热力学统计物理课后规范标准答案1.doc

/. 第一章　热力学的基本规律 1.1 试求理想气体的体胀系数,压强系数和等温压缩系数。 解：已知理想气体的物态方程为 　 （1） 由此易得 　 （2） 　 （3） 　 　 （4） 1.2 证明任何一种具有两个独立参量的物质，其物态方程可由实验测得的体胀系数及等温压缩系数，根据下述积分求得： 如果，试求物态方程。 解：以为自变量，物质的物态方程为 其全微分为 　　 （1） 全式除以，有 根据体胀系数和等温压缩系数的定义，可将上式改写为 （2） 上式是以为自变量的完整微分，沿一任意的积分路线积分，有 （3） 若，式（3）可表为 （4） 选择图示的积分路线，从积分到，再积分到（），相应地体 积由最终变到，有 即 （常量）， 或 　　 　　 （5） 式（5）就是由所给求得的物态方程。 确定常量C需要进一步的实验数据。 1.8 满足的过程称为多方过程，其中常数名为多方指数。试证明：理想气体在多方过程中的热容量为 解：根据式（1.6.1），多方过程中的热容量 　　　 （1） 对于理想气体，内能U只是温度T的函数， 所以 　　 （2） 将多方过程的过程方程式与理想气体的物态方程联立，消去压强可得 （常量）。 　　 （3） 将上式微分，有 所以 　 （4） 代入式（2），即得 　　　　　　　　　（5） 其中用了式（1.7.8）和（1.7.9）。 1.9 试证明：理想气体在某一过程中的热容量如果是常数，该过程一定是多方过程，多方指数。假设气体的定压热容量和定容热容量是常量。 解：根据热力学第一定律，有 　　 （1） 对于准静态过程有 对理想气体有 气体在过程中吸收的热量为 因此式（1）可表为 　 （2） 用理想气体的物态方程除上式，并注意可得 （3） 将理想气体的物态方程全式求微分，有 　 （4） 式（3）与式（4）联立，消去，有 （5） 令，可将式（5）表为 　　 （6） 如果和都是常量，将上式积分即得 （常量）。 　　 （7） 式（7）表明，过程是多方过程。 1.12 假设理想气体的是温度的函数，试求在准静态绝热过程中的关系，该关系式中要用到一个函数，其表达式为 解：根据式（1.8.1），理想气体在准静态绝热过程中满足 （1） 用物态方程除上式，第一项用除，第二项用除，可得 　 （2） 利用式（1.7.8）和（1.7.9）， 可将式（2）改定为 （3） 将上式积分，如果是温度的函数，定义 　　 （4） 可得 （常量）， 　　 （5） 或 （常量）。 　 （6） 式（6）给出当是温度的函数时，理想气体在准静态绝热过程中T和V的关系。 1.13 利用上题的结果证明：当为温度的函数时，理想气体卡诺循环的效率仍为 解：在是温度的函数的情形下，1.9就理想气体卡诺循环得到的式（1.9.4）—（1.9.6）仍然成立，即仍有 　　 （1） 　　 （2） 　 （3） 根据1.13题式（6），对于1.9中的准静态绝热过程（二）和（四），有 　 （4） 　　 （5） 从这两个方程消去和，得 　　 （6） 故 　 （7） 所以在是温度的函数的情形下，理想气体卡诺循环的效率仍为 　　　 （8） 1.14试根据热力学第二定律证明两条绝热线不能相交。 解：假设在图中两条绝热线交于点，如图所示。设想一等温线与 两条绝热线分别交于点和点（因为等温线的斜率小于绝热线的斜率，这样的等温线总是存在的），则在循环过程中，系统在等温过程中从外界吸取热量，而在循环过程中对外做功，其数值等于三条线所围面积（正值）。循环过程完成后，系统回到原来的状态。根据热力学第一定律，有 。 这样一来，系统在上述循环过程中就从单一热源吸热并将之完全转变为功了， 这违背了热力学第二定律的开尔文说法，是不可能的。 因此两条绝热线不可能相交。 1.17 温度为的1kg水与温度为的恒温热源接触后，水温达到。试分别求水和热源的熵变以及整个系统的总熵变。欲使参与过程的整个系统的熵保持不变，应如何使水温从升至？已知水的比热容为 解：的水与温度为的恒温热源接触后水温升为，这一过程是不可逆过程。为求水、热源和整个系统的熵变，可以设想一个可逆过程，它使水和热源分别产生原来不可逆过程中的同样变化，通过设想的可逆过程来求不可逆过程前后的熵变。 为求水的熵变，设想有一系列彼此温差为无穷小的热源，其温度分布在与之间。令水依次从这些热源吸热,使水温由升至。在这可逆过程中,水的熵变为 　　 （1） 水从升温至所吸收的总热量为 为求热源的熵变，可令热源向温度为的另一热源放出热量。在这可逆过程中，热源的熵变为 　　 　　　　　（2） 由于热源的变化相同，式（2）给出的熵变也就是原来的不可逆过程中热源的熵变。则整个系统的总熵变为 　　　　　　　　　（3） 为使水温从升至而参与过程的整个系统的熵保持不变，应令水与温度分布在与之间的一系列热源吸热。水的熵变仍由式（1）给出。这一系列热源的熵变之和为 　　　 （4） 参与过程的整个系统的总熵变为 　　　 （5） 1.19 均匀杆的温度一端为，另一端为，试计算达到均匀温度后的熵增。 解：以L表示杆的长度。杆的初始状态是端温度为，端温度为，温度梯度为（设）。 这是一个非平衡状态。通过均匀杆中的热传导过程，最终达到具有均匀温度的平衡状态。为求这一过程的熵变，我们将杆分为长度为的许多小段，如图所示。位于到的小段，初温为 　　　 （1） 这小段由初温T变到终温后的熵增加值为 　　　　　　　（2） 其中是均匀杆单位长度的定压热容量。 根据熵的可加性，整个均匀杆的熵增加值为 （3） 式中是杆的定压热容量。 1.21 物体的初温，高于热源的温度，有一热机在此物体与热源之间工作，直到将物体的温度降低到为止，若热机从物体吸取的热量为Q，试根据熵增加原理证明，此热机所能输出的最大功为 其中是物体的熵减少量。 解：以和分别表示物体、热机和热源在过程前后的熵变。由熵的相加性知，整个系统的熵变为 由于整个系统与外界是绝热的，熵增加原理要求 　　 （1） 以分别表示物体在开始和终结状态的熵，则物体的熵变为 　 （2） 热机经历的是循环过程，经循环过程后热机回到初始状态，熵变为零，即 　　 （3） 以表示热机从物体吸取的热量，表示热机在热源放出的热量，表示热机对外所做的功。 根据热力学第一定律，有 所以热源的熵变为 　 （4） 将式（2）—（4）代入式（1），即有 　　 （5） 上式取等号时，热机输出的功最大，故 　 （6） 式（6）相应于所经历的过程是可逆过程。 1.22 有两个相同的物体，热容量为常数，初始温度同为。今令一制冷机在这两个物体间工作，使其中一个物体的温度降低到为止。假设物体维持在定压下，并且不发生相变。试根据熵增加原理证明，此过程所需的最小功为 解： 制冷机在具有相同的初始温度的两个物体之间工作，将热量从物体2送到物体1,使物体2的温度降至为止。以表示物体1的终态温度，表示物体的定压热容量，则物体1吸取的热量为 （1） 物体2放出的热量为 （2） 经多次循环后，制冷机接受外界的功为 （3） 由此可知，对于给定的和，愈低所需外界的功愈小。 用和分别表示过程终了后物体1，物体2和制冷机的熵变。由熵的相加性和熵增加原理知，整个系统的熵变为 （4） 显然 因此熵增加原理要求 （5） 或 （6） 对于给定的和，最低的为 代入（3）式即有 （7） 式（7）相应于所经历的整个过程是可逆过程。 1.23 简单系统有两个独立参量。 如果以为独立参量，可以以纵坐标表示温度，横坐标表示熵，构成图。图中的一点与系统的一个平衡态相对应，一条曲线与一个可逆过程相对应。试在图中画出可逆卡诺循环过程的曲线，并利用图求可逆卡诺循环的效率。 解： 可逆卡诺循环包含两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程。 在 图上，等温线是平行于T轴的直线。 可逆绝热过程是等熵过程，因此在图上绝热线是平行于S轴的直线。 图1-5在图上画出了可逆卡诺循环的四条直线。 （一）等温膨胀过程 工作物质经等温膨胀过程（温度为）由状态Ⅰ到达状态Ⅱ。 由于工作物质在过程中吸收热量，熵由升为。吸收的热量为 　　 （1） 等于直线ⅠⅡ下方的面积。 （二）绝热膨胀过程 工作物质由状态Ⅱ经绝热膨胀过程到达状态Ⅲ。过程中工作物质内能减少并对外做功，其温度由下降为，熵保持为不变。 （三）等温压缩过程 工作物质由状态Ⅲ经等温压缩过程（温度为）到达状态Ⅳ。工作物质在过程中放出热量，熵由变为，放出的热量为 　 （2） 等于直线ⅢⅣ下方的面积。 （四）绝热压缩过程 工作物质由状态Ⅳ经绝热压缩过程回到状态Ⅰ。温度由升为，熵保持为不变。 在循环过程中工作物质所做的功为 　　 （3） 等于矩形ⅠⅡⅢⅣ所包围的面积。 可逆卡诺热机的效率为 　　　　　　　（4） 上面的讨论显示，应用图计算（可逆）卡诺循环的效率是非常方便的。实际上图的应用不限于卡诺循环。根据式（1.14.4） （5） 系统在可逆过程中吸收的热量由积分 （6） 给出。如果工作物质经历了如图中的（可逆）循环过程，则在过程 中工作物质吸收的热量等于面积，在过程中工作物质放出的热量等于面积，工作物质所做的功等于闭合曲线所包的面积。 由此可见（可逆）循环过程的热功转换效率可以直接从图中的面积读出。 在热工计算中图被广泛使用。 补充题1 1mol理想气体，在的恒温下体积发生膨胀，其压强由20准静态地降到1，求气体所作的功和所吸取的热量。 解：将气体的膨胀过程近似看作准静态过程。根据式（1.4.2），在准静态等温过程中气体体积由膨胀到，外界对气体所做的功为 气体所做的功是上式的负值，将题给数据代入，得 在等温过程中理想气体的内能不变，即 根据热力学第一定律（式（1.5.3）），气体在过程中吸收的热量为 补充题2 在下，压强在0至1000之间，测得水的体积为 如果保持温度不变，将1mol的水从1加压至1000，求外界所作的功。 解：将题中给出的体积与压强关系记为 （1） 由此易得 （2） 保持温度不变，将1mol的水由1加压至1000，外界所做的功为 在上述计算中我们已将过程近拟看作准静态过程。 补充题3 承前1.6题，使弹性体在准静态等温过程中长度由压缩为，试计算外界所作的功。 解：在准静态过程中弹性体长度有dL的改变时，外界所做的功是 　 （1） 将物态方程代入上式，有 　 （2） 在等温过程中是常量，所以在准静态等温过程中将弹性体长度由压缩为时，外界所做的功为 　　　　　　　　（3） 值得注意，不论将弹性体拉长还是压缩，外界作用力都与位移同向，外界所做的功都是正值。 补充题4 在和1下，空气的密度为,空气的定压比热容。今有的空气，试计算： （i）若维持体积不变，将空气由加热至所需的热量。 （ii）若维持压强不变，将空气由加热至所需的热量。 （iii）若容器有裂缝，外界压强为1，使空气由缓慢地加热至所需的热量。 解：（a）由题给空气密度可以算得空气的质量为 定容比热容可由所给定压比热容算出 维持体积不变，将空气由加热至所需热量为 （b）维持压强不变，将空气由加热至所需热量为 （c）若容器有裂缝，在加热过程中气体将从裂缝漏出，使容器内空气质量发生变化。根据理想气体的物态方程 为空气的平均摩尔质量，在压强和体积不变的情形下，容器内气体的质量与温度成反比。 以表示气体在初态的质量和温度，表示温度为T时气体的质量，有 所以在过程（c）中所需的热量为 将所给数据代入，得 补充题5 热泵的作用是通过一个循环过程将热量从温度较低的物体传送到温度较高的物体上去。 如果以逆卡诺循环作为热泵的循环过程，热泵的效率可以定义为传送到高温物体的热量与外界所做的功的比值。试求热泵的效率。 如果将功直接转化为热量而令高温物体吸收，则“效率”为何？ 解：根据卡诺定理，通过逆卡诺循环从温度为的低温热源吸取热量，将热量送到温度为的高温热源去，外界必须做功 因此如果以逆卡诺循环作为热泵的过程，其效率为 　　　　　　　（1） 式中第三步用了 的结果（式（1.12.7）和（1.12.8））。 由式（1）知，效率恒大于1。如果与相差不大，可以相当高。不过由于设备的价格和运转的实际效率，这种方法实际上很少使用。 将功直接转化为热量（如电热器），效率为1。 补充题6 根据熵增加原理证明第二定律的开氏表述：从单一热源吸取热量使之完全变成有用的功而不引起其它变化是不可能的。 解：如果热力学第二定律的开尔文表述不成立，就可以令一热机在循环过程中从温度为的单一热源吸取热量，将之全部转化为机械功而输出。热机与热源合起来构成一个绝热系统。在循环过程中，热源的熵变为，而热机的熵不变，这样绝热系统的熵就减少了，这违背了熵增加原理，是不可能的