物理化学( 天津大学)第四版第四章到第九章课后答案完整版(15页).doc
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1、-物理化学( 天津大学)第四版第四章到第九章课后答案完整版-第 15 页第二章 热力学第一定律2.1 1mol理想气体在恒定压力下温度升高1,求过程中系统与环境交换的功。解:理想气体n = 1mol对于理想气体恒压过程,应用式()W =pambV =p(V2-V1) =(nRT2-nRT1) =2.2 1mol水蒸气(H2O,g)在100,101.325kPa下全部凝结成液态水。求过程的功。假设:相对于水蒸气的体积,液态水的体积可以忽略不计。解: n = 1mol 恒温恒压相变过程,水蒸气可看作理想气体, 应用式()W =pambV =p(Vl-Vg ) 在25及恒定压力下,电解1mol水(H
2、2O,l),求过程的体积功。 H2O(l) H2(g) + 1/2O2(g)解: n = 1mol 恒温恒压化学变化过程, 应用式()W=pambV =(p2V2-p1V1)p2V2 =n22.4 系统由相同的始态经过不同途径达到相同的末态。若途径a的Qa=2.078kJ,Wa=;而途径b的Qb=。求Wb.解: 热力学能变只与始末态有关,与具体途径无关,故 Ua = Ub由热力学第一定律可得 Qa + Wa = Qb + Wb Wb = Qa + Wa Qb = 1.387kJ 2.5 始态为25,200 kPa的5 mol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
3、 ,100 kPa,步骤的功;再恒容加热到压力200 kPa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某理想气体,温度升高20, 求HU的值。 解:根据焓的定义 已知水在25的密度=m-3。求1mol水(H2O,l)在25下:(1)压力从100kPa增加至200kPa时的H;(2)压力从100kPa增加至1Mpa时的H。假设水的密度不随压力改变,在此压力范围内水的摩尔热力学能近似认为与压力无关。解: 已知 = m-3 MH2O = 18.015 10-3 kgmol-1凝聚相物质恒温变压过程, 水的密
4、度不随压力改变,1molH2O(l)的体积在此压力范围可认为不变, 则 VH2O = m /= M/H U = (pV) = V(p2 p1 ) 摩尔热力学能变与压力无关, U = 0H = (pV) = V(p2 p1 ) 1) H U = (pV) = V(p2 p1 2) H U = (pV) = V(p2 p1 2.8 某理想气体Cv,m=3/2R。今有该气体5mol在恒容下温度升高50。求过程的W,Q,H和U。解: 理想气体恒容升温过程 n = 5mol CV,m = 3/2RQV =U = n CV,mW = 0H = U + nRT = n Cp,mT = n (CV,m2.9
5、某理想气体Cv,m=5/2R。今有该气体5mol在恒压下温度降低50。求过程的W,Q,U和H。解: 理想气体恒压降温过程 n = 5mol CV,m = 5/2R Cp,m = 7/2RQp =H = n Cp,mT = 53.5R(50) = W =pambV =p(V2-V1) =(nRT2-nRT1U =HnRT = nCV,mT = 52.5R(-50) = 2.10 2mol某理想气体,Cp,m=7/2R。由始态100kPa,50dm3,先恒容加热使压力升高至200kPa,再恒压冷却使体积缩小至25dm3。求整个过程的W,Q,H和U。解:过程图示如下 由于,则,对有理想气体和只是温度
6、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2.15 容积为3的恒容密闭容器中有一绝热隔板,其两侧分别为0,4mol的Ar(g)及150,2mol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H 。已知:Ar(g)和Cu(s)的摩尔定压热容Cp,m分别为20.786Jmol-1K-1及24.435 Jmol-1K-1,且假设均不随温度而变。 解: 恒容绝热混合过程 Q = 0 W = 0由热力学第一定律得过程 U=U(Ar,g)+U(Cu,s)= 0U(Ar,g) = n(Ar,g) CV,m (Ar,g)(t20) U(Cu,S) H (C
7、u,s) = n(Cu,s)Cp,m(Cu,s)(t2150)解得末态温度 t2 = 又得过程 H =H(Ar,g) + H(Cu,s) =n(Ar,g)Cp,m(Ar,g)(t20) + n(Cu,s)Cp,m(Cu,s)(t2150)或2.21 求1molN2(g)在300K恒温下从2dm3可逆膨胀到40dm3时的体积功Wr。(1) 假设N2(g)为理想气体;(2) 假设N2(g)为范德华气体,其范德华常数见附录。解: 题给过程为 n = 1mol应用式() (1) N2(g)为理想气体 p = nRT/V(2) N2(g)为范德华气体已知n=1mol a =140.810-3Pam6mo
8、l-2 b= 39.1310-6m3mol-1所以2.22 某双原子理想气体1mol从始态350K,200kPa经过如下四个不同过程达到各自的平衡态,求各过程的功W。(1) 恒温下可逆膨胀到50kPa;(2) 恒温反抗50kPa恒外压不可逆膨胀;(3) 绝热可逆膨胀到50kPa;(4) 绝热反抗50kPa恒外压不可逆膨胀。解: 双原子理想气体 n = 5mol; CV,m =( 5/2)R; Cp,m = (7/2)R2.23 5mol双原子理想气体从始态300K,200kPa,先恒温可逆膨胀到压力为50kPa,再绝热可逆压缩到末态压力200kPa。求末态温度T及整个过程的W,Q,UH和H。解
9、: 理想气体连续pVT变化过程. 题给过程为由绝热可逆过程方程式得1) H 和 U 只取决于始末态,与中间过程无关H = n Cp,mT = n Cp,m(T3-T1U = n CV,mT = n CV,m(T3-T1W2 =U = n CV,mT = n CV,m(T3-T2 W = W1 + W2 = 3) 由热力学第一定律得 Q =U2.27 已知水(H2O,l)在100的饱和蒸气压ps=,在此温度、压力下水的摩尔蒸发焓。求在100下使1kg水蒸气全部凝结成液体水时的W,Q,UH和H。设水蒸气适用理想气体状态方程式。解: 题给过程的始末态和过程特性如下: n = m/M = 1kg/mo
10、l-1题给相变焓数据的温度与上述相变过程温度一致,直接应用公式计算W=pambV =p(Vl-Vg )pVg = ng U = Qp + W =2.28 已知100kPa下冰的熔点为0,此时冰的比熔化焓。水的平均比定压热容求在绝热容器内向1kg50的水中投入0的冰后,系统末态的温度。计算时不考虑容器的热容。解:假设冰全部熔化,末态温度为t:整个过程绝热 H = H1 +H2 +H3其中 整理可得末态温度 t = 2.30 蒸气锅炉中连续不断地注入20的水,将其加热并蒸发成180,饱和蒸气压为的水蒸气。求每生产1kg水蒸气所需要的热量。已知:水(H2O,l)在100的摩尔蒸发焓,水的平均摩尔定压
11、热容,水蒸气(H2O,g)的摩尔定压热容与温度的函数关系见附录。解: 2.31 100kPa下冰(H2O,s)的熔点为0.在此条件下冰的摩尔熔化焓。已知在-100范围内过冷水(H2O,l)和冰的摩尔定压热容分别为和。求在常压及-10下过冷水结冰的摩尔凝固焓。解: 在100kPa、273.15K下,水和冰互相平衡,所以在100kPa、263.15K的过冷水凝固为冰就偏离了平衡条件,因此该过程为不可逆相变化,设计途径如下:2.32 已知水(H2O,l)在100的摩尔蒸发焓,水和水蒸气在25100范围间的平均摩尔定压热容分别为和求在25时水的摩尔蒸发焓。解:由已知温度的相变焓求未知温度的相变焓,常压
12、下对气体摩尔焓的影响通常可以忽略,可直接应用p68公式()2.34 应用附录中有关物质在25的标准摩尔生成焓的数据,计算下列反应在25时的和。解:题给各反应的和分别计算如下:(1) (2) (3)2.35 应用附录中有关物质的热化学数据,计算25时反应的标准摩尔反应焓,要求: (1)应用附录中25的标准摩尔生成焓的数据;(2)应用附录中25的标准摩尔燃烧焓的数据.解: (1) 由得:(2) 先分别求出CH3OH(l)、HCOOCH3(l)的标准摩尔燃烧焓. 应用附录查出在25时CH3OH(l)、HCOOCH3(l)的燃烧反应分别为:再应用公式得:第五章 化学平衡 在某恒定的温度和压力下,取的A
13、(g)进行如下化学反应若,试证明,当反应进度时,系统的吉布斯函数G值为最小,这时A, B间达化学平衡。已知四氧化二氮的分解反应 在298.15 K时,。试判断在此温度及下列条件下,反应进行的方向。(1) N2O4(100 kPa), NO2(1000 kPa);(2) N2O4(1000 kPa), NO2(100 kPa);(3) N2O4(300 kPa), NO2(200 kPa);解:由Jp进行判断 1000 K时,反应 的。现有与碳反应的气体混合物,其组成为体积分数 ,。试问:(1)T = 1000 K,p = 100 kPa时,等于多少,甲烷能否形成? (2)在1000 K下,压力
14、需增加到若干,上述合成甲烷的反应才可能进行。 已知同一温度,两反应方程及其标准平衡常数如下:求下列反应的。 解:所给反应 = (2)(1),因此 已知同一温度,两反应方程及其标准平衡常数如下: 求下列反应的。解:所给反应 = 2(2)(1),因此注:平衡组成的计算关键是物料衡算。在一个抽空的恒容容器中引入氯和二氧化硫,若它们之间没有发生反应,则在375.3 K时的分压分别为47.836 kPa和44.786 kPa。将容器保持在375.3 K,经一定时间后,总压力减少至86.096 kPa,且维持不变。求下列反应的K 。 解:反应各组分物料衡算如下 因此,5.7使一定量摩尔比为1:3的氮、氢混
15、合气体在1174 K,3 MPa下通过铁催化剂以合成氨。设反应达到平衡。出来的气体混合物缓缓地通入20 cm3盐酸吸收氨。用气量计测得剩余气体的体积相当于273.15 K,101.325 kPa的干燥气体(不含水蒸气)2.02 dm3。原盐酸溶液20 cm3需用浓度为52.3 mmoldm-3的氢氧化钾溶液18.72 cm3滴定至终点。气体通过后只需用同样浓度的氢氧化钾溶液15.17 cm3。求1174 K时,下列反应的。 五氯化磷分解反应 在200时的,计算: (1)200,200 kPa下PCl5的解离度。 (2)摩尔比为1:5的PCl5与Cl2的混合物,在200,101.325 kPa下
16、,求 达到化学平衡时PCl5的解离度。解:(1)设200,200 kPa下五氯化磷的解离度为,则 在994 K,使纯氢气慢慢地通过过量的CoO(s),则氧化物部分地被还原为Co(s)。出来的平衡气体中氢的体积分数。在同一温度,若用CO还原CoO(s),平衡后气体中一氧化碳的体积分数。求等物质的量的一氧化碳和水蒸气的混合物在994 K下,通过适当催化剂进行反应,其平衡转化率为多少? 解:两还原反应的化学计量式分别为 一氧化碳与水蒸气的反应 显然,(3) = (2) (1),因此 设一氧化碳和水蒸气的物质的量分别为n,平衡转化率为a,则 因此,5.10 在真空的容器中放入固态的NH4HS,于25下
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