0.5。
若每小时有300kg的水煤气由1100 C冷却到100 C,并用所收回的热来加热水,是水温由25 C升高到75 C。
求每小时生产热水的质量。
CO(g)和H2(g)的摩尔定压热容与温度的函数关系查本书附录,水的比定压热容。
解:
300kg的水煤气中CO(g)和H2(g)的物质量分别为
300kg的水煤气由1100 C冷却到100 C所放热量
设生产热水的质量为m,则
2.18 单原子理想气体A于双原子理想气体B的混合物共5mol,摩尔分数,始态温度,压力。
今该混合气体绝热反抗恒外压膨胀到平衡态。
求末态温度及过程的。
解:
过程图示如下
分析:
因为是绝热过程,过程热力学能的变化等于系统与环境间以功的形势所交换的能量。
因此,
单原子分子,双原子分子
由于对理想气体U和H均只是温度的函数,所以
2.19 在一带活塞的绝热容器中有一绝热隔板,隔板的两侧分别为2mol,0 C的单原子理想气体A及5mol,100 C的双原子理想气体B,两气体的压力均为100kPa。
活塞外的压力维持在100kPa不变。
今将容器的隔板撤去,使两种气体混合达到平衡态。
求末态的温度T及过程的。
解:
过程图示如下
假定将绝热隔板换为导热隔板,达热平衡后,再移去隔板使其混合,则
由于外压恒定,求功是方便的
由于汽缸为绝热,因此
2.20 在一带活塞的绝热容器中有一固定的绝热隔板。
隔板靠活塞一侧为2mol,0 C的单原子理想气体A,压力与恒定的环境压力相等;隔板的另一侧为6mol,100 C的双原子理想气体B,其体积恒定。
今将绝热隔板的绝热层去掉使之变成导热板,求系统达平衡时的T及过程的。
解:
过程图示如下
显然,在过程中A为恒压,而B为恒容,因此
同上题,先求功
同样,由于汽缸绝热,根据热力学第一定律
2.235mol双原子气体从始态300K,200kPa,先恒温可逆膨胀到压力为50kPa,在绝热可逆压缩到末态压力200kPa。
求末态温度T及整个过程的及。
解:
过程图示如下
要确定,只需对第二步应用绝热状态方程
,对双原子气体
因此
由于理想气体的U和H只是温度的函数,
整个过程由于第二步为绝热,计算热是方便的。
而第一步为恒温可逆
2.24 求证在理想气体p-V 图上任一点处,绝热可逆线的斜率的绝对值大于恒温可逆线的绝对值。
证明:
根据理想气体绝热方程,
得,因此
。
因此绝热线在处的斜率为
恒温线在处的斜率为
。
由于,因此绝热可逆线的斜率的绝对值大于恒温可逆线的绝对值。
2.25 一水平放置的绝热恒容的圆筒中装有无摩擦的绝热理想活塞,活塞左、右两侧分别为50dm3的单原子理想气体A和50dm3的双原子理想气体B。
两气体均为0 C,100kPa。
A气体部有一体积和热容均可忽略的电热丝。
现在经过通电缓慢加热左侧气体A,使推动活塞压缩右侧气体B到最终压力增至200kPa。
求:
(1)气体B的末态温度。
(2)气体B得到的功。
(3)气体A的末态温度。
(4)气体A从电热丝得到的热。
解:
过程图示如下
由于加热缓慢,B可看作经历了一个绝热可逆过程,因此
功用热力学第一定律求解
气体A的末态温度可用理想气体状态方程直接求解,
将A与B的看作整体,W =0,因此
2.25 在带活塞的绝热容器中有4.25mol的某固态物质A及5mol某单原子理想气体B,物质A的。
始态温度,压力。
今以气体B为系统,求经可逆膨胀到时,系统的及过程的。
解:
过程图示如下
将A和B共同看作系统,则该过程为绝热可逆过程。
作以下假设
(1)固体B的体积不随温度变化;
(2)对固体B,则
从而
对于气体B
2.26 已知水(H2O,l)在100 C的饱和蒸气压,在此温度、压力下水的摩尔蒸发焓。
求在在100 C,101.325kPa下使1kg水蒸气全部凝结成液体水时的。
设水蒸气适用理想气体状态方程式。
解:
该过程为可逆相变
2.28 已知 100kPa 下冰的熔点为 0°C,此时冰的比熔化焓热 J·g-1. 水的平均定压热容 。
求在绝热容器向1kg50°C 的水中投入 0.1kg0°C的冰后,系统末态的温度。
计算时不考虑容器的热容。
解:
经粗略估算可知,系统的末态温度 T 应该高于0°C, 因此
2.29 已知 100kPa 下冰的熔点为0°C,此时冰的比熔化焓热 J·g-1. 水和冰的平均定压热容分别为及。
今在绝热容器向1kg50°C 的水中投入 0.8kg 温度 -20°C 的冰。
求:
(1)末态的温度。
(2)末态水和冰的质量。
解:
1kg50°C 的水降温致0°C 时放热
0.8kg-20°C 的冰升温致0°C 时所吸热
完全融化则需热
因此,只有部分冰熔化。
所以系统末态的温度为0°C。
设有g的冰熔化,则有
系统冰和水的质量分别为
2.30 蒸汽锅炉中连续不断地注入 20°C的水,将其加热并蒸发成°C,饱和蒸汽压为 1.003MPa 的水蒸气。
求生产 1kg 水蒸气所需要的热量。
已知:
水在 100°C的摩尔蒸发焓,水的平均摩尔定压热容 ,水蒸气的摩尔定压热容与温度的函数关系见附录。
解:
将过程看作是恒压过程(),系统的初态和末态分别为
和。
插入平衡相变点
,并将蒸汽看作理想气体,则过程的焓变为
(注:
压力对凝聚相焓变的影响可忽略,而理想气体的焓变与压力无关)
查表知
因此,
2.31100kPa下,冰(H2O,s)的熔点为0 C。
在此条件下冰的摩尔融化热。
已知在-10 C~0 C围过冷水(H2O,l)和冰的摩尔定压热容分别为 和。
求在常压及-10 C下过冷水结冰的摩尔凝固焓。
解:
过程图示如下
平衡相变点,因此
2.3325 C下,密闭恒容的容器中有10g固体奈C10H8(s)在过量的O2(g)中完全燃烧成CO2(g)和H2O(l)。
过程放热401.727kJ。
求
(1)
(2)的;
(3)的;
解:
(1)C10H8的分子量M =128.174,反应进程。
(2)
。
(3)
2.34 应用附录中有关物资在25 C的标准摩尔生成焓的数据,计算下列反应在25 C时的及。
(1)
(2)
(3)
解:
查表知
NH3(g)
NO(g)
H2O(g)
H2O(l)
-46.11
90.25
-241.818
-285.830
NO2(g)
HNO3(l)
Fe2O3(s)
CO(g)
33.18
-174.10
-824.2
-110.525
(1)
(2)
(3)
3.35 应用附录中有关物资的热化学数据,计算 25 C时反应
的标准摩尔反应焓,要求:
(1) 应用25 C的标准摩尔生成焓数据;
(2) 应用25 C的标准摩尔燃烧焓数据。
解:
查表知
Compound
0
0
0
因此,由标准摩尔生成焓
由标准摩尔燃烧焓
2.37 已知25 C甲酸甲脂(HCOOCH3,l)的标准摩尔燃烧焓为,甲酸(HCOOH,l)、甲醇(CH3OH,l)、水(H2O,l)及二氧化碳(CO2,g)的标准摩尔生成焓分别为、、及。
应用这些数据求25 C时下列反应的标准摩尔反应焓。
解:
显然要求出甲酸甲脂(HCOOCH3,l)的标准摩尔生成焓
2.39 对于化学反应
应用附录中4种物资在25 C时的标准摩尔生成焓数据及摩尔定压热容与温度的函数关系式:
(1) 将表示成温度的函数关系式
(2) 求该反应在1000 C时的。
解:
与温度的关系用Kirchhoff公式表示
因此,
1000K时,
2.40 甲烷与过量50%的空气混合,为使恒压燃烧的最高温度能达到2000 C,求燃烧前混合气体应预热到多少摄氏度。
物资的标准摩尔生成焓数据见附录。
空气组成按,计算。
各物资的平均摩尔定压热容分别为:
;;;;。
解:
燃烧为恒压绝热过程。
化学反应式
设计途径如下
在下甲烷燃烧的摩尔反应热为,则
可由表出(Kirchhoff公式)
设甲烷的物质量为1mol,则,,,
最后得到
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,系统从高温热源吸收的热及向低温热源放出的热。
解:
卡诺热机的效率为
根据定义
3.5 高温热源温度,低温热源。
今有120kJ的热直接从高温热源传给低温热源,龟此过程的。
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。
求下列三种情况下,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) 不可逆热机效率。
(3) 不可逆热机效率。
解:
设热机向低温热源放热,根据热机效率的定义
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1kg,10 C的水经下列三种不同过程加热成100 C的水,求过程的。
(1) 系统与100 C的热源接触。
(2) 系统先与55 C的热源接触至热平衡,再与100 C的热源接触。
(3) 系统先与40 C,70 C的热源接触至热平衡,再与100 C的热源接触。
解:
熵为状态函数,在三种情况下系统的熵变相同
在过程中系统所得到的热为热源所放出的热,因此
3.8 已知氮(N2,g)的摩尔定压热容与温度的函数关系为
将始态为300K,100kPa下1mol的N2(g)置于1000K的热源中,求下列过 程
(1)经恒压过程;
(2)经恒容过程达到平衡态时的。
解:
在恒压的情况下
在恒容情况下,将氮(N2,g)看作理想气体
将代替上面各式中的,即可求得所需各量
3.9 始态为,的某双原子理想气体1mol,经下列不同途径变化到,的末态。
求各步骤及途径的。
(1) 恒温可逆膨胀;
(2) 先恒容冷却至使压力降至
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 物理化学 第五 课后 习题 答案
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)