第 二 章 热力学第一定律练习题及解答

第二章热力学第一定律

一、思考题

1.判断下列说法是否正确，并简述判断的依据

(1)状态给定后，状态函数就有定值，状态函数固定后，状态也就

固定了。

答：是对的。因为状态函数是状态的单值函数。

(2)状态改变后，状态函数一定都改变。

答：是错的。因为只要有一个状态函数变了，状态也就变了，但并不

是所有的状态函数都得变。

(3)因为AU二Q、，AH二Q”所以Q、，Q,是特定条件下的状态函数？这

种说法对吗？

答：是错的。U,H本身不是状态函数，仅是状态函数的变量，

只有在特定条件下与G,Q0的数值相等，所以Q,不是状态函数。

(4)根据热力学第一定律，因为能量不会无中生有，所以一个系统

如要对外做功，必须从外界吸收热量。

答：是错的。根据热力学第一定律AUnQ+w,它不仅说明热力学能

(△U)、热(Q)和功(W)之间可以转化，有表述了它们转化是的定

量关系，即能量守恒定律。所以功的转化形式不仅有热，也可转化为

热力学能系。

(5)在等压下，用机械搅拌某绝热容器中的液体，是液体的温度上

升，这时△H=QP=O

答：是错的。这虽然是一个等压过程，而此过程存在机械功，即所学0,

所以AHHQp。

(6)某一化学反应在烧杯中进行，热效应为U,焰变为AH.o如将

化学反应安排成反应相同的可逆电池，使化学反应和电池反应的始态

和终态形同,这时热效应为Ch,焙变为AH2,则△H.=AH2O

答：是对的。Q是非状态函数，由于经过的途径不同，则Q值不同，

焰(H)是状态函数，只耍始终态相同，不考虑所经过的过程，则两

焙变值乩和比相等。

2.回答下列问题，并说明原因

(1)可逆热机的效率最高，在其它条件相同的前提下，用可逆热机

去牵引货车，能否使火车的速度加快？

答？不能。热机效率〃是指从高温热源所吸收的热最大的转换成

Qh

对环境所做的功。但可逆热机循环一周是一个缓慢的过程，所需时间

是无限长。又由P=:=/XV可推出V无限小。因此用可逆热机牵引火

车的做法是不实际的，不能增加火车的速度，只会降低U

(2)Zn与盐酸发生反应，分别在敞口和密闭容器中进行，哪一种情

况放热更多？

答:在密闭容器中进行的反应放热多。在热化学中有Q尸Q,+Ang(RT),

而Zn(s)+H2soi(aq)=ZnS04(aq)+H2(g)的Ang=1,又因

该反应为放热反应Q,、QY的值均为负值，所以II〉IQ"。

(3)在一个导热材料制成的圆筒中装有压缩气体，圆筒中的温度与

环境达成平衡。如果突然打开圆筒，是气体冲出去，当压力与外界相

等时，立即盖上筒盖。过一段时间，筒中气体的压力有何变化？

答：筒内压力变化过程：当压缩气体冲出，在绝热可逆过程有

〃”一常数，当气体的压力与外界相等时，筒中温度降低。立即盖上

筒盖，过一会儿，系统与环境的温度完全相等，筒内温度上升，则压

力也升高，即大于环境的标准大气压。

(4)在装有催化剂的合成氨反应室中，N2(g)与H2(g)的物质的

量的比为1:3,反应方程式为，N?(g)+H2(g)-NH3(g)o

在温度为Ti和丁2的条件下，实验测定放出的热量分别为QP(L)和

QP(12).但是用Kirchhoff定律计算时

△4(4)=仃

计算结果与实验值不符，试解释原因。

答：△,%="，实际是指按所给反应式，进行纯=lmol反应

时的焙变，实验测得的数值是反应达到平衡时发出的热量，此时

,因此经过计算使用Kirchhoff定律计算的结果与实验不符。

3.理想气体绝热可逆和绝热不可逆过程的功，都可用公式Wh。△7

计算，那两种过程的功是否一样？

答：不一样。过程不同，终态不相同，即AT不一样，因此绝热可逆

和绝热不可逆两过程所做功不一样。

4.请指出所列公式的适用条件：

(1)△"=0(2)AU=0,(3)W=nRT\n^~

匕

答：(1)式适用于不作非膨胀功的等压过程。

(2)式适用于不作非膨胀功的等容过程。

(3)式适用于理想气体不作非膨胀功的等温可逆过程。

5.用热力学概念判断下列各过程中功、热、热力学能和燃的变化值。

第一定律数学表示式为AU=Q+Wo

(1)理想气体自由膨胀

(2)vanderWaals气体等温自由膨胀

(3)Zn(s)+2HC1(1)=ZnCl2+H2(g)进行非绝热等压反应

(4)H2(g)+CL(g)=2HC1(g)在绝热钢瓶中进行

(5)常温、常压下水结成冰(273.15K,101.325kPa)

答：(1)W=0因为自由膨胀外压为零。

Q=0理想气体分子间没有引力。体积增大分子间势能不

增加，保持温度不变，不必从环境吸热。

U=0因为温度不变，理想气体的热力学能仅是温度的函

数。

H=0因为温度不变，理想气体的熔也仅是温度的函数。

(2)W=0因为自由膨胀外压为零。

Q0范氐气体分子间有引力。体积增大分子间势能增

加，为了保持温度不变，必须从环境吸热。

U0因为从环境所吸的热使系统的热力学能增加。

H0根据焰的定义式可判断，系统的热力学能增加，

焙值也增加。

(3)W0放出的氢气推动活塞，系统克服外压对环境作功。

Q0反应是放热反应。

u0系统既放热又对外作功，热力学能下降。

H0因为这是不做非膨胀功的等压反应，H=QPo

（4）W=0在刚性容器中是恒容反应，不作膨胀功。

Q=0因为用的是绝热钢瓶

U=0根据热力学第一定律，能量守恒，热力学能不变。

H0因为是在绝热刚瓶中发生的放热反应，气体分子

数没有减少，钢瓶内温度升高，压力也增高，根据焰

的定义式可判断焰值是增加的。

（5）W0常温、常压下水结成冰，体积变大，系统克服外

压对环境作功。

Q0水结成冰是放热过程。

U0系统既放热又对外作功，热力学能下降。

H0因为这是等压相变，H=Qpo

6.在相同的温度和压力下，一定量氢气和氧气从四种不同的途径生

成水：（1）氢气在氧气中燃烧；（2）爆鸣反应；（3）氢氧热爆炸；（4）

氢氧燃料电池。在所有反应中，保持反应始态和终态都相同，请问这

四种变化途径的热力学能和焙的变化值是否相同？

答：应该相同。因为热力学能和焰是状态函数，只要始终态相同，无

论通过什么途径，其变化值一定相同。这就是：异途同归，值变相等。

7.一定量的水，从海洋蒸发变为云，云在高山上变为雨、雪，并凝

结成冰。冰、雪熔化变成水流入江河，最后流入大海，一定量的水又

回到始态。问历经整个循环，水的热力学能和焰的变化是多少？

答：水的热力学能和焰的变化值都为零。因为热力学能和焰是状态函

数，不论经过怎样的循环，其值都保持不变。这就是：周而复始，数

值还原。

8.298K,101.3kPa压力下，一杯水蒸发为同温、同压的气是不可

逆过程，试将它设计成可逆过程。

答：可逆过程(1)：绕到沸点

H2O(/,298K.101.3kPa)------------------------►H2O(^,298K,101.3kPa)

iL

♦

H2O(/,373K,101.3kPa)-----------------------►H2O(^,373K,101.3kPa)

或可逆过程(2)：绕到饱和蒸气压

H2O(7,298K,101.3kPa)------------------------H2O(ir.298K,101,3kPa)

H2O(/,298K,ps)----------------------------------aH2O(^,298K,ps)

二、概念题

题号12345678

选项DCBAADCC

题号9116

选项BBABCCDB

1.对于理想气体的热力学能有下述四种理解:

(1)状态一定，热力学能也一定

(2)对应于某一状态的热力学能是可以直接测定的

(3)对应于某一状态，热力学能只有一个数值，不可能有两个或两

个以上的数值

(4)状态改变时，热力学能一定跟着改变

其中都正确的是()。

(A)(1),(2)(B)(3),(4)(C)(2),(4)(D)

(1),(3)

答：(D)热力学能是状态的单值函数，其绝对值无法测量。

2.有一高压钢筒，打开活塞后气体喷出筒外，当筒内压力与筒外压

力相等时关闭活塞，此时筒内温度将()o

(A)不变(B)升高(C)降低(D)

无法判定

答：(C)气体膨胀对外作功，热力学能下降。

3.有一真空钢筒，将阀门打开时，大气(视为理想气体)冲入瓶内，

此时瓶内气体的温度将()。

(A)不变(B)升高(C)降低(D)无

法判定

答：(B)大气对系统作功，热力学能升高。

4.1mol373K、标准压力下的水分别经历：(1)等温、等压可逆蒸

发；(2)真空蒸发，

变成373K、标准压力下的水气。这两个过程中功和热的关系为

()o

(A)WKW2sQ。Q2(B)W2>Q.<Q2

(C)W,=W2.Q尸Q2(D)W,>W2>QKQ2

答：(A)过程(1)中，系统要对外作功，相变所吸的热较多。

5.在一个密闭绝热的房间里放置一台电冰箱，将冰箱门打开，并接

通电源使其工作，过一段时间之后，室内的平均气温将如何变化

（）?

（A）升高（B）降低（C）不变（D）不

一定

答：（A）对冰箱作的电功全转化为热了。

6.凡是在孤立系统中进行的变化,其△U和△H的值一定是（）。

（A）AU>0,AE>0（B）AU=0,AH=0

（C）AU<0,All<0（D）AU=0,AH不

确定

答：（D）热力学能是能量的一种，符合能量守衡定律，在孤立系统

中热力学能保持不变。而焰虽然有能量单位，但它不是能量，不符合

能量守衡定律。例如，在绝热钢瓶里发生一个放热的气相反应，AH

可能回大于零。

7.理想气体向真空绝热膨胀后，他的温度将（

（A）升高（B）降低（C）不变（D）不

一定

答：（C）对于理想气体而言，内能仅仅是温度的单值函数，经真空绝

热膨胀后，内能不变，因此体系温度不变。

8.某气体的状态方程pVm=RT+bp（b是大于零的常数），此气体向真

空绝热膨胀，温度将（）。

（A）升高（B）降低（C）不变（D）不

一定

答：(C)由气体状态方程pV=RT+bp可知此实际气体的内能只是温

度的函数，经真空绝热膨胀后，内能不变，因此体系温度不变(状态

方程中无压力校正项，说明该气体膨胀时，不需克服分子间引力，所

以恒温膨胀时，热力学能不变)。

9.公式II=Q0适用于哪个过程()o

273K.l00W

(A)理想气体绝热等外压膨胀(B)ILO(s)<====讥0

(7)

(C)Cu2+(aq)+2e--Cu(s)(D)理想气体等温可逆膨

胀

答：(B)式适用于不作非膨胀功的等压过程。

10.某理想气体的y=CP/Cv=l.40,则该气体为几原子分子()？

(A)单原子分子(B)双原子分子(C)三原子分子(D)

四原子分子

(B)1.40=Z,C\,=*RC=ZR,这是双原子分子的特征。

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11.当以5molV气与4molCh气混合,最后生成2molHC1气。

若以下式为基本单元，

H2(g)+Cl(g)-2HC(g)则反应进度［应是()o

(A)1mol(B)2mol

(C)4mol(D)5mol

答：(A)反应进度&T二等'-1

12.欲测定有机物燃烧热Q,般使反应在氧弹中进行，实测得热效应

为Q、,公式Q尸Qv+AnuRT中的△口为()。

(A)生成物与反应物总物质的量之差

(B)生成物与反应物中气相物质的量之差

(C)生成物与反应物中凝聚相物质的量之差

(D)生成物与反应物的总热容差

答：(B)An^RT一项来源于△(pV)一项，若假定气体是理想气体,

在温度不变时△(pV)就等于AngRTo

13.下列等式中正确的是()。

(A)AfW®(H2O,1)=\W,?(O2,g)(B)AfH^(H2O,g)=AcH®(02,g)

(C)AfW©(H2O,1)=\H©(H2,g)(D)Af//®(H2O,g)=AcH©(H2,g)

答：(C)在标准态下，有稳定单质生成Imol物质B产生的热效应为

该物质B的摩尔生成焰；在标准态下，Imol物质B完全燃烧产生的

热效应为该物质B燃烧焰，故有△冉寅氏。，1)=4//§(耳，g)°

14.298K时，石墨的标准摩尔生成焰A"?()o

(A)大于零(B)小于零