物理化学计算题及答案.docx
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物理化学计算题及答案
第一章
例4在100℃,p下,1mol水
(1)可逆蒸发,
(2)向真空蒸发为蒸气。
已知vapHm=kJmol-1,假设蒸气为理想气体,液体水的体积可忽略不计,求Q,W,U,H。
解:
(1)H=Qp=
W=-pV=-pVg=-RT=
U=Q-W==
(2)始终态同
(1)故H=U=
向真空蒸发W=0
Q=U=
例5将100g,40℃水和100g,0℃的冰在杜瓦瓶中(恒压,绝热)混合,求平衡后的状态,及此过程的H。
已知冰的熔化热=335Jg-1,Cp(水)=JK-1g-1
解:
设水和冰为系统。
因恒压,绝热
所以H=Qp=0
又H=H(水)+H(冰)=0
设终态温度为T
H=H(水)+H(冰)
=100(T–313)+100335=0
T=253K
该结果是不可能的!
100g水全部降温至0℃,放热:
H(水)=–10040=–
100g冰全部融化吸热:
H(冰)=
说明冰不能全部融化,终态应是0℃的冰水混合物。
设m克冰融化,
H=H(冰)+H(水)=mm=50g
平衡后的状态为50g冰和150g水的0℃的冰水混合物。
例6已知某气体的状态方程为:
pVm=RT+bp(b>0常数)
请依据推导结果判断
(1)在绝热自由膨胀过程中,该气体的温度如何变化
(2)在绝热节流膨胀过程中,该气体的温度如何变化
解:
(1)绝热自由膨胀过程是等内能过程,U=0,则所以本题要解的是μJ的正负令U=f(T,V),根据循环关系式:
现在只要判断[]是>0,=0,还是<0其中的
偏微商与气体的状态方程有关。
焦耳系数气体的状态方程可改写为p(Vm–b)=RT
其中对T求导得:
代入上式:
故温度不变
分析:
若把气体的状态方程p(Vm–b)=RT与理想气体的状态方程pVm=RT比较,有什么结论可看出该方程只修正了气体分子的体积(Vm–b),而分子间作用力这一项没有修正,说明p=p理气,故在绝热自由膨胀过程中温度没有变化。
若是范德华气体,在绝热自由膨胀过程中温度将如何变化
范德华气体气态方程
即对T求导
所以在绝热自由膨胀过程中,范德华气体的温度下降。
(2)绝热节流膨胀过程H=0,则所以本题要解的是J-T是>0,=0,还是<0。
令H=f(T,p)
现在只要判断[]是>0,=0,还是<0其中的偏微商与气体的状态方程有关。
根据气态方程得
对T求导得
代入上式:
在绝热节流膨胀过程中,该气体的温度上升。
例7装置如图,始态时绝热理想活塞两侧容器各为20dm3,均充满25℃,p的N2。
对左侧气室缓慢加热,直至室内压力为2p。
请分别以右室气体,左室气体和全部气体为系统,求算Q,W,U,H(N2可视为理想气体)
加热
解:
(1)以右室气体为系统因绝热,Q=0;U=W。
左室缓慢加热,所以活塞右移可视为绝热可逆压缩,终态压力也为2p
双原子分子理想气体=7/5=
p1V1=p2V2V2=dm3
或p11-T1=p21-T2T2=
U=W=(p2V2p1V1)/
(1)=
或n=p1V1/RT1=
U=nCV,m(T2T1)=
H=U=
(2)以左室气体为系统
W(左)=–W(右)=
V2’=40–=dm3
T2’=828K
n=p1V1/RT1=
U=nCV,m(T2’–T1)=
H=U=
Q=U-W=
(3)以全部气体为系统
W(总)=0
Q=
U(总)=Q=
H(总)=U(总)=
第二章
例5.苯的沸点为C,设蒸气为理想气体,
求1mol苯在C时下列过程的A,G
(1)C6H6(l,py)C6H6(g,py)
(2)C6H6(l,py)C6H6(g,
(3)C6H6(l,py)C6H6(g,
根据所得结果能否判断过程的可能性
解:
(1)此为可逆相变,
(G)T,p=0
(A)T=Wr=–RT=kJ
(2)该过程可看作:
C6H6(l,py)C6H6(g,py)C6H6(g,
可逆相变+理想气体的定温变压过程
故G=G1+G2=0+RTln(p2/p1)=348J
A=A1+A2=103348=kJ
W=(g)=-RT=kJ
(A)T(3)同理
G=G1+G2=0+RTln(p2/p1)=241J
A=A1+A2=103+241=2.70kJ
(A)T>W,不可能
例6在5℃时,过冷液态苯的蒸气压为2632Pa,而固态苯的蒸气压为2280Pa。
已知1mol过冷液态苯在5℃凝固时Sm=JK-1mol-1,设气体为理想气体,求该凝固过程的G及H。
解:
设计等温变压可逆过程
G1+G5=Vl(pl–py)+Vs(py–ps)0
(5℃,p)
G=G1+G2+G3+G4+G5
=G3=320J
H=G+TS=320+268()
=J
例7在一个带活塞的容器中(设理想活塞)有氮气,容器底部有一密闭小瓶,瓶中有水。
整个系统恒温恒压(373K,py)。
今使小瓶破碎,在维持压力为py下水蒸发为水蒸气。
已知vapHmy(373K)=kJmol-1。
氮气和水蒸气可视为理想气体。
求此过程的Q,W,U,H,S,A,G
先求可逆相变的Q,W,U,H,S,A,G,
其中vapG=0,再求混合过程的S,A,G,其中mixU=0,mixH=0
当H2O(l)H2O(g)时,体积增大,做体积功:
Qp=vapH=nvapHmy==kJ
W=-pyV=-nRT=kJ
vapU=Q+W=kJ
vapS=H/T=JK-1
(vapA)T=Wr=–nRT=–kJ
vapG=0
然后定温定压下水蒸气与氮气混合,但理想气体混合时无热效应,即mixU=mixH=0。
mixA=mixG=–TmixS=–kJ
故U=vapU=kJ
H=vapH=
S=vapS+mixS=JK-1
A=vapA+mixA=–kJ
G=0+mixG=–kJ
或在已算出U,H,S(总)的基础上
A=U–TS=–kJ
G=H–TS=–kJ
或:
在已算出U,H(总)的基础上
G(总)=mixG=G(N2)+G(H2O)
=∫Vdp(N2)+∫Vdp(H2O)
再计算S(总)=(H–G)/T=JK-1
A(总)=U–TS=–kJ
例8.1mol某气体从Vm,1经绝热自由膨胀过程到Vm,2,求S。
已知:
气态方程为:
p(Vm-b)=RT
解:
绝热自由膨胀:
U=0
绝热不可逆过程:
S>0。
例9.某实际气体状态方程为pVm(1–bp)=RT,经节流膨胀后,压力从p1p2,S=
解:
dH=TdS+Vdp=0(节流膨胀)
例10.若定容摩尔热容CV,m与温度无关,试证
(1)1mol范德华气体从T1,Vm,1T2,Vm,2
(2)范德华气体绝热可逆过程方程式为
常数
(3)1mol范德华气体经绝热自由膨胀过程,从V1V2,求终态的温度T2
提示:
先求出焦耳系数的表达式
证:
(1)任何单相纯物质的熵变公式为:
根据该气体的状态方程求出
范德华气态方程:
(2)范德华气体绝热可逆过程:
S=0,即
即常数
(3)绝热自由膨胀过程:
U=0
令U=f(T,V)
从范德华气态方程可知:
积分:
例360℃时,pA*=,pB*=,
在该温度时A和B可形成稳定化合物AB,pAB*=。
假设任何给定混合物具有理想溶液特性。
如今在60℃时,将1molA和4molB混合成液体体系。
求此系统蒸气压和蒸气组成。
解:
此时系统为1molAB和3molB
xAB=1/4,xB=3/4
p=pAB+pB
=1/4+3/4=
yAB=pAB/p=;yB=1–=
例4在300K时,液态A和液态B的蒸气压分别为pA*=,pB*=kPa,当2molA和2molB混合,p总=kPa,蒸气相中A的物质的量分数yA(g)=,设蒸气为理想气体
①求溶液中A、B的活度和活度系数
②求mixG
③若溶液为理想溶液,mixG
解:
①非理想溶液蒸气压与浓度的关系:
pi=pi*aiaA=pyA/pA*=
aB=pyB/pB*=
A=aA/xA=
B=aB/xB=
②mixG=G–G*=nii–nii*
=2RT(lnaA+lnaB)=–1585J
③mixG=G–G*=nii–nii*
=2RT(lnxA+lnxB)=–6915J
结论两种纯物质混合时:
mixG=RT(nAlnaA+nBlnaB)
mixG=RT(nAlnxA+nBlnxB)
例5.298K和py下,苯(组分1)和甲苯(组分2)混合成x1=的理想溶液。
将1mol苯从x1=的状态用甲苯稀释到x1=的状态,求此过程所需最小功
解:
根据(G)T,p=Wr’和
(G)T,p=nii(终)-nii(始)
环境对系统做的最小功Wr’=nii(终)-nii(始)
y=2/3–1/4=5/12mol
Wr’=nii(终)–nii(始)以纯物质为标准态
nii(始)=(1y+RTlnx1)+1/4(2y+RTlnx2)+5/122y
=1y+2/32y+RT+1/
nii(终)=(1y+RTlnx1)+2/3(2y+RTlnx2)
=1y+2/32y+RT(ln+2/3ln
Wr’=RT[(ln+2/3ln–+1/4ln]=-1230J
mixG=RT{nilnxi(终)–nilnxi(始)}=Wr’
例3实验测得
(1)CO2(g)+C(石墨)
2CO(g)
平衡数据如下:
T/Kp总/kPa(xCO2)eq
1073
1173
已知反应
(2)2CO2(g)=2CO(g)+O2(g)在1173K时K
(2)=×10-16,在该温度时cHm(石墨)=–kJ/mol。
计算反应
(2)在1173K时的rHm和rSm。
设气体为理想气体。
Cp,m=0.
解:
rHm
(2)可通过rHm
(1)和石墨的燃烧焓求出(盖斯定律),其中rHm
(1)可通过K
(1)与温度的关系求出。
求得rHm
(2)后,rSm
(2)则可通过定义式rGm
(2)=rHm
(2)–TrSm
(2)=–RTlnK
(2)求出。
故先求反应
(1)的rHm
(1),
解:
先求出反应
(1)的K(T1),K(T2),再通过K(T)和温度的关系求出rHm
(1)
代入p总和(x(CO2))eq,(x(CO))eq得
K(1073K)=K(1173K)=
因Cp,m=0,rHm
(1)=常数
得rHm
(1)=mol-1
(2)再用盖斯定律求反应
(2)的rHm
(2)
①CO2(g)+C(石墨)=2CO(g) rHm
(1)
③C(石墨)+O2(g)=CO2(g) cHm(石墨)
①–③:
2CO2(g)=2CO(g)+O2(g)
rHm
(2)=rHm
(1)–cHm(石墨)
=+=kJmol-1
–RTlnK
(2)=rGm
(2)=rHm
(2)–TrSm
(2)
=kJmol-1
rSm
(2)=JK-1mol-1
例4已知反应
①2NaHCO3(s)=Na2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g)
rGm
(1)=T)kJmol-1
②NH4HCO3(s)=NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)
rGm
(2)=T)kJmol-1
(1)试求298K时,当NaHCO3,Na2CO3和NH4HCO3平衡共存时,NH3(g)的分压;
(2)当p(NH3)=50kPa时,欲使NH4HCO3,Na2CO3和NaHCO3平衡共存,试求所需温度。
如果温度超过此值,物相将发生何种变化
(3)有人设想298K时将NaHCO3和Na2CO3与NH4HCO3共同放在一密闭容器中,能否使NH4HCO3免受更多的分解。
解
(1)298K时,三种物质平衡共存,则上述两反应必然在同一系统中同时平衡,即下列两式中用同一个NH3(g)的分压。
rGm①=T=kJmol-1
rGm②=T=kJmol-1
p(NH3)=100kPa
(2)NH4HCO3(s)=NH3(g)+H2O(g)+CO2(g)
298K时p(NH3)=100kPa,当p(NH3)<100kPa,则NH4HCO3(s)将继续分解。
若指定p(NH3)=50kPa,则必须降低温度才能达到新的平衡。
在温度T时
T=(℃)
若超过此温度,NH4HCO3将继续分解直至分解完。
(3)若将NH4HCO3单独放于密闭容器中,298K时,由反应
(2)的平衡常数可知,氨的平衡分压为
K②=10-6=(p/p)3
p(NH3)=<<100kPa(平衡共存)
说明三者平衡共存不但不能抑制NH4HCO3的分解,反而使NH4HCO3更多分解。
例5反应SO2(g)+½O2(g)=SO3(g)
的标准吉布斯自由能变与温度的关系为
rGm/J·mol-1=–94500+
若反应起始时系统中含SO2为(物质的量分数,下同),含O2为,则在p下,欲使SO2的平衡转化率达90%,反应温度应控制为多少
解:
平衡转化率与平衡常数有关,控制SO2的平衡转化率为90%,则平衡系统的组成应为:
取100mol气体为系统,平衡转化率90%
SO2(g)+½O2(g)=SO3(g)其它
t=0612082mol
平衡612-(3682mol
n(总)=+++82=mol
平衡分压:
p(SO3)=p=
p(SO2)=p=
p(O2)=p=
rGm/J·mol-1=–94500+
rGm=–RTlnK=–
–94500+=–
T=804K
例6已知某反应的
rGm/Jmol-1=–528858–+
(1)计算2000K时的K和rm
(2)导出rSm与温度T的关系式
解:
(1)
rGm(T)=–528858–lnT+
lnK(T)=(528858/T+lnT–/R
K(2000K)=
rm(T)=–528858+
rm(2000K)=–mol-1
(2)rGm(T)=–528858–lnT+=rm(T)–TrSm(T)
rSm=(528858+lnT–
–528858+/T
rSm/JK-1mol-1=–
或=+–
=–JK-1mol-1
6.下面是两组分凝聚体系相图,注明每个相图中相态,并指出三相平衡线。
解:
为了便于理解把这道题也看一下
14.指出下列各图中所形成的化合物的经验式,并说明各相区是由哪些相组成的
(1)图Ⅰ中设生成的化合物为X;
(2)没有化合物;
(3)图Ⅲ中设生成X、Y两种化合物;
解:
(1)由图Ⅰ知X为A3B。
1:
L+A(s);2:
A(s)+A3B(s);3:
A3B(s)+L;4:
A3B(s)+B(s);5:
B(s)+L
(2)由图Ⅱ知:
1:
α;2:
L+α;3:
L+β;4:
β;5:
α+β
(3)由图Ⅲ知X为A2B,Y为AB。
1:
L;2:
α;3:
L+α;4:
L+A2B(s);5:
α+A2B(s);6:
L+AB(s);
7:
A2B(s)+AB(s);8:
L+AB(s);9:
L+B(s)10:
AB(s)+B(s)