热力学基础学习知识计算题规范标准答案.docx

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热力学基础学习知识计算题规范标准答案

《热力学基础》计算题答案全

1.温度为25℃、压强为1atm的1mol刚性双原子分子理想气体,经等温过程体积膨胀至原来的3倍.(普适气体常量R=8.31

,ln3=1.0986)

(1)计算这个过程中气体对外所作的功.

(2)假若气体经绝热过程体积膨胀为原来的3倍,那么气体对外作的功又是多少?

解:

(1)等温过程气体对外作功为

2分

=8.31×298×1.0986J=2.72×103J2分

(2)绝热过程气体对外作功为

2分

=2.20×103J2分

2.一定量的单原子分子理想气体,从初态A出发,沿图示直线过程变到另一状态B,又经过等容、等压两过程回到状态A.

(1)求A→B,B→C,C→A各过程中系统对外所作的功W,内能的增量∆E以及所吸收的热量Q.

(2)整个循环过程中系统对外所作的总功以及从外界吸收的总热量(过程吸热的代数和).

解:

(1)A→B:

=200J.

ΔE1=νCV(TB-TA)=3(pBVB-pAVA)/2=750J

Q=W1+ΔE1=950J.3分

B→C:

W2=0

ΔE2=νCV(TC-TB)=3(pCVC-pBVB)/2=-600J.

Q2=W2+ΔE2=-600J.2分

C→A:

W3=pA(VA-VC)=-100J.

J.

Q3=W3+ΔE3=-250J3分

(2)W=W1+W2+W3=100J.

Q=Q1+Q2+Q3=100J2分

3.0.02kg的氦气(视为理想气体),温度由17℃升为27℃.若在升温过程中,

(1)体积保持不变;

(2)压强保持不变;(3)不与外界交换热量;试分别求出气体内能的改变、吸收的热量、外界对气体所作的功.

(普适气体常量R=8.31

解:

氦气为单原子分子理想气体,

(1)等体过程,V=常量,W=0

据Q=∆E+W可知

=623J3分

(2)定压过程,p=常量,

=1.04×103J

∆E与

(1)相同.

W=Q-∆E=417J4分

(3)Q=0,∆E与

(1)同

W=-∆E=-623J(负号表示外界作功)3分

4.一定量的某单原子分子理想气体装在封闭的汽缸里.此汽缸有可活动的活塞(活塞与气缸壁之间无摩擦且无漏气).已知气体的初压强p1=1atm,体积V1=1L,现将该气体在等压下加热直到体积为原来的两倍,然后在等体积下加热直到压强为原来的2倍,最后作绝热膨胀,直到温度下降到初温为止,

(1)在p-V图上将整个过程表示出来.

(2)试求在整个过程中气体内能的改变.

(3)试求在整个过程中气体所吸收的热量.(1atm=1.013×105Pa)

(4)试求在整个过程中气体所作的功.

解:

(1)p-V图如右图.2分

(2)T4=T1∆E=02分

(3)

   

 

=5.6×102J4分

(4)W=Q=5.6×102J2分

5.1mol双原子分子理想气体从状态A(p1,V1)沿p-V图所示直线变化到状态B(p2,V2),试求:

(1)气体的内能增量.

(2)气体对外界所作的功.

(3)气体吸收的热量.

(4)此过程的摩尔热容.

(摩尔热容C=

,其中

表示1mol物质在过程中升高温度

时所吸收的热量.)

解:

(1)

2分

(2)

W为梯形面积,根据相似三角形有p1V2=p2V1,则

.3分

(3)Q=ΔE+W=3(p2V2-p1V1). 2分

(4)以上计算对于A→B过程中任一微小状态变化均成立,故过程中

ΔQ=3Δ(pV).

由状态方程得Δ(pV)=RΔT,

故ΔQ=3RΔT,

摩尔热容C=ΔQ/ΔT=3R.3分

6.有1mol刚性多原子分子的理想气体,原来的压强为1.0atm,温度为27℃,若经过一绝热过程,使其压强增加到16atm.试求:

(1)气体内能的增量;

(2)在该过程中气体所作的功;

(3)终态时,气体的分子数密度.

(1atm=1.013×105Pa,玻尔兹曼常量k=1.38×10-23J·K-1,普适气体常量R=8.31J·mol-1·K-1)

解:

(1)∵刚性多原子分子i=6,

1分

K2分

J2分

(2)∵绝热 W=-ΔE=-7.48×103J(外界对气体作功)2分

(3)∵p2=nkT2

∴n=p2/(kT2)=1.96×1026个/m33分

7.如果一定量的理想气体,其体积和压强依照

的规律变化,其中a为已知常量.试求:

(1)气体从体积V1膨胀到V2所作的功;

(2)气体体积为V1时的温度T1与体积为V2时的温度T2之比.

解:

(1)dW=pdV=(a2/V2)dV

2分

(2)∵p1V1/T1=p2V2/T2

∴T1/T2=p1V1/(p2V2)

由

得p1/p2=(V2/V1)2

∴T1/T2=(V2/V1)2(V1/V2)=V2/V13分

8.汽缸内有一种刚性双原子分子的理想气体,若经过准静态绝热膨胀后气体的压强减少了一半,则变化前后气体的内能之比E1∶E2=?

解:

2分

变化前

,变化后

2分

绝热过程

3分

题设

,则

即  

 3分

9.2mol氢气(视为理想气体)开始时处于标准状态,后经等温过程从外界吸取了400J的热量,达到末态.求末态的压强.

(普适气体常量R=8.31J·mol-2·K-1)

解:

在等温过程中,ΔT=0

Q=(M/Mmol)RTln(V2/V1)

即V2/V1=1.093分

末态压强p2=(V1/V2)p1=0.92atm2分

10.为了使刚性双原子分子理想气体在等压膨胀过程中对外作功2J,必须传给气体多少热量?

解:

等压过程W=pΔV=(M/Mmol)RΔT 1分

内能增量

 1分

双原子分子

1分

J2分

11.两端封闭的水平气缸,被一可动活塞平分为左右两室,每室体积均为V0,其中盛有温度相同、压强均为p0的同种理想气体.现保持气体温度不变,用外力缓慢移动活塞(忽略磨擦),使左室气体的体积膨胀为右室的2倍,问外力必须作多少功?

为了使刚性双原子分子理想气体在等压膨胀过程中对外作功2J,必须传给气体多少热量?

解:

设左、右两室中气体在等温过程中对外作功分别用W1、W2表示,外力作功用W′表示.由题知气缸总体积为2V0,左右两室气体初态体积均为V0,末态体积各为4V0/3和2V0/3.1分

据等温过程理想气体做功:

W=(M/Mmol)RTln(V2/V1)

2分

现活塞缓慢移动,作用于活塞两边的力应相等,则

W’+W1=-W2

2分

12.一定量的理想气体,从A态出发,经p-V图中所示的过程到达B态,试求在这过程中,该气体吸收的热量.

.

解:

由图可得

A态:

8×105J

B态:

8×105J

,根据理想气体状态方程可知

,∆E=03分

根据热力学第一定律得:

J2分

13.如图,体积为30L的圆柱形容器内,有一能上下自由滑动的活塞(活塞的质量和厚度可忽略),容器内盛有1摩尔、温度为127℃的单原子分子理想气体.若容器外大气压强为1标准大气压,气温为27℃,求当容器内气体与周围达到平衡时需向外放热多少?

(普适气体常量 R=8.31J·mol-1·K-1)

解:

开始时气体体积与温度分别为V1=30×10-3m3,T1=127+273=400K

∴气体的压强为p1=RT1/V1=1.108×105Pa

大气压p0=1.013×105Pa,p1>p0

可见,气体的降温过程分为两个阶段:

第一个阶段等体降温,直至气体压强p2=p0,此时温度为T2,放热Q1;第二个阶段等压降温,直至温度T3=T0=27+273=300K,放热Q2

(1)

365.7K

∴Q1=428J5分

(2)

=1365J

∴总计放热Q=Q1+Q2=1.79×103J5分

14.一定量的理想气体,由状态a经b到达c.(如图,

abc为一直线)求此过程中

(1)气体对外作的功;

(2)气体内能的增量;

(3)气体吸收的热量.(1atm=1.013×105Pa)

解:

(1)气体对外作的功等于线段

下所围的面积

W=(1/2)×(1+3)×1.013×105×2×10-3J=405.2J3分

(2)由图看出PaVa=PcVc∴Ta=Tc2分

内能增量

.2分

(3)由热力学第一定律得

Q=

+W=405.2J.3分

15.一定量的理想气体在标准状态下体积为1.0×10-2m3,求下列过程中气体吸收的热量:

(1)等温膨胀到体积为2.0×10-2m3;

(2)先等体冷却,再等压膨胀到

(1)中所到达的终态.

已知1atm=1.013×105Pa,并设气体的CV=5R/2.

解:

(1)如图,在A→B的等温过程中,

,1分

3分

将p1=1.013×105Pa,V1=1.0×10-2m3和V2=2.0×10-2m3

代入上式,得QT≈7.02×102J1分

(2)A→C等体和C→B等压过程中

∵A、B两态温度相同,∴ΔEABC=0

∴QACB=WACB=WCB=P2(V2-V1)3分

又p2=(V1/V2)p1=0.5atm1分

∴QACB=0.5×1.013×105×(2.0-1.0)×10-2J≈5.07×102J1分

16.将1mol理想气体等压加热,使其温度升高72K,传给它的热量等于1.60×103J,求:

(1)气体所作的功W;

(2)气体内能的增量

(3)比热容比γ.

(普适气体常量

解:

(1)

J2分

(2)

J1分

(3)

2分

17.一定量的某种理想气体,开始时处于压强、体积、温度分别为p0=1.2×106Pa,V0=8.31×10-3m3,T0=300K的初态,后经过一等体过程,温度升高到T1=450K,再经过一等温过程,压强降到p=p0的末态.已知该理想气体的等压摩尔热容与等体摩尔热容之比Cp/CV=5/3.求:

(1)该理想气体的等压摩尔热容Cp和等体摩尔热容CV.

(2)气体从始态变到末态的全过程中从外界吸收的热量.

(普适气体常量R=8.31J·mol-1·K-1)

解:

(1)由

可解得

2分

(2)该理想气体的摩尔数

4mol

在全过程中气体内能的改变量为△E=νCV(T1-T2)=7.48×103J2分

全过程中气体对外作的功为

式中p1∕p0=T1∕T0

J.2分

全过程中气体从外界吸的热量为Q=△E+W=1.35×104J.2分

18.如图所示,AB、DC是绝热过程,CEA是等温过程,BED是任意过程,组成一个循环。

若图中EDCE所包围的面积为70J,EABE所包围的面积为30J,过程中系统放热100J,求BED过程中系统吸热为多少?

解:

正循环EDCE包围的面积为70J,表示系统对外作正功70J;EABE的面积为30J,因图中表示为逆循环,故系统对外作负功,所以整个循环过程系统对外

作功为:

W=70+(-30)=40J1分

设CEA过程中吸热Q1,BED过程中吸热Q2,由热一律,

W=Q1+Q2=40J2分

Q2=W-Q1=40-(-100)=140J

BED过程中系统从外界吸收140焦耳热.2分

 

19.1mol理想气体在T1=400K的高温热源与T2=300K的低温热源间作卡诺循环(可逆的),在400K的等温线上起始体积为V1=0.001m3,终止体积为V2=0.005m3,试求此气体在每一循环中

(1)从高温热源吸收的热量Q1

(2)气体所作的净功W

(3)气体传给低温热源的热量Q2

解:

(1)

J3分

(2)

.

J4分

(3)

J3分

20.一定量的某种理想气体进行如图所示的循环过程.已知气体在状态A的温度为TA=300K,求

(1)气体在状态B、C的温度;

(2)各过程中气体对外所作的功;

(3)经过整个循环过程,气体从外界吸收的总热量(各过程吸热的代数和).

解:

由图,pA=300Pa,pB=pC=100Pa;VA=VC=1m3,VB=3m3.

(1)C→A为等体过程,据方程pA/TA=pC/TC得

TC=TApC/pA=100K.2分

B→C为等压过程,据方程VB/TB=VC/TC得

TB=TCVB/VC=300K.2分

(2)各过程中气体所作的功分别为

A→B:

=400J.

B→C:

W2=pB(VC-VB)=-200J.

C→A:

W3=03分

(3)整个循环过程中气体所作总功为

W=W1+W2+W3=200J.

因为循环过程气体内能增量为ΔE=0,因此该循环中气体总吸热

Q=W+ΔE=200J.3分

21.1mol氦气作如图所示的可逆循环过程,其中ab和cd是绝热过程,bc和da为等体过程,已知V1=16.4L,V2=32.8L,pa=1atm,pb=3.18atm,pc=4atm,pd=1.26atm,试求:

(1)在各态氦气的温度.

(2)在态氦气的内能.

(3)在一循环过程中氦气所作的净功.

(1atm=1.013×105Pa)

(普适气体常量R=8.31J·mol-1·K-1)

解:

(1)Ta=paV2/R=400K

Tb=pbV1/R=636K

Tc=pcV1/R=800K

Td=pdV2/R=504K4分

(2)Ec=(i/2)RTc=9.97×103J2分

(3)b-c等体吸热

Q1=CV(Tc-Tb)=2.044×103J1分

d-a等体放热

Q2=CV(Td-Ta)=1.296×103J1分

W=Q1-Q2=0.748×103J2分

22.比热容比γ=1.40的理想气体进行如图所示的循环.已知状态A的温度为300K.求:

(1)状态B、C的温度;

(2)每一过程中气体所吸收的净热量.

(普适气体常量R=8.31

解:

由图得pA=400Pa,pB=pC=100Pa,

VA=VB=2m3,VC=6m3.

(1)C→A为等体过程,据方程pA/TA=pC/TC得

TC=TApC/pA=75K1分

B→C为等压过程,据方程VB/TB=VCTC得

TB=TCVB/VC=225K1分

(2)根据理想气体状态方程求出气体的物质的量(即摩尔数)ν为

ν=pAVA/RTA=0.321mol

由γ=1.4知该气体为双原子分子气体,

B→C等压过程吸热

J.2分

C→A等体过程吸热

J.2分

循环过程ΔE=0,整个循环过程净吸热

J.

∴A→B过程净吸热:

Q1=Q-Q2-Q3=500J4分

23.一卡诺热机(可逆的),当高温热源的温度为127℃、低温热源温度为27℃时,其每次循环对外作净功8000J.今维持低温热源的温度不变,提高高温热源温度,使其每次循环对外作净功10000J.若两个卡诺循环都工作在相同的两条绝热线之间,试求:

(1)第二个循环的热机效率;

(2)第二个循环的高温热源的温度.

解:

(1)

∴Q2=T2Q1/T1

=24000J4分

由于第二循环吸热

(∵

)3分

29.4%1分

(2)

425K2分

24.气缸内贮有36g水蒸汽(视为刚性分子理想气体),经abcda循环过程如图所示.其中a-b、c-d为等体过程,b-c为等温过程,d-a为等压过程.试求:

(1)d-a过程中水蒸气作的功Wda

(2)a-b过程中水蒸气内能的增量∆Eab

(3)循环过程水蒸汽作的净功W

(4)循环效率η

(注:

循环效率η=W/Q1,W为循环过程水蒸汽对外作的净功,Q1为循环过程水蒸汽吸收的热量,1atm=1.013×105Pa)

解:

水蒸汽的质量M=36×10-3kg

水蒸汽的摩尔质量Mmol=18×10-3kg,i=6

(1)Wda=pa(Va-Vd)=-5.065×103J2分

(2)ΔEab=(M/Mmol)(i/2)R(Tb-Ta)

=(i/2)Va(pb-pa)

=3.039×104J2分

(3)

K

Wbc=(M/Mmol)RTbln(Vc/Vb)=1.05×104J

净功W=Wbc+Wda=5.47×103J3分

(4)Q1=Qab+Qbc=ΔEab+Wbc=4.09×104J

η=W/Q1=13%3分

25.1mol的理想气体,完成了由两个等体过程和两个等压过程构成的循环过程(如图),已知状态1的温度为T1,状态3的温度为T3,且状态2和4在同一条等温线上.试求气体在这一循环过程中作的功.

解:

设状态“2”和“4”的温度为T

2分

∵p1=p4,p2=p3,V1=V2,V3=V4

.

,即

3分

26.一卡诺循环的热机,高温热源温度是400K.每一循环从此热源吸进100J热量并向一低温热源放出80J热量.求:

(1)低温热源温度;

(2)这循环的热机效率.

解:

(1)对卡诺循环有:

 T1/T2=Q1/Q2 

∴  T2=T1Q2/Q1=320K 

即:

低温热源的温度为320K.3分

(2)热机效率:

2分

27.如图所示,有一定量的理想气体,从初状态a(p1,V1)开始,经过一个等体过程达到压强为p1/4的b态,再经过一个等压过程达到状态c,最后经等温过程而完成一个循环.求该循环过程中系统对外作的功W和所吸的热量Q.

解:

设c状态的体积为V2,则由于a,c两状态的温度相同,p1V1=p1V2/4

故V2=4V12分

循环过程ΔE=0,Q=W.

而在a→b等体过程中功W1=0.

在b→c等压过程中功

W2=p1(V2-V1)/4=p1(4V1-V1)/4=3p1V1/42分

在c→a等温过程中功

W3=p1V1ln(V2/V1)=-p1V1ln42分

∴W=W1+W2+W3=[(3/4)-ln4]p1V11分

Q=W=[(3/4)-ln4]p1V13分

28.比热容比

1.40的理想气体,进行如图所示的ABCA循环,状态A的温度为300K.

(1)求状态B、C的温度;

(2)计算各过程中气体所吸收的热量、气体所作的功和气体内能的增量.

(普适气体常量

解:

(1)C→A等体过程有pA/TA=pC/TC

K1分

B→C等压过程有VB/VB=VC/TC

K1分

(2)气体的摩尔数为

1分

由γ=1.40可知气体为双原子分子气体,

1分

C→A等体吸热过程WCA=0

QCA=ΔECA=vCV(TA-TC)=1500J2分

B→C等压压缩过程WBC=PB(VC-VB)=-400J

ΔEBC=vCV(TC-TB)=-1000J

QBC=ΔEBC+WBC=-1400J2分

A→B膨胀过程

J

ΔEAB=vCV(TB-TA)=-500J

QAB=ΔEAB+WAB=500J2分

29.一气缸内盛有一定量的单原子理想气体.若绝热压缩使其体积减半,问气体分子的平均速率为原来的几倍?

解:

设绝热压缩前气体的体积为V1,温度为T1;压缩后的体积为V2=V1/2,温度为T2;气体的比热比为

由绝热方程得:

∴T2=T1(V1/V2)γ-1=2γ-1T12分

设绝热压缩前后,气体分子的平均速率分别为

将关系式T2/T1=2γ-1代入上式,得

1分

单原子理想气体=5/3≈1.67,1分

≈1.261分

30.一定量的氦气(理想气体),原来的压强为p1=1atm,温度为T1=300K,若经过一绝热过程,使其压强增加到p2=32atm.求:

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