热力学答案 第二章

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1、第二章均匀物质的热力学性质2.1　已知在体积保持不变时，一气体的压强正比于其热力学温度.试证明在温度保质不变时，该气体的熵随体积而增加.解：根据题设，气体的压强可表为（1）式中是体积的函数.由自由能的全微分得麦氏关系（2）将式（1）代入，有（3）由于，故有.这意味着，在温度保持不变时，该气体的熵随体积而增加.2.2　设一物质的物态方程具有以下形式：试证明其内能与体积无关.解：根据题设，物质的物态方程具有以下形式：（1）故有（2）但根据式（2.2.7），有　（3）所以　（4）这就是说，如果物质具有形式为（1）的物态方程，则物质的内能与体积无关，只是温度T的函数.2.3　求证：

2、　　　解：焓的全微分为（1）令，得（2）内能的全微分为（3）令，得（4）2.4　已知，求证解：对复合函数　　（1）求偏导数，有　（2）如果，即有（3）式（2）也可以用雅可比行列式证明：（2）352.5　试证明一个均匀物体的在准静态等压过程中熵随体积的增减取决于等压下温度随体积的增减.解：热力学用偏导数描述等压过程中的熵随体积的变化率，用描述等压下温度随体积的变化率.为求出这两个偏导数的关系，对复合函数　　（1）求偏导数，有　　（2）因为，所以的正负取决于的正负.式（2）也可以用雅可经行列式证明：　（2）2.6　试证明在相同的压强降落下，气体在准静态绝热膨胀中的温度降落大于在

3、节流过程中的温度降落.解：气体在准静态绝热膨胀过程和节流过程中的温度降落分别由偏导数和描述.熵函数的全微分为在可逆绝热过程中，故有（1）最后一步用了麦氏关系式（2.2.4）和式（2.2.8）.焓的全微分为在节流过程中，故有（2）最后一步用了式（2.2.10）和式（1.6.6）.将式（1）和式（2）相减，得　（3）所以在相同的压强降落下，气体在绝热膨胀中的温度降落大于节流过程中的温度降落.这两个过程都被用来冷却和液化气体.由于绝热膨胀过程中使用的膨胀机有移动的部分，低温下移动部分的润滑技术是十分困难的问题，实际上节流过程更为常用.但是用节流过程降温，气体的初温必须低于反转温度

4、.卡皮查（1934年）将绝热膨胀和节流过程结合起来，先用绝热膨胀过程使氦降温到反转温度以下，再用节流过程将氦液化.2.7　实验发现，一气体的压强与体积V的乘积以及内能U都只是温度的函数，即试根据热力学理论，讨论该气体的物态方程可能具有什么形式.解：根据题设，气体具有下述特性：（1）（2）由式（2.2.7）和式（2），有　（3）而由式（1）可得35（4）将式（4）代入式（3），有或（5）积分得或（6）式中C是常量.因此，如果气体具有式（1），（2）所表达的特性，由热力学理论知其物态方程必具有式（6）的形式.确定常量C需要进一步的实验结果.2.8　证明并由此导出根据以上两式证明

5、，理想气体的定容热容量和定压热容呈只是温度T的函数.解：式（2.2.5）给出（1）以T，V为状态参量，将上式求对V的偏导数，有（2）其中第二步交换了偏导数的求导次序，第三步应用了麦氏关系（2.2.3）.由理想气体的物态方程知，在V不变时，是T的线性函数，即所以这意味着，理想气体的定容热容量只是温度T的函数.在恒定温度下将式（2）积分，得（3）式（3）表明，只要测得系统在体积为时的定容热容量，任意体积下的定容热容量都可根据物态方程计算出来.同理，式（2.2.8）给出（4）以为状态参量，将上式再求对的偏导数，有　　（5）其中第二步交换了求偏导数的次序，第三步应用了麦氏关系（2.

6、2.4）.由理想气体的物态方程知，在不变时是的线性函数，即所以这意味着理想气体的定压热容量也只是温度T的函数.在恒定温度下将式（5）积分，得式（6）表明，只要测得系统在压强为35时的定压热容量，任意压强下的定压热容量都可根据物态方程计算出来.2.9　证明范氏气体的定容热容量只是温度T的函数，与比体积无关.解：根据习题2.8式（2）（1）范氏方程（式（1.3.12））可以表为（2）由于在V不变时范氏方程的p是T的线性函数，所以范氏气体的定容热容量只是T的函数，与比体积无关.不仅如此，根据2.8题式（3）（3）我们知道，时范氏气体趋于理想气体.令上式的，式中的就是理想气体的热容

7、量.由此可知，范氏气体和理想气体的定容热容量是相同的.顺便提及，在压强不变时范氏方程的体积与温度不呈线性关系.根据2.8题式（5）（2）这意味着范氏气体的定压热容量是的函数.2.10　证明理想气体的摩尔自由能可以表为解：式（2.4.13）和（2.4.14）给出了理想气体的摩尔吉布斯函数作为其自然变量的函数的积分表达式.本题要求出理想气体的摩尔自由能作为其自然变量的函数的积分表达式.根据自由能的定义（式（1.18.3）），摩尔自由能为（1）其中和是摩尔内能和摩尔熵.根据式（1.7.4）和（1.15.2），理想气体的摩