高中物理竞赛热力学

第1、8章热力学、8-1热平衡状态、8-2功、热、内、8-3热力学第一定律、8-4物质的相变、2、8-1热平衡状态、1、热力学系统记述、手段：观察、实验、记述：热力学坐标(参数)、几何、力学、电磁、化学、 3、系统达到热平衡的条件，a， b分别达到平衡后，隔热壁变为热传导壁，但a、b参数不变，即与第三系统实现热平衡的两个系统必须相互热平衡，热力学第零定律，一个系统参数为x、y，系统处于平衡状态当外界条件不变时，经历了总是不变的平衡状态：宏观性质不随时间变化的状态、二、平衡状态、四、三、热力学过程、系统状态随时间变化的热力学过程、非静态过程、平衡状态、非平衡状态、平衡状态、五、准静态过程。 过程的所有状态都是平衡状态，外部在系统中工作，是从非平衡状态向平衡状态的过渡时间，即缓和时间。 如果每次实际压缩比缓和时间长，则在压缩过程中系统几乎随时接近平衡。 外部压力总是比系统压力稍强P，可以缓慢压缩。6、系统(初始温度T1)从外部吸热，系统温度T1直接与热源T2接触，最终达到热平衡，不是准静态的过程。 由于状态图中的任何点表示系统的平衡状态，因此准静态过程可以由该系统的状态图来表示，如在P-V视图中的曲线(或在P-T视图中的V-T视图)中，反之亦然。END、7、理想气体：8-2功、热、内、完全描述了分子运动所需的独立坐标数(确定分子的空间位置)，i理想气体分子的自由度，一个系统内、t平移自由度、r旋转自由度、8 :(a )原子(质点)的直线运动仅需要一个变量。 自由度=1。 (b )原子的一般运动需要3个座标记述。 自由度=3。 t的平移自由度、单原子分子(质点、无旋转等)的自由度为3。 9、刚性多的原子分子由3个原子的间隔决定，实际上只需要6个变量。 刚体多原子分子的最大自由度=6。 需要33=9个变量！ 只要确定那3个原子，就能确定其状态。 有三个重心的平移自由度和三个旋转自由度。 10、系统的内部能量只与系统温度有关，是状态量。 热力学过程中可能的变化：只关系到初期、最终状态，关系到过程。系统能量变化的原因是系统与外界的相互作用： (1)工作形式，(2)传热，11，工作仅限于热力学系统的状态(内)摩擦升温(机械工作)、电加热(电气工作)等本章中的力学工作(气体系统)，二、工作， 气体系统的工作必然伴随着系统体积的变化，对于、12、有限的过程(如图所示)，压力的变化规律不同，p和v的关系不同，工作也不同！ 工作与煤气经验的过程有关。 -工作是一个过程！ 13、系统与外部气温不同，会发生传热形式的能量交换，传热可以改变系统的状态。 微热量：0表示系统从外部吸热，总热量：积分与过程有关。 热量过程量、三、传热(热传导)、高温物体温度下降(内可减少)。 低温物体的温度上升(内增)，最后温度相同，达到热平衡。 另外，bc、EaEbEc(B)aEc(C)a=bc、EaEb=Ec(D)a=bEb=Ec、c、27，图表示一定质量的理想气体，表示状态向箭头所示的方向变化的过程。 与(a )从状态c到状态d、气体压力减少(b )从状态d到状态b、外部气体作用于气体、气体放出的热量(c )从状态a到状态c、气体分子的平均动能增大(D)a、b、c、d这4个状态相比，气体为b状态时的压力最大，a、b、c、d、 28、如图所示，将隔热缸分为a和b两部分，分别具有充满两种不同气体的导热板。 在平衡状态下，a和b两种气体的温度相同。活塞缓慢运动，压缩隔热气缸a内的气体时为() (a )在a内增加，(B)B的温度上升，(C)A和b的合计增加，(D)A的分子运动比b的分子运动激烈。 选择： (a )、(b )、(c )、29，如图所示，一定品质的理想气体状态从a到b、c、d，或者返回a变化的p-T线，可以判断是散热过程。 (a )从a状态到b状态(b )从b状态到c状态(c )从c状态到d状态(d )从d状态到a状态、b、30，(1)从图中可以看出，AB在等容过程中，因为体积不变，所以气功W=0，另外，因为TBTA温度上升，所以气体内增大，Q0必定吸热。 分析表明，该问题应选用(b )。 (2)BC是等压缩，外部空气对气体作功W0，另外，由于TC0，TATD温度上升，气体内增大，所以必须吸收Q0。 (3)CD是等温膨胀，气体对外界作功W0，温度不变，气体内不变就是Q0，所以必须吸热。 31、垂直放置的密闭绝热容器有质量m的活塞，活塞上方为真空，下方密闭一定质量的单原子理想气体。 放入容器中功率为n的加热器加热气体，活塞开始慢慢向上移动。 要求活塞经过多长时间后h上升。 (与活塞的吸热和摩擦无关)、32、解：将封入的理想气体的摩尔数设为n。 气体等的压力膨胀功能，在这个时间t内，n摩尔的单原子气体增加内，有、克拉斯隆方程式，因此可以将式代入式，从热力学的第一定律中求解。 、33、真空中有绝热筒状的缸。 最初，活塞a由支架支撑，其下容积为10L，隔板b的上部排气，下部有1mol的氧，温度为27。 排出b，a的下部空间充满气体。 平衡后，气体对a的压力正好与a的重力平衡。 然后用电阻r加热气体，使气体等压膨胀到20L。 求出排除b后的膨胀过程中气体对外的工作和吸收的热量。34，解： b板的上部原本是真空的，拔出b板后气体自由膨胀，平衡后，气体的状态是加热时气体等膨胀，气体对外作用，内部增量，有气体吸收的热。 35、隔热壁的缸体内有安装了小阀门l的隔热活塞。 气缸a端安装有电加热器。 当初，活塞位于气缸b端，气缸内有温度T0的理想气体，摩擦被忽略。 现在，将活塞按到a、b的中点，用销固定活塞。 在这个过程中外力作用的w，左部的气体温度变成了t。 然后打开活塞的阀门，经过充分的时间后关闭。 拔掉销子，用加热器加热左边的气体。 最后，左室内气体的压力为加热前的1.5倍，右室内气体的体积为加热前的0.75倍。 求出从加热器向气体传递的热量。 36、解：假设气缸内有n摩尔气体，由于最初的压缩气体过程是绝热的，因此外力功能在气体内增加，打开阀门使气体进入右半室的过程自由膨胀，因此气体温度仍为t。 假设平衡后二室中的气体压力全部为p、体积全部为v，加热后左室中的气体压力为1.5p、体积为5V/4，此时a室中的气体温度为TA，则、内的增加量、37、加热结束后右室中的气体压力也为体积TB。内的增加量，因此从加热器传递到气体的总热量为38，1 mol he的温度t和体积v的变化规律为T=V2，试着判断体积从V1减少到V2的过程是吸热还是散热。吸出多少热，代入.39，解： pV=RT，p与v成正比什么？ 、40、的单原子理想气体经过ABCDA的循环过程，在p-V图上为圆(上图)。 (1)循环中哪个点的温度最高，温度是多少？ (2)从c到d，气体内的增加量、气体给外界带来的功能、气体吸收的热量是多少(nmol的单原子理想气体从下图的初期A(PA、VA、TA )到最终B(PB=PA、VB=2VA、TB )的气体的净吸热正好与内部的增加相等的过程.41，解：写出p-V坐标系的圆的方程式和气体方程式，消去v得到T=f(p )，进而求出p在什么时候t有极大值。 从c到d气体给外界带来的功，42，3 )根据热力学第一定律，满足WAB=0条件的过程有QAB=DEAB的关系，具有WAB=0特征的过程无限多。 显然图中的ACDEB过程是WAB=0的典型过程之一。43、质量为2.810-3kg、压力为1atm、温度为27的氮气。 在不改变体积的情况下将压力增加到3atm，经过等温膨胀将压力降低到1atm，再在压力均等化的过程中将体积压缩一半。 氮气在全过程中变化，求出功和吸收的热量，画p-V图。 解：44、45、等容过程：等温过程：46、等压过程：47、810-3kg氧，体积为0.4110-3m3，温度为27。 (1)当氧气绝热膨胀时，膨胀的体积为4.110-3m3，询问气体做多少工作；(2)当氧气等温膨胀时，膨胀后的体积也为4.110-3m3，气体做多少工作？ 解：绝热方程式：48、解： (1)、49、0、V(l )、30、b、a、10、0.5、1.5、(2)作为与ab接触的等温线，接点为c、ab过程方程式：50、0、d、V(l )、30、b、a、10、0.5 (3)气体吸热散热与ac :气体对外工作、温度上升、必然吸热、cd :过c的绝热线相比，db :过d的绝热线相比，气体对外工作多、温度降低少、必然吸热、气体对外工作少、温度降低多、必然散热。 51、理想气体、质量m、摩尔质量m、cV=3R/2M，经历了图像过程。 (1)TV关系(2)比热c与v的关系。 从图中得到过程方程式，消去p增益，(1)、(2)，52，53，1 mol单原子理想气体，(4p0，v0)(p0/4，8 v0)。 每个过程的小过程热效率DW/DQ相同，要求过程中对外进行的总工作。 hDQ=DW，DQ=DW CVDT，此过程的摩尔热容量、多方面的过程由pVn=C得到，由n=4/3、g=5/3、CV=3R/2给出，初始状态温度：54，多方面的过程，满足，摩尔热容量，55，等压，绝热，等容，等温，特例：56，(1)系统绝热，解： 57 (2)下方的气体在各种过程中发挥作用，上方的气体发生变化，58、气缸内充满空气(质量比率为氮气76.9%、氧气23.1%、其他成分被忽略)。 气缸活塞无摩擦运动，气缸内气压恒定。 缸内化学反应进行得非常缓慢，生成1 mol Fe2o 3时氧气枯竭而中止。 反应在300K的条件下进行，在该过程中，释放出8.24105J的热。 在此过程中，(1)求出系统内的变化量，(2)气缸内气体的体内能量变化量，(3)氮气密度的变化量。 (生成1 mol Fe2O3需要1.5molO2，这是缸体中的全部氧，反应结束后缸体内的气体体积减少DV，忽略Fe和Fe2o 3体积，系统的对外功W=pDV=DnRT=-3739.5J，该工艺系统的吸热q=-8.0 ) 已知DE=Q-W=-8.203105J，系统内部能量减少，59、(2)气缸内的气体O2和N2、N2的温度不变，不参与反应，摩尔数也不变。 因此，内容不会变。 O2温度不变，摩尔数减少，相应地减少。 (3)反应前缸内氧质量，M1=1.53210-3kg=4810-3kg，氮质量，反应前：N2 :p为氮分压，O2 :P0=1atm，60，N2 :p为氮分压，O2 :p0=1atm%，反应结束后，N2 :反应过程中缸内压力不变，因此氮v是反应后的氮体积，反应前后的缸内氮密度变化量，61，8-4物质的相变，具有与同一成分相同的物理、化学性质的均匀物质为三相气液固。 物质在气、液、固等不同相间转换，称为相变。 物质相变有气液相变、固液相变、固气相变3种。62、1、气液相变化、气液相变化可分为两部分：液气、气、气液、液化或凝结。 气化包括(1)蒸发(在任意温度下)。 与温度、液体表面积、通风等因素有关。 (2)在沸腾一定的外压下，在某个特定的温度(沸点)下产生液体的气化过程。 沸点与液体外的压力有关。对于密闭的容器内的液体，在一定的温度下气化和凝结达到平衡时，蒸发实际上会停止。 将液体上的蒸汽压称为饱和蒸汽压与温度有关，与气体的体积和其他种类的气体的多少无关。63、液体气化时吸收热量。 将每单位质量的液体气化到相同温度所需的热量称为气化热。 气体液化时放出热量，与同温度液体的气化热在数值上相同。 汽化热通常用l蒸汽表示。64、2、固液相变化、固液相变化分为两部分：固液、溶解、液固、凝固或结晶。 固体(一定温度、压力下)溶解时需要吸收热量。 将每单位质量的固体溶解于液体中所需的热量称为溶解热。 即使结晶熔化温度也不变(冰、金属结晶等)，相应的温度称为熔点。 非晶体(固体)体溶解时，熔点不确定。 软化后变成玻璃等液体。 结晶物质凝固时的温度称为凝固点。 使每单位质量的液体凝固时发热的叫做凝固热。65、3、固气相变、固气相变分为两部分：固气、升华(干冰变成CO2气)、气固、凝华(冬季结霜等)。 升华只发生在固体表面。 单位质量的固体升华为气体所必需的热量叫升华热。 升华热在数值上等于相同条件下的溶解热和汽化热之和。 固体升华吸收大量热量，可用于制冷。 干冰(固体CO2 )等。66、4、3相点，任何物质在气、液、固三相共存时，各种相变达到平衡。 平衡时，三相有与确定压力相对应的温度。 在p-T图上，对应于气化曲线、溶解曲线与升华曲线交点的三相点。 例如，与水三相点(未图示)对应的温度为273.