一、热力学定律
(1)试根据热力学第二定律证明两条绝热线不能相交。
证明:
假设在P-V图中两条绝热先交于C点,设想一等温线与两条绝热线分别交于A点和B点,因为等温线斜率小于绝热线斜率,这样的 等温线总是存在。则在循环ABCA中,气体在等温过程AB中从外界吸取热量Q,在循环过程中对外做功W,其数值等于三条线所围的面积。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W=Q,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化为功了,这就违背了热力学第二定律的开尔文说法,这是不可能的。因此两条绝热线不可能相交。
(2)一摩尔范式气体满足状态方程 p=V−bRT−V2a, 如果它的内能由 u=cT−Va ( V 为摩尔体积, a 为状态方程常数之一, c 为常数)给出,计算摩尔比热 cV 和 cp 。
解:
cV=(∂T∂u)V=ccp=(∂T∂u)p+p(∂T∂V)p=(∂T∂u)V+[(∂V∂u)T+p](∂T∂V)p=c+(V2a+p)(∂T∂V)p
由范德瓦耳斯方程
(p+V2a)(V−b)=RT
求得
(∂T∂V)p=p−V2a+V32abR
因此
cp=c+p−V2a+V32abR(p+V2a)=c+1−RTV32a(V−b)2R
二、热机效率
(1)空窖辐射系统的温度为 T , 体积为 V 。已知 空窖辐射的内能 U=aVT4, 以及 P=31aT4 ,其中 a 为常数。试证明平衡辐射的可逆绝热过程满足 T3V= 常量
证明:
由 dS=TdU+pdV 得 dS=T1d(aT4V)+31aT3dV=34ad(VT3)
所以, 积分得 S=34aVT3, 没有积分常量。
可逆绝热过程的熵不变, 所以 T3V= 常量
(2)以平衡辐射为工作物质的卡诺循环,请画出 P-V 图并计算其效率。
解:
由 P=31aT4, 平衡辐射等温过程也是等压过程, 又由于 T3V= 常量
我们可以得到 pV34=C (常量),因此可以得到下面的平衡辐射可逆卡诺循环的 P - V 图

计算热机的效率用下面给出的 T-S 图更方便,

由状态 A 等温膨胀至状态 B , 平衡辐射吸热 Q1=T1(S2−S1)
由状态 C 等温压缩至状态 D, 平衡辐射放热 Q2=T2(S2−S1)
循环过程工作物质做功 W=Q1−Q2
所以效率 η=Q1W=1−T1T2
(3)奥托循环的理想循环由两个绝热过程和两个等容过程组成,求该循环热机的效率 (已知 V1 和 V2)。
解:
1→2 绝热过程, T1T2=(V2V1)γ−1;3→4 绝热过程, T4T3=(V2V1)γ−1.
T1T2=T4T3=T4−T1T3−T2
2→3 等容过程, Q1=CV(T3−T2);4→1 等容过程, Q2′=CV(T4−T1).
η=Q1Q1−Q2′=1−Q1Q2′=1−T3−T2T4−T1=1−T2T1=1−(V1V2)γ−1=1−rγ−11
r=V2V1, 为压缩比
三、热力学性质
已知某单位摩尔气体满足物态方程 p=(V−b)RTexp(−VRTa) 。
(1) 求该气体的体膨胀系数 α.
解:
由范式气体物态方程得
dp=exp(−VRTa)(1+VRTa)(V−b)RdT−dV((V−b)2RT+(V−b)V2a)exp(−VRTa)
所以
α=V1(∂T∂V)p=(1+VRTa)((V−b)VT+VRa)−1
(2) 求 (∂V∂U)T
解:
(∂V∂U)T=T(∂T∂p)V−p=V(V−b)aexp(−VRTa)
(3) 处于 0∘C 的理想气体, 绝热膨胀到原来体积的 10 倍, 计算气体温度的变化。
解:
初态: P0V0=RT0 , 末态:P⋅10V0=RT
p0V0γ=p(10V0)γ,p0V0⋅V0γ−1=p⋅(10V0)⋅(10V0)γ−1RT0⋅V0γ−1=RT⋅(10V0)γ−1,T0⋅V0γ−1=T⋅10γ−1⋅V0γ−1T=101−γ⋅T0,ΔT=T−T0=101−γ⋅T0−T0=T0(101−γ−1)ΔT=T0(101−γ−1)=(101−γ−1)×273.15( K)
四、熵变
有 A 和 B 两个容器, 每个容器内装有 n 摩尔相同的理想气体。初始两个容器彼此孤立,气体温度都为 T , 压强分别为 PA 和 PB 。现将隔开气体的隔板抽走, 求建立起平衡之后系统的熵变,并证明此熵变不是负值。
解:
初始容器中气体体积分别为 VA=PAnRT 和 VB=PBnRT, 最终体积变为 VA+VB,
最终压强 pF=VA+VB2nRT=(pA+pB)2pApB
等温膨胀过程 ΔU=ΔW+ΔQ=0,
所以 ΔQ=−ΔW
而 ΔW=ΔWA+ΔWB=(−∫PAnRTpFnRTVnRTdV)+(−∫PBnRTpRnRTVnRTdV)=−nRTln(4pApB(pA+pB)2)
所以 ΔS=ΔQ/T=−ΔW/T=nRln(4pApB(pA+pB)2)≥0
因为 (pA+pB)2≥4pApB
五、
(1)利用麦氏关系等办法, 证明
A.(∂p∂T)H=T(∂H∂V)p−V(∂H∂T)p
B.(∂S∂T)H=CpT−VT2(∂H∂V)p
C.χT/χS=CH/CM
其中 χT=(∂H∂M)T 与 χS=(∂H∂M)S 分别代表等温与绝热磁化率
解:
A.
注意到待证公式是以 (H,p) 为独立变量, 故最好将热力学基本微分方程的另一形式
dH=T dS+V dp
改写为
dS=T1 dH−TV dp,
相应的麦克斯韦关系为
(∂p∂(T1))H=−(∂H∂(TV))p,
即有
−T21(∂p∂T)H=−T1(∂H∂V)p+T2V(∂H∂T)p.
用 (−T2) 乘两边, 即得
(∂p∂T)H=T(∂H∂V)p−V(∂H∂T)p.
B.
(∂S∂T)H=∂(S,H)∂(T,H)=∂(S,p)∂(T,H)⋅∂(S,H)∂(S,p)=[(∂S∂T)p(∂p∂H)S−(∂p∂T)S(∂S∂H)p](∂H∂p)S=CpT+(∂p∂T)S(∂S∂p)H
有
(∂S∂p)H=−VT.
又由麦克斯韦关系
(∂p∂T)S=(∂S∂V)p
上式右方可进一步变化为
(∂S∂V)p=(∂H∂V)p(∂S∂H)p=T(∂H∂V)p
则
(∂p∂T)S=T(∂H∂V)p
代入即得
(∂S∂T)H=CpT−VT2(∂H∂V)p.
C.
CMCH=T(∂T∂S)MT(∂T∂S)H=(∂T∂S)M(∂T∂S)H=−(∂M∂S)T(∂T∂M)S−(∂H∂S)T(∂T∂H)S,
利用
(∂T∂H)S=1/(∂H∂T)S,1/(∂M∂S)T=(∂S∂M)T,
则
CACX=(∂T∂M)S(∂H∂T)S(∂S∂H)T(∂H∂S)T=(∂H∂H)S(∂H∂H)T=χSχT.
(2)推导证明,顺磁固体绝热条件下,随着外界磁场的减少,温度将降低。并给出其可逆绝热过程的过程方程。