余高奇博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666 经典热力学也称平衡态热力学,研究系统由一个热力学平衡态变化至另一个热力学平衡态的准静态过程的自发性; 它是真实热力学过程发生的必要条件。

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理想气体绝热过程热力学探讨

已有 8221 次阅读 2021-8-31 18:45 |系统分类:教学心得

       由克劳修斯不等式可得:在pVT变化中,由相同始态出发,理想气体分别经绝热可逆及绝热不可逆过程膨胀至相同压力,终点不重合.

       本文拟在平衡态热力学理论框架下,通过具体的热力学计算验证该论断的合理性,仅供同行参考.

    例. 封闭体系内25 ° C100kPa1摩尔氮气反抗50kPa恒外压,绝热膨胀至系统压力为60kPa,试计算终态氮气的温度、体积;并计算该过程的热力学能变(ΔU)及体积功(WT).

    解:   1mol N2, 298.15K, 100kPa,V1 →   1mol N2, T2, 60kPa,V2           

   依题:V1nRT1/p1=1×8.314×298.15/100=24.79dm3

    因绝热膨胀,δQ=0  

     dUQWVWv      (1)

   对于理想气体: dU=nCV,m▪dT    (2)

   平衡态热力学规定:δWv= -p▪dV   (3)

    将式(2)及(3)分别代入式(1)可得: nCV,m▪dT  = -(nRT/V)▪dV    (4)  

    整理可得:TVγ-1= 常数   (5)

    式(5)中γ=Cp,m/CV,m,以下皆同.

    将理想气体状态方程代入式(5)分别可得:

     pVγ= 常数    (6)

    Tγp1-γ=常数  (7)

    式(5)、(6)及(7)成立的前提为理想气体pVT变化中绝热过程,与过程是否可逆无关.

    对于双原子分子氮气:γ=Cp,m/CV,m=3.5R/(2.5R)=1.4

    由式(7)可得:298.151.4×100-0.4=T21.4×60-0.4

    解之得:T2=257.66K

   V2=nRT2/p2=1×8.314×257.66/60=35.70dm3

   另:ΔU=nCV,m▪(T2-T1)=1×2.5×8.314×(257.66-298.15)=-0.8416kJ/mol

    依题ΔU=WV

   体积功WT=-pe▪(V2-V1)=-50×(35.70-24.79)=-0.5455kJ/mol

   由上可得:理想气体绝热过程体势变(WV)绝对值大于体积功(WT),此时系统提供给环境的多余能量将用于改变环境的熵变.

   结论:pVT变化中,理想气体由相同始态出发,分别经绝热可逆及绝热不可逆过程膨胀至相同压力,终点重合.

   备注:“可逆过程”在现阶段物化教材中出现频率过高,大多数热力学问题的讨论都无法回避. 博文中的可逆过程单纯指理想气体膨胀任一瞬间,系统压强与环境外压恒相等。 



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