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=RTVbaV2p=\frac{R T}{V-b}-\frac{a}{V^2}, 如果它的内能由 u=cTaVu=c T-\frac{a}{V} ( 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 cVc_Vcpc_p

解:

cV=(uT)V=ccp=(uT)p+p(VT)p=(uT)V+[(uV)T+p](VT)p=c+(aV2+p)(VT)p\begin{gathered} c_V=\left(\frac{\partial u}{\partial T}\right)_V=c \\ c_p=\left(\frac{\partial u}{\partial T}\right)_p+p\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p=\left(\frac{\partial u}{\partial T}\right)_V+\left[\left(\frac{\partial u}{\partial V}\right)_T+p\right]\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p=c+\left(\frac{a}{V^2}+p\right)\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p \end{gathered}

由范德瓦耳斯方程

(p+aV2)(Vb)=RT\left(p+\frac{a}{V^2}\right)(V-b)=R T

求得

(VT)p=RpaV2+2abV3\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p=\frac{R}{p-\frac{a}{V^2}+\frac{2 a b}{V^3}}

因此

cp=c+R(p+aV2)paV2+2abV3=c+R12a(Vb)2RTV3c_p=c+\frac{R\left(p+\frac{a}{V^2}\right)}{p-\frac{a}{V^2}+\frac{2 a b}{V^3}}=c+\frac{R}{1-\frac{2 a(V-b)^2}{R T V^3}}

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=aVT4U=a V T^4, 以及 P=13aT4P=\frac{1}{3} a T^4 ,其中 a 为常数。试证明平衡辐射的可逆绝热过程满足 T3V=T^3 V= 常量

证明:

dS=dU+pdVTd S=\frac{d U+p d V}{T}dS=1Td(aT4V)+13aT3dV=43ad(VT3)d S=\frac{1}{T} d\left(a T^4 V\right)+\frac{1}{3} a T^3 d V=\frac{4}{3} a d\left(V T^3\right)

所以, 积分得 S=43aVT3S=\frac{4}{3} a V T^3, 没有积分常量。

可逆绝热过程的熵不变, 所以 T3V=T^3 V= 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:

P=13aT4P=\frac{1}{3} a T^4, 平衡辐射等温过程也是等压过程, 又由于 T3V=T^3 V= 常量

我们可以得到 pV43=Cp V^{\frac{4}{3}}=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(S2S1)Q_1=T_1\left(S_2-S_1\right)
由状态 C 等温压缩至状态 D, 平衡辐射放热 Q2=T2(S2S1)Q_2=T_2\left(S_2-S_1\right)
循环过程工作物质做功 W=Q1Q2W=Q_1-Q_2
所以效率 η=WQ1=1T2T1\eta=\frac{W}{Q_1}=1-\frac{T_2}{T_1}

(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:

121 \rightarrow 2 绝热过程, T2T1=(V1V2)γ1;34\frac{T_2}{T_1}=\left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{\gamma-1}; 3 \rightarrow 4 绝热过程, T3T4=(V1V2)γ1\frac{T_3}{T_4}=\left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{\gamma-1}.

T2T1=T3T4=T3T2T4T1\frac{T_2}{T_1}=\frac{T_3}{T_4}=\frac{T_3-T_2}{T_4-T_1}

232 \rightarrow 3 等容过程, Q1=CV(T3T2);41Q_1=C_V\left(T_3-T_2\right) ; 4 \rightarrow 1 等容过程, Q2=CV(T4T1)Q_2^{\prime}=C_V\left(T_4-T_1\right).

η=Q1Q2Q1=1Q2Q1=1T4T1T3T2=1T1T2=1(V2V1)γ1=11rγ1\eta=\frac{Q_1-Q_2^{\prime}}{Q_1}=1-\frac{Q_2^{\prime}}{Q_1}=1-\frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}=1-\frac{T_1}{T_2}=1-\left(\frac{V_2}{V_1}\right)^{\gamma-1}=1-\frac{1}{r^{\gamma-1}}

r=V1V2r=\frac{V_1}{V_2}, 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=RT(Vb)exp(aVRT)p=\frac{R T}{(V-b)} \exp \left(-\frac{a}{V R T}\right)
(1) 求该气体的体膨胀系数 α\alpha.

解:

由范式气体物态方程得

dp=exp(aVRT)(1+aVRT)RdT(Vb)dV(RT(Vb)2+a(Vb)V2)exp(aVRT)d p=\exp \left(-\frac{a}{V R T}\right)\left(1+\frac{a}{V R T}\right) \frac{R d T}{(V-b)}-d V\left(\frac{R T}{(V-b)^2}+\frac{a}{(V-b) V^2}\right) \exp \left(-\frac{a}{V R T}\right)

所以

α=1V(VT)p=(1+aVRT)(VT(Vb)+aVR)1\alpha=\frac{1}{V}\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_p=\left(1+\frac{a}{V R T}\right)\left(\frac{V T}{(V-b)}+\frac{a}{V R}\right)^{-1}

(2) 求 (UV)T\left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)_T

解:

(UV)T=T(pT)Vp=aV(Vb)exp(aVRT)\left(\frac{\partial U}{\partial V}\right)_T=T\left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_V-p=\frac{a}{V(V-b)} \exp \left(-\frac{a}{V R T}\right)

(3) 处于 0C0^{\circ} \mathrm{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=RT0P_0 V_0 = RT_0 , 末态:P10V0=RTP \cdot 10 V_0 = RT

p0V0γ=p(10V0)γ,p0V0V0γ1=p(10V0)(10V0)γ1RT0V0γ1=RT(10V0)γ1,T0V0γ1=T10γ1V0γ1T=101γT0,ΔT=TT0=101γT0T0=T0(101γ1)ΔT=T0(101γ1)=(101γ1)×273.15( K)\begin{gathered} p_0 V_0^\gamma=p\left(10 V_0\right)^\gamma, \quad p_0 V_0 \cdot V_0^{\gamma-1}=p \cdot\left(10 V_0\right) \cdot\left(10 V_0\right)^{\gamma-1} \\ R T_0 \cdot V_0^{\gamma-1}=R T \cdot\left(10 V_0\right)^{\gamma-1}, \quad T_0 \cdot V_0^{\gamma-1}=T \cdot 10^{\gamma-1} \cdot V_0^{\gamma-1} \\ T=10^{1-\gamma} \cdot T_0, \quad \Delta T=T-T_0=10^{1-\gamma} \cdot T_0-T_0=T_0\left(10^{1-\gamma}-1\right) \\ \Delta T=T_0\left(10^{1-\gamma}-1\right)=\left(10^{1-\gamma}-1\right) \times 273.15(\mathrm{~K}) \end{gathered}

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\mathrm{P}_APB\mathrm{P}_B 。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=nRTPAV_A=\frac{n R T}{P_A}VB=nRTPBV_B=\frac{n R T}{P_B}, 最终体积变为 VA+VBV_A+V_B,
最终压强 pF=2nRTVA+VB=2pApB(pA+pB)p_F=\frac{2 n R T}{V_A+V_B}=\frac{2 p_A p_B}{\left(p_A+p_B\right)}

等温膨胀过程 ΔU=ΔW+ΔQ=0\Delta U=\Delta W+\Delta Q=0,

所以 ΔQ=ΔW\Delta Q=-\Delta W

ΔW=ΔWA+ΔWB=(nRTPAnRTpFnRTVdV)+(nRTPBnRTpRnRTVdV)=nRTln((pA+pB)24pApB)\Delta W=\Delta W_A+\Delta W_B=\left(-\int_{\frac{n R T}{P_A}}^{\frac{n R T}{p_F}} \frac{n R T}{V} d V\right)+\left(-\int_{\frac{n R T}{P_B}}^{\frac{n R T}{p_R}} \frac{n R T}{V} d V\right)=-n R T \ln \left(\frac{\left(p_A+p_B\right)^2}{4 p_A p_B}\right)

所以 ΔS=ΔQ/T=ΔW/T=nRln((pA+pB)24pApB)0\Delta S=\Delta Q / T=-\Delta W / T=n R \ln \left(\frac{\left(p_A+p_B\right)^2}{4 p_A p_B}\right) \geq 0

因为 (pA+pB)24pApB\left(p_A+p_B\right)^2 \geq 4 p_A p_B

五、

(1)利用麦氏关系等办法, 证明

A.(Tp)H=T(VH)pV(TH)pA. \left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_H=T\left(\frac{\partial V}{\partial H}\right)_p-V\left(\frac{\partial T}{\partial H}\right)_p

B.(TS)H=TCpT2V(VH)pB. \left(\frac{\partial T}{\partial S}\right)_H=\frac{T}{C_p}-\frac{T^2}{V}\left(\frac{\partial V}{\partial H}\right)_p

C.χT/χS=CH/CMC.\chi_T / \chi_S=C_\mathscr{H} / C_\mathscr{M}

其中 χT=(MH)T\chi_T=\left(\frac{\partial \mathscr{M}}{\partial \mathscr{\mathscr {H }}}\right)_TχS=(MH)S\chi_S=\left(\frac{\partial \mathscr{M}}{\partial \mathscr{H}}\right)_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)(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\mathrm{d} H=T \mathrm{~d} S+V \mathrm{~d} p

改写为

dS=1T dHVT dp,\mathrm{d} S=\frac{1}{T} \mathrm{~d} H-\frac{V}{T} \mathrm{~d} p,

相应的麦克斯韦关系为

((1T)p)H=((VT)H)p,\left(\frac{\partial\left(\frac{1}{T}\right)}{\partial p}\right)_H=-\left(\frac{\partial\left(\frac{V}{T}\right)}{\partial H}\right)_p,

即有

1T2(Tp)H=1T(VH)p+VT2(TH)p.-\frac{1}{T^2}\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_H=-\frac{1}{T}\left(\frac{\partial V}{\partial H}\right)_p+\frac{V}{T^2}\left(\frac{\partial T}{\partial H}\right)_p .

(T2)\left(-T^2\right) 乘两边, 即得

(Tp)H=T(VH)pV(TH)p.\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_H=T\left(\frac{\partial V}{\partial H}\right)_p-V\left(\frac{\partial T}{\partial H}\right)_p .

B.

(TS)H=(T,H)(S,H)=(T,H)(S,p)(S,p)(S,H)=[(TS)p(Hp)S(Tp)S(HS)p](pH)S=TCp+(Tp)S(pS)H\begin{aligned} \left(\frac{\partial T}{\partial S}\right)_H & =\frac{\partial(T, H)}{\partial(S, H)}=\frac{\partial(T, H)}{\partial(S, p)} \cdot \frac{\partial(S, p)}{\partial(S, H)} \\ & =\left[\left(\frac{\partial T}{\partial S}\right)_p\left(\frac{\partial H}{\partial p}\right)_S-\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_S\left(\frac{\partial H}{\partial S}\right)_p\right]\left(\frac{\partial p}{\partial H}\right)_S \\ & =\frac{T}{C_p}+\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_S\left(\frac{\partial p}{\partial S}\right)_H \end{aligned}

(pS)H=TV.\left(\frac{\partial p}{\partial S}\right)_H=-\frac{T}{V} .

又由麦克斯韦关系

(Tp)S=(VS)p\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_S=\left(\frac{\partial V}{\partial S}\right)_p

上式右方可进一步变化为

(VS)p=(VH)p(HS)p=T(VH)p\begin{aligned} \left(\frac{\partial V}{\partial S}\right)_p & =\left(\frac{\partial V}{\partial H}\right)_p\left(\frac{\partial H}{\partial S}\right)_p \\ & =T\left(\frac{\partial V}{\partial H}\right)_p \end{aligned}

(Tp)S=T(VH)p\left(\frac{\partial T}{\partial p}\right)_S=T\left(\frac{\partial V}{\partial H}\right)_p

代入即得

(TS)H=TCpT2V(VH)p.\left(\frac{\partial T}{\partial S}\right)_H=\frac{T}{C_p}-\frac{T^2}{V}\left(\frac{\partial V}{\partial H}\right)_p .

C.

CHCM=T(ST)HT(ST)M=(ST)H(ST)M=(SH)T(HT)S(SM)T(MT)S,\frac{C_H}{C_M}=\frac{T\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_H}{T\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_M}=\frac{\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_H}{\left(\frac{\partial S}{\partial T}\right)_M}=\frac{-\left(\frac{\partial S}{\partial \mathscr{H}}\right)_T\left(\frac{\partial \mathscr{H}}{\partial T}\right)_S}{-\left(\frac{\partial S}{\partial \mathscr{M}}\right)_T\left(\frac{\partial \mathscr{M}}{\partial T}\right)_S},

利用

(HT)S=1/(TH)S,1/(SM)T=(MS)T,\left(\frac{\partial \mathscr{H}}{\partial T}\right)_S=1 /\left(\frac{\partial T}{\partial \mathscr{H}}\right)_S, \quad 1 /\left(\frac{\partial S}{\partial \mathscr{M}}\right)_T=\left(\frac{\partial \mathscr{M}}{\partial S}\right)_T,

CXCA=(HS)T(SH)T(MT)S(TH)S=(HH)T(HH)S=χTχS.\frac{C_X}{C_A}=\frac{\left(\frac{\partial \mathscr{H}}{\partial S}\right)_T\left(\frac{\partial S}{\partial \mathscr{H}}\right)_T}{\left(\frac{\partial \mathscr{M}}{\partial T}\right)_S\left(\frac{\partial T}{\partial \mathscr{H}}\right)_S}=\frac{\left(\frac{\partial \mathscr{H}}{\partial \mathscr{H}}\right)_T}{\left(\frac{\partial \mathscr{H}}{\partial \mathscr{H}}\right)_S}=\frac{\chi_T}{\chi_S} .

(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。