1.1 试求理想气体的体胀系数,压强系数和等温压缩系数。
解:已知理想气体的物态方程为。
由此易得。
1.2 证明任何一种具有两个独立参量的物质,其物态方程可由实验测得的体胀系数及等温压缩系数,根据下述积分求得:
如果,试求物态方程。
解:以为自变量,物质的物态方程为。
其全微分为。
全式除以,有。
根据体胀系数和等温压缩系数的定义,可将上式改写为。
上式是以为自变量的完整微分,沿一任意的积分路线积分,有。
若,式(3)可表为。
选择图示的积分路线,从积分到,再积分到(),相应地体。
积由最终变到,有。
即。常量),或。
式(5)就是由所给求得的物态方程。 确定常量c需要进一步的实验数据。
1.8 满足的过程称为多方过程,其中常数名为多方指数。试证明:理想气体在多方过程中的热容量为。
解:根据式(1.6.1),多方过程中的热容量。
对于理想气体,内能u只是温度t的函数,所以。
将多方过程的过程方程式与理想气体的物态方程联立,消去压强可得。
常量3)将上式微分,有。所以。
代入式(2),即得。
其中用了式(1.7.8)和(1.7.9)。
1.14试根据热力学第二定律证明两条绝**不能相交。
解:假设在图中两条绝**交于点,如图所示。设想一等温线与。
两条绝**分别交于点和点(因为等温线的斜率小于绝**的斜率,这样的等温线总是存在的),则在循环过程中,系统在等温过程中从外界吸取热量,而在循环过程中对外做功,其数值等于三条线所围面积(正值)。循环过程完成后,系统回到原来的状态。根据热力学第一定律,有。
这样一来,系统在上述循环过程中就从单一热源吸热并将之完全转变为功了,这违背了热力学第二定律的开尔文说法,是不可能的。 因此两条绝**不可能相交。
1.16 理想气体分别经等压过程和等容过程,温度由升至。 假设是常数,试证明前者的熵增加值为后者的倍。
解:根据式(1.15.8),理想气体的熵函数可表达为。
在等压过程中温度由升到时,熵增加值为。
根据式(1.15.8),理想气体的熵函数也可表达为。
在等容过程中温度由升到时,熵增加值为。
所以。1.18 10a的电流通过一个的电阻器,历时1s。
a)若电阻器保持为室温,试求电阻器的熵增加值。
b)若电阻器被一绝热壳包装起来,其初温为,电阻器的质量为10g,比热容为问电阻器的熵增加值为多少?
解:(a)以为电阻器的状态参量。设想过程是在大气压下进行的,如果电阻器的温度也保持为室温不变,则电阻器的熵作为状态函数也就保持不变。
b)如果电阻器被绝热壳包装起来,电流产生的焦耳热将全部被电阻器吸收而使其温度由升为,所以有。
故。电阻器的熵变可参照§1.17例二的方法求出,为。
1.22 有两个相同的物体,热容量为常数,初始温度同为。今令一制冷机在这两个物体间工作,使其中一个物体的温度降低到为止。
假设物体维持在定压下,并且不发生相变。试根据熵增加原理证明,此过程所需的最小功为。
解: 制冷机在具有相同的初始温度的两个物体之间工作,将热量从物体2送到物体1,使物体2的温度降至为止。以表示物体1的终态温度,表示物体的定压热容量,则物体1吸取的热量为。
物体2放出的热量为。
经多次循环后,制冷机接受外界的功为。
由此可知,对于给定的和,愈低所需外界的功愈小。
用和分别表示过程终了后物体1,物体2和制冷机的熵变。由熵的相加性和熵增加原理知,整个系统的熵变为。
显然。因此熵增加原理要求。
或。对于给定的和,最低的为。
代入(3)式即有。
式(7)相应于所经历的整个过程是可逆过程。
国统第一章作业
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