例子问题
例子问题1:热力学系统与量热学
一位科学家正在为一堂化学课准备一个实验,以证明热力学第二定律。为了进行实验,科学家在一月份把全班同学带到室外,准备了一杯水和一个便携式炉子。
外面的温度是零下10摄氏度。科学家要求学生在回答他的问题时考虑以下问题:
吉布斯自由能公式:
Δg = Δh - tΔs
液固水相变反应:
H2O(l)⇌H2O(s) + X
科学家准备了两种场景。
场景1:
科学家把杯子埋在外面的雪里,和他的同学们一起回到教室一个小时,然后同学们检查杯子的情况。他们发现杯子里的水已经结冰了。
场景2:
然后,科学家把冰冻的一杯水放在炉子上,启动煤气。全班同学发现水融化得很快。
在水融化后,科学家要求学生考虑两个假设的场景作为思想实验。
场景3:
一旦场景2结尾的液态水完全融化,科学家就会关闭气体并监测水的变化。尽管在寒冷的空气中,水从来不会结冰。
场景4:
科学家从场景1的末端取下冻结的水,把它放在活跃的炉子上,水保持冻结状态。
在文章中描述的这种情况下,下列哪个选项是正确的?
一杯水是系统,炉子是环境。
一杯水是系统,而雪是环境。
一杯水就是系统,而雪、火炉和宇宙的其余部分就是环境。
系统是宇宙的全部,除了用来输入能量的炉子。
这个系统由一杯水、雪和炉子组成;宇宙就是周围的环境
一杯水就是系统,而雪、火炉和宇宙的其余部分就是环境。
吉布斯自由能方程利用了清晰描述的系统和环境。在这个例子中,水是结冰还是融化取决于条件。同时也伴随着与其他玩家的热量交换,如雪和炉子。因此,水是系统,而其他一切(严格来说,宇宙中的其他一切)构成了环境。
例子问题2:热力学系统与量热学
丙烷的燃烧由下式给出。
如果CO的生成热,CO2H2O和C3.H8分别为-110.5 kJ/mol, -393.5 kJ/mol, -241.8 kJ/mol, -103.85 kJ/mol,那么丙烷燃烧的反应热是多少?
-641.95 kj
-1477.9 kj
641.95 kj
1477.9 kj
-1477.9 kj
鉴于燃烧反应是放热,你应该期望反应热是负的(排除两个答案选择)。反应热等于生成物的生成热减去反应物的生成热。请务必参考配平的方程式,以确定每种化合物的正确摩尔数。
氧不包括在内,因为它是单质,因此它的生成热等于零。
例子问题1:热力学系统与量热学
液态己烷在298K时在空气中燃烧,生成气态二氧化碳和液态水,如反应所示。
的是.
的是.
的是.
计算为己烷液体己烷在298K的燃烧。
计算时,采用下式。记住配平的化学方程的系数必须包括在内,如图所示。还有,回忆一下任何纯元素都是零。
现在我们可以代入给定的值来解出反应的焓。
问题4:热力学系统与量热学
一个炉子要转移多少能量才能完全转化的水成蒸汽吗?
为了把水变成蒸汽,炉子必须先提高水的温度,然后提供能量来改变相。这需要两个不同的步骤。
利用方程求出提高水温度的能量.我们知道了质量,水的比热,以及温度的变化。用给定的值求出所需的热量。
现在,我们需要找出将水转化为气体所需要的能量。我们用这个方程.
最后,我们将两步的能量相加,以求得所需的总能量。
例5:热力学系统与量热学
在上述反应中,74.0g硫与多余的氧气反应会释放多少热量?转到最近的10kJ。
基本上,这是一个单位转换问题。从硫的克数开始,转换为硫的摩尔数,最后转换为释放的热量的千焦。注意给定的反应焓,,是两摩尔硫和三摩尔氧反应时释放的热量。
注意,负的反应焓意味着这个过程是放热的并且释放热量,而正的反应焓意味着这个过程是吸热的并且吸收热量。
例子问题1:热力学系统与量热学
一种未知物质的50克样品被加热到100克oC在一盆沸水里。然后迅速取出,放入装有200毫升水的绝缘罐子中,初始浓度为20毫升oC.系统的最终平衡温度是30oC.这种未知物质的比热大约是多少?
水的比热为4.187J/goC。
水的密度为1g/mL。
由于系统是孤立的,从未知物质传递出去的热量一定等于传递给水的热量。计算这些热量,使用
为了水,.
对于未知物质,
将这些值设为等于cx= 2.39 J/goC,大约2.4 J/goC。
问题61:生物化学,有机化学和其他概念
在-30的温度下改变一个50g的冰块需要多少能量oC放入50g水40oC ?根据需要使用上述数量,并四舍五入到最接近的kJ。
7 kj
22 kj
28 kj
17 kj
11 kj
28 kj
这种转变有三个不同的步骤:1)从零下30度加热冰oC到0oC, 2,在0点融化冰o3)从0开始加热水oC到40oC。
当温度发生变化时,我们使用,当有融化或冻结,我们使用.
1)
2)
3)
把这三部分加起来就得到了总焓变,它等于能量的变化。
例8:热力学系统与量热学
哪个术语正确地描述了一个与周围环境有热交换,但没有物质交换的系统?
守恒的系统
封闭的系统
开放的系统
热力学系统
孤立系统
封闭的系统
在一个封闭系统中,能量和功可以与周围的区域交换,但物质是封闭的。例如,考虑一烧杯的冰。周围的热量转移到冰上,导致冰融化,但没有物质交换。没有任何外部化合物与冰反应,也没有任何冰离开烧杯。
在开放系统中,热和物质都可以交换。在孤立系统中,既不交换热,也不交换物质。
例子问题1:热力学系统与量热学
你开始一个实验冰在.需要多少热量来融化冰并将其温度提高到?
这个过程可以分为三个阶段:冰的温度升高,冰融化成水,水的温度升高。第一步和第三步使用物质的比热来计算所需的热量,而第二步使用熔合热。
第一步和第三步:
步骤2:
我们知道水的质量,温度的变化,以及常数值。使用这些值,我们可以将每一步所需的热量相加,从而得到最终答案。
例子问题10:热力学系统与量热学
根据需要对水使用以下值。
如果燃烧的木头释放每消耗一克木材的热能是指必须消耗多少质量的木材才能加热水的来源来,然后将其转化为水蒸气?
在这个问题中,有两个过程需要增加热量:
1.提高液态水的温度来(使用)
2.把水以恒定的温度烧开(使用)
要使用这两个方程中的任何一个,我们需要用质量,密度和体积之间的关系来求出水的质量。
用这个质量和给定的比热和温度求出过程第一部分的热量。
然后,用给定汽化热的质量求出将水转化为水蒸气所需的能量。
将步骤1和步骤2的能量相加。
这是燃烧木材所需的总能量。用化学计量法求出产生这些能量所需的木头的克数。