物理化学第二章热力学第一定律全解.doc

第二章 热力学第一定律 一．基本要求 1．掌握热力学的一些基本概念，如：各种系统、环境、热力学状态、系统性质、功、热、状态函数、可逆过程、过程和途径等。 2．能熟练运用热力学第一定律，掌握功与热的取号，会计算常见过程中的和的值。 3．了解为什么要定义焓，记住公式的适用条件。 4．掌握理想气体的热力学能仅是温度的函数，能熟练地运用热力学第一定律计算理想气体在等温、等压和绝热等过程中的计算。 。这个变化只是在系统内部，热力学能从一种形式变为另一种形式，而其总值保持不变。也可以通过教材中的例题，选定不同的对象作系统，则功和热的正、负号也会随之而不同。 功和热的取号也是初学物理化学时容易搞糊涂的问题。目前热力学第一定律的数学表达式仍有两种形式，即：，虽然已逐渐统一到用加号的形式，但还有一个滞后过程。为了避免可能引起的混淆，最好从功和热对热力学能的贡献的角度去决定功和热的取号，即：是使热力学能增加的，还是使热力学能减少的，这样就容易掌握功和热的取号问题。 焓是被定义的函数，事实上焓是不存在的，仅是几个状态函数的组合。这就要求理解为什么要定义焓？定义了焓有什么用处？在什么条件下，焓的变化值才具有一定的物理意义，即。 务必要记住这两个公式的使用限制条件。凭空要记住公式的限制条件，既无必要，又可能记不住，最好从热力学第一定律的数学表达式和焓的定义式上理解。例如，根据热力学第一定律， 要使或，必须使，这就是该公式的限制条件。同理：根据焓的定义式， 将上面的表达式代入，得 要使或，必须在等压条件下，，系统与环境的压力相等，和，这就是该公式的限制条件。以后在热力学第二定律中的一些公式的使用限制条件，也可以用相似的方法去理解。 状态函数的概念是十分重要的，必须用实例来加深这种概念。例如：多看几个不同的循环过程来求和，得到，，这样可以加深状态函数的“周而复始，数值还原”的概念。例如和可以通过燃烧、爆鸣、热爆炸和可逆电池等多种途径生成水，只要保持始态和终态相同，则得到的和的值也都相同，这样可以加深“异途同归，值变相等”的概念。 三．思考题参考答案 1．判断下列说法是否正确，并简述判断的依据。 （1）状态给定后，状态函数就有定值；状态函数固定后，状态也就固定了。 （2）状态改变后，状态函数一定都改变。 （3）因为，所以是特定条件下的状态函数。 （4）根据热力学第一定律，因为能量不能无中生有，所以一个系统若要对外做功，必须从外界吸收热量。 （5）在等压下，用机械搅拌某绝热容器中的液体，使液体的温度上升，这时。 （6）某一化学反应在烧杯中进行，热效应为，焓变为。若将化学反应安排成反应相同的可逆电池，使化学反应和电池反应的始态和终态都相同，这时热效应为，焓变为，则。 答：（1）对。因为状态函数是状态的单值函数，状态固定后，所有的状态函数都有定值。反之，状态函数都有定值，状态也就被固定了。 （2）不对。虽然状态改变后，状态函数会改变，但不一定都改变。例如，系统发生了一个等温过程，体积、压力等状态函数发生了改变，系统的状态已与原来的不同，但是温度这个状态函数没有改变。 （3）不对。热力学能U和焓H是状态函数，而(U，(H 仅是状态函数的变量。和仅在特定条件下与状态函数的变量相等，所以和不可能是状态函数。 （4）不对。系统可以降低自身的热力学能来对外做功，如系统发生绝热膨胀过程。但是，对外做功后，系统自身的温度会下降。 （5）不对。因为环境对系统进行机械搅拌，做了机械功，这时，所以不符合的使用条件。使用这个公式，等压和，这两个条件一个也不能少。 （6）对。因为焓H是状态函数，只要反应的始态和终态都相同，则焓变的数值也相同，与反应具体进行的途径无关，这就是状态函数的性质，“异途同归，值变相等”。但是，两个过程的热效应是不等的，即。 2．回答下列问题，并简单说明原因。 （1）可逆热机的效率最高，在其他条件都相同的前提下，用可逆热机去牵引火车，能否使火车的速度加快？ （2）与盐酸发生反应，分别在敞口和密闭的容器中进行，哪一种情况放的热更多一些？ （3）在一个用导热材料制成的圆筒中，装有压缩空气，圆筒中的温度与环境达成平衡。如果突然打开筒盖，使气体冲出，当压力与外界相等时，立即盖上筒盖。过一会儿，筒中气体的压力有何变化？ 答：（1）可逆热机的效率虽高，但是可逆过程是一个无限缓慢的过程，每一步都接近于平衡态。所以，用可逆热机去牵引火车，在有限的时间内是看不到火车移动的。所以，可逆功是无用功，可逆热机的效率仅是理论上所能达到的最高效率，使实际不可逆热机的效率尽可能向这个目标靠拢，实际使用的热机都是不可逆的。 （2）当然在密闭的容器中进行时，放的热更多一些。因为在发生反应的物质的量相同时，其化学能是一个定值。在