$$(CO2)?213.74 J?K?1?mol?1, Sm(C6H12O6)?212.0 J?K?1?mol?1,Sm$$Sm(H2O,l)?69.91 J?K?1?mol?1,Sm(O2,g)?205.14 J?K?1?mol?1
解:要计算最大的广义电功,实际是计算1mol葡萄糖在燃烧时的摩尔反应Gibbs自由能的变化值。葡萄糖的燃烧反应为
C6H12O6(s)?6O2(g)?6CO2(g)?6H2O(l)
$$?rHm(C6H12O6)??cHm(C6H12O6)??2 808 kJ?mol?1
$$?rSm(C6H12O6)???BSm(B)
B??6?213.74?6?69.91?6?205.14?212.0?J?K?1?mol?1
?259.06 J?K?1?mol?1
$$$?rGm(C6H12O6)??rHm(C6H12O6)?T?rSm(C6H12O6)
?(?2 808?298?259.06?10?3) kJ?mol?1
??2 885 kJ?mol?1
9.某化学反应,若在298 K和标准压力下进行,放热 40?00 kJ,若使该反应通过可逆电池来完成,在与化学反应的始、终态相同时,则吸热 4?00 kJ。试计算:
$ (1) 该化学反应的?rSm。
(2) 当该反应自发进行,不做电功时的环境熵变,及隔离系统的熵变。 (3) 计算系统可能做的最大电功。
解: (1) 化学反应能自发进行,说明是一个不可逆过程,不能用它的热效应来计算熵变,要利用始终态相同的可逆电池的热效应来计算熵变,所以
QR4.00 kJ?mol?1?rSm(系统)???13.42 J?K?1?mol?1
T298 K (2) 系统在化学反应中的不可逆放热,环境可以按可逆的方式来接收,所
以
?Q系统40.0 kJ?mol?1?rSm(环)???134.2 J?K?1?mol?1
T298 K?rSm(隔离)??rSm(系统)??rSm(环)?147.6 J?K?1?mol?1
(3) 在可逆电池中,系统可能做的最大电功在数值上就等于?rGm,所以
?rGm??rHm?T?rSm
?(?40.0?4.00) kJ?mol?1??44.0 kJ?mol?1
Wf,max????rGm??44.0 kJ
10.在 298 K的等温情况下,两个容器中间有旋塞连通,开始时一边放0.2 mol
O2(g),压力为 20 kPa,另一边放0.8 mol N2(g),压力为 80 kPa,打开旋塞后,两气体相互混合,设气体均为理想气体。试计算: (1) 终态时容器中的压力。
(2) 混合过程的Q,W,?mixU,?mixS和?mixG。
(3) 如果在等温下,可逆地使气体分离,都恢复原状,计算过程的Q和W。
解: (1) 首先计算旋塞两边容器的体积,然后得到两个容器的总体积,就能计算最终混合后的压力
V1?n1RT?0.2?8.314?298?33???m?0.025 m 3p120?10??n2RT?0.8?8.314?298?33??m?0.025 m ?3p280?10??(n1?n2)RT?1.0?8.314?298????Pa?50 kPa
V1?V20.050??V2?p终? (2) 理想气体的等温混合过程,
?mixU?0,?mixH?0,混合时没有热效应,Q?0,所以W?0。
事实上,将两种气体看作系统,没有对环境做功,所以W?0。
?mixS??R?nBlnxB
B?11??????8.314??0.2?ln?0.8?ln?? J?K?1?5.76 J?K?1
22?????mixG??mixH?T?mixS??T?mixS
??298 K?5.76 J?K?1??1 716 J
(3) QR??T?mixS??298 K?5.76 J?K?1??1 716 J
?mixU?0,W??QR?1 716 J
11. 1mol 理想气体,在273 K等温可逆地从1000 kPa膨胀到100 kPa,试
计算此过程的Q,W以及气体的ΔU,ΔH,ΔS,ΔG和ΔA。
解:理想气体等温可逆膨胀,ΔU = 0 ,ΔH =0,
W?nRTlnp2??5.23 kJ p1Q??W?5.23 kJ
QR5.23?103J?vapSm???19.16 J?K?1
T273 K?G??A??T?S?Wmax??5.23 kJ
12.在300 K时,将1 mol理想气体,压力从100 kPa经等温可逆压缩到1 000
kPa,计算Q,W,?U,?H,?S,?A和?G。
解:理想气体的等温物理变化,?U?0,?H?0
Wmax?nRTlnp2 p11 000????1?8.314?300?ln? J?5.74 kJ
100??Q??Wmax??5.74 kJ ?A??G?Wmax?5.74 kJ
QR?Wmax?5.74?103??1?1?S??????J?K??19.1 J?K
TT300??13.1mol 单原子分子理想气体,始态温度为273 K,压力为p。分别经下列三种可逆变化:①恒温下压力加倍;②恒压下体积加倍;③恒容下压力加倍。分别计算其Gibbs自由能的变化值?G。假定在273 K和标准压力下,该气体的摩
$尔熵Sm?100 J?K?1?mol?1。
解:①这是一个等温改变压力的可逆过程,
?G??Vdp?nRTlnp1p2p2 p12????1?8.314?273?ln? J?1.573 kJ
1??②在恒压下体积加倍,则温度也加倍,T2?2T1,根据Gibbs自由能的定义式,
?G??H??(TS)
?H??CpdT?T1T25R(T2?T1) 2?5????8.314?273? J?5.674 kJ ?2??S?nCp,mlnT2 T1?5???1??8.314?ln2? J?K?1?14.41 J?K?1 ?2?S2?S1??S?114.4 J?K?1
?G??H?(T2S2?T1S1)
?5.674 kJ?(2?273?114.4?273?100) J??29.49 kJ
③恒容下压力加倍,T2?2T1
?S?nCV,mlnT2 T1?3???1??8.314?ln2? J?K?1?8.64 J?K?1 ?2?S2?S1??S?108.6 J?K?1所以
?G??H?(T2S2?T1S1)
?5.674 kJ?(2?273?108.6?273?100) J??26.32 kJ
14.在 373 K 及101?325 kPa条件下,将2 mol 水可逆蒸发为同温、同压的
蒸气。计算此过程的Q,W,?U,?H和?S。已知水的摩尔汽化焓
?vapHm?40.68 kJ?mol?1。假设水气可作为理想气体,忽略液态水的体积。
解:Q??H?n?vapHm?(2?40.68) kJ?81.36 kJ
W??pe?V??pe(Vg?Vl)??peVg??nRT
??(2?8.314?373?10?3) kJ??6.20 kJ
?U?Q?W?(81.36?6.20) kJ?75.16 kJ
QR?H?81.36?103??1?1?S?????J?K?218.1 J?K
TT373??15.在一玻璃球中封入1mol H2O(l),压力为101.3 kPa,温度为373 K。将玻
璃球放入一个真空容器中,真空容器恰好能容纳 1mol 101.3 kPa,373 K的H2O(g)。设法将小球击破,水全部汽化成101.3 kPa,373 K的水蒸气。计算Q,W,ΔU,ΔH,ΔS,ΔG,ΔA。根据计算结果说明,这一过程是自发的吗?可以用哪一个热力学性质作为判据?已知水在101.3 kPa,373 K 时的摩尔汽化焓
$。 ?vapHm(H2O,l)?40.68 kJ?mol?1。
解: H2O(l) 向真空汽化,W?0
这是一个与可逆相变始终态相同的过程,所以?G?0
$?H?n?vapHm(H2O,l)?1mol?40.68 kJ?mol?1?40.68 kJ
Q??U??H??(pV)??H??nRT
?(40.68?1?8.314?373?10?3)kJ?37.58 kJ
QR40.68 kJ??109.1 J?K?1 T373 K ?A??U?T?S
?S??(37.58?40.68) kJ??3.10 kJ
或 ?A?Wmax???nRT??(1?8.314?373) J??3.10 kJ
该过程是恒温、恒容过程,故可用ΔA作判据,因为ΔA< 0,故该过程是自发的不可逆过程。当然,也可以用?Siso作为判据,
?Ssis??SsurQR40.68 kJ??109.1 J?K?1 T373 K?QI37.58 kJ?????100.7 J?K?1 T373 K?Siso??Ssys??Ssur
?(109.1?100.7)J?K?1?8.4J?K?1>0
所以,水的真空蒸发过程是自发的不可逆过程。
16.1 mol理想气体,在122 K等温的情况下反抗恒定外压,从10 dm3膨胀到终态。已知在该过程中,系统的熵变为19.14 J?K?1,求该膨胀过程系统反抗的外压pe,终态的体积V2,并计算:ΔU,ΔH,ΔA,ΔG,环境熵变?Ssur和孤立系统熵变?Siso。