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1、物 理 化 学 第一章热力学体系与状态 142 156 158问 题 摘 要一、 体系环境界面【1.2】容器中进行如下化学反应： Zn(s)+2HCl(aq) T,P ZnCl2 (aq)+H2 (g)这是什么体系?界面在什么位置? 解答：按照质量守恒定律，上述反应应属于封闭体系。如果是恒温恒压的封闭体系，反应过程中不断产生的氢气就应始终包含在界面之内，所以界面应不断扩大。 如果所设想的界面停留在容器中液体的表面不动，则在恒温恒压下，氢气必将穿过此界面而逸出，这时的反应体系就称为开放体系。由此可见明确界面位置对于选取体系的重要性。由此例还可看出，在封闭体系中也是可以进行各种物理或化学变化的，但
2、在变化中体系的总质量不变。也就是说：“封闭体系”是建立在质量守恒定律上的一个概念。所以一般而言，一个配平的化学反应方程式，实际上已表明该反应是在封闭体系当中进行的。 如果上述反应不是在恒温恒压下进行，而是在一个恒容、绝热、不透光、不导电的容器中进行，这就是一个隔离体系。 对同一问题，限定不同的条件，体系的性质就不相同。即选择体系有一定的任意性。值得注意的是，体系的性质一旦选定，在处理问题的过程中就不能变动，否则会出现矛盾(见题【2.14】)。【1.5】一个爆炸反应体系是属于绝热体系，还是属于孤立体系?解答：绝热体系是指与环境完全没有热交换的体系。由于实际上没有完全绝热的材料存在，所以绝热体系只
3、能是一种理想状况。实践中常把进行得很快而来不及与环境充分进行热交换的变化体系称为绝热体系，如爆炸反应体系、恒外压膨胀等。孤立体系是指完全不受环境影响的体系(既没有物质交换也没有能量交换。)当然，这也仅是一种理想的情况，实际上并不存在，而且也没有研究价值。实践中常把受环境影响很小的体系近似看做孤立体系，如体系的自由膨胀等。爆炸反应体系属于绝热体系，但不属于孤立体系，因为爆炸反应常伴随着光能及振动能的传递。二、 状态状态函数【1.8】体系的同一状态能否具有不同的体积?体系的不同状态能否具有相同的体积?体系的状态改变了，是否其所有的状态函数都要发生变化?体系的某一状态函数改变了，是否其状态必定发生变
4、化?解答：根据多变量公理以及状态函数的单值性，体系的同一状态不能具有不同的体积；体系的不同状态可以具有相同的体积。体系的状态改变了，其所有的状态函数不一定都要发生变化；但体系的某一状态函数改变了，其状态必定发生变化。【1.9】如果物体A分别与物体B、C达到温度一致，则物体B与C是否达到热平衡?解答：温度是一种状态函数，是强度性质。温度是体系中大量微观粒子无规则运动的平均动能大小的宏观量度。当两个温度不同的物体相接触时，热量就会自发从高温物体不断传递给低温物体。经过一段时间之后，两个物体内的微观粒子热运动的平均动能终会趋于一致，即具有相同的温度，此时称这两个物体达到了热平衡。如果物体A的温度分别
5、与物体B及物体C达到一致，说明物体B和C中的微观粒子的平均动能亦相等，即也达到了热平衡。具有相同的温度。这一结论称为热力学第零定律。只有有了第零定律，才使得运用温度计作为测量各种体系冷热程度的参比标准成为可能。所以热力学第零定律是一条更为基本的定律。【1.11】某体系可以从状态B变化到状态A，也可以从状态C变化到状态A。这两种状态A以及各状态函数在此两种状态A的数值是否都完全相同?解答：完全相同。状态及状态函数都只与体系的某一现实状况有关，而与这种状况是由哪一个初始状态变化而来，以及这种状况将向哪一个状态变化而去无关；与变化的途径以及变化的时间长短亦无关。当体系从某一状态出发，经历了若干步骤又
6、变回到原来状态时，所有的状态函数也就都恢复到了原来的数值。【1.12】在一个多相共存的体系中，体系的压力指的是什么?解答：压力是体系的一种强度性质，是体系中大量微观粒子无规则运动的动量改变大小的宏观量度。一般而论，如果体系中仅有气相物质，则体系的压力即指各气体分压的总和；如果体系仅有凝聚相(包括液相和固相)，则体系的压力即指此凝聚相表面上所承受的压力值；如果体系中气相、液相与固相共存，则体系的压力即为其中气相物质的总压力。有人可能会问：由物理力学得知，在液体或固体内部，不同高度上的压力有明显差别。上述确定体系压力的方法，是否过于笼统而不够精确?经典热力学在考虑有限的宏观体系的压力时，一般都忽略
7、外界重力场的影响。除此之外，其他外场如电磁场、离心力场等的影响也被忽略。通常情况下，这种忽略所造成的误差都在允许范围之内，却可以大大简化计算。但是，如果对于某一课题，外场的影响已大到不可忽略的程度时，也须将此影响计算在内。【1.13】体系的压力与环境的压力有何关系?解答：体系的压力p体与环境的压力p外是两个不同的概念，相互有联系也有区别，应予正确区分。如果体系的界面是一个四壁均不可移动的坚固容器，则体系的压力与外压无关；如果界面的某一部分可视为理想活塞，可自由移动，则在达到平衡时，体系的压力与外压相等，即p体=p外(单位为Nm-2，或称为Pa)例如实验室中的凝聚相体系，若放在开口容器中，则体系
8、的压力就等于实验室中的大气压力。所以，恒压一定要有恒外压的条件做保证；而恒外压却不一定恒压。三、 状态函数的数学性质【1.17】平衡态热力学所研究的对象是真平衡态，亚稳平衡态，还是流动体系稳定态?解答：真平衡态是在一定条件下(如恒温恒压)，体系所能处在的能量(如吉布斯自由能G)最低的状态。它可由体系从不同方向经自发变化而最终达到(此部分内容详见第三章)。真平衡态即是热力学的平衡态。亚稳态是热力学的非平衡态。但在无外界动力学因素的影响时，也可以出现，而且可以稳定较长时间，如过冷液体、过饱和溶液、憎液溶胶等。在相平衡中，亚稳态可以用虚线在相图中表示(详见第五章)。练习题1.由理想气体分子运动论得出
9、的结果，每一气体分子的平均平动能是多少?A.1/2kTB. kT C. 3/2kT D.1/2RT2.“压强”，即物理化学中通常称为“压力”的物理量，其量纲是什么?A.动量/(面积时间) B.力/(面积时间)C.动能/(面积时间) D.加速度/(面积质量)3.下述说法中，哪一种是错误的?A.压力是宏观量B.压力是体系微观粒子一种运动行为的统计平均值C.压力是体系微观粒子碰撞器壁时动量改变量的量度D.压力是体系微观粒子相互碰撞时动能改变量的量度4.下述说法中，哪一种是错误的?A.体系的状态即是平衡态B.状态方程式即体系状态函数之间的关系式C.体系的状态与状态图上实点一一对应D.体系的状态即是流动
10、体系稳定态5.气体常数R具有什么量纲?A.能量温度-1摩尔-1 B.动量温度摩尔-1C.能量温度摩尔-1 D.动量温度-1摩尔-16.下述说法中，哪一种是错误的? 气体的黏滞系数A. 与气体分子的质量成正比B. 与气体分子的平均速度成正比C. 与气体分子的有效直径成反比D. 与平均自由程成正比7. 两个气球中分装有O2和N2O气体，温度和密度都相等。已测得O2气球中的压力是N2O气球中压力的1.3754倍，试求N2O的分子量。A. MN2O=24B. MN2O=34C. MN2O=44D. MN2O=548. 煅烧150 t石灰石，在15和946 kPa下可得CO2多少升?A. 3.8107
11、lB. 2.5106 lC. 3.0108 lD. 4.5105 l9. 一容器的容积为V1=162.4 m3，内有空气，其压力为p1=94.6 kPa，温度为t1=15.5。当把容器加热到某一温度tx，里面的空气就逸出，逸出的气体在t2=14，p2=93.0 kPa时占据体积V2=114.3 m3，问tx=?A . 765 B. 675 C .576 D. 56710 空气的平均分子量是28.96，试问15、1.01102 kPa时的空气密度为多大?A. =1.2310-3 gml-1 B. =2.1310-3 gml-1C. =3.2110-4 gml-1 D. =2.3110-2 gml
12、-111. 空气组成的体积分数为：N2 78%，O2 21%, Ar 1%。试求在20和986 kPa下空气的密度。A. 0.87 gl-1 B. 1.17 gl-1 C.1.23 gl-1 D. 0.7 gl-112. 用130的水蒸气(饱和压力273.5 kPa)与1200的焦炭反应生成水煤气C(cr)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)如果通入的水蒸气反应掉70%，问反应后混合气体中组分CO的分压为多少?(设总压保持273.5 kPa不变)A. 72.9 kPa B. 112.4 kPa C. 234.0 kPa D. 174.2 kPa13. 气体常数R的值可以用下述三种方法求得，其
13、中哪一种方法最不准确?A.低压高温下的实际气体作pVmp图外推至p=0时的pVm值计算而得B.范德瓦耳斯气体的对比状态方程R=计算而得C.用R=kN0计算而得。N0为阿伏伽德罗常数，k为玻尔兹曼常数14. 用范德瓦耳斯气体方程计算出的玻意耳温度为下述哪一个值?A. TB=R/ab B. TB=b/Ra C. TB=a/Rb D. TB=R/ab15.完全燃烧4 l乙炔气，需要同样压力和温度的氧气多少升?A. 4l B. 10l C. 15 l D. 18 l16.物质临界点的性质与什么有关?A.与外界温度有关 B.与外界压力有关C.与外界物质有关 D.是物质本身的特性17.范德瓦耳斯气体方程式
14、中的常数a与b应取何值?A.都大于零 B.都小于零C. a大于零，b小于零 D.a小于零，b大于零20.气态物质全部变为液态需经何种状态?A. 必须经过气液二相平衡的共存状态B.不一定要经过气液二相平衡的共存状态C. 不可能经过气液二相平衡的共存状态21. 在向自行车胎打气时 ，充入车胎的气体温度应如何变化?A.升高 B.降低 C.不变 D. 不一定22. 两瓶理想气体，如果它们的分子平均平动能相同，而它们的密度不同，则它们的压力之间有何关系?A.相同 B.不相同 C.不一定相同23.CO2空钢瓶在工厂车间充气时(车间温度15)会发现，当充气压力表到达一定数值后，就不再升高，而钢瓶的总重量却还在增加，某原因是什么?A.钢瓶容积增加 B.钢瓶中出现干冰C.钢瓶中出现液态CO2 D. B+C上述现象在炎热的夏季(平均室温为33)A.也会出现 B.不会出现C.不一定出现 D.视车间内大气压而定24.下述说法中哪一种正确?A.增加压力一定有利于液体变为固体B.增加压力一定不利于液体变为固体C.增加压力不一定有利于液体变为固体25. 理想气体的分子运动论公式为pV=1/3mNu2式中，u是A. 分子平均运动速率 B. 最可几速率C.
