题目
在下列过程中,Delta G = Delta F 的是A. 液体等温蒸发B. 气体绝热可逆膨胀C. 理想气体在等温下混合D. 等温等压下的化学反应
在下列过程中,$\Delta G = \Delta F$ 的是
A. 液体等温蒸发
B. 气体绝热可逆膨胀
C. 理想气体在等温下混合
D. 等温等压下的化学反应
题目解答
答案
C. 理想气体在等温下混合
解析
本题考查对吉布斯自由能变$\Delta G$和亥姆霍兹自由能变$\Delta F$关系的理解以及不同过程中这两个物理量的计算。解题的关键在于明确$\Delta G$和$\Delta F$的定义式$\Delta G=\Delta H - T\Delta S$和$\Delta F=\Delta U - T\Delta S$,然后分析每个选项中过程的特点,计算$\Delta H$、$\Delta U$、$\Delta S$,进而判断$\Delta G$和$\Delta F$是否相等。
选项A:液体等温蒸发
- 液体等温蒸发过程中,$\Delta H = Q_p\gt0$(蒸发是吸热过程),$\Delta U=\Delta H - p\Delta V$,由于液体变为气体体积增大$\Delta V\gt0$,所以$\Delta U\lt\Delta H$。
- 根据$\Delta G=\Delta H - T\Delta S$和$\Delta F=\Delta U - T\Delta S$,因为$\Delta H\neq\Delta U$,所以$\Delta G\neq\Delta F$。
选项B:气体绝热可逆膨胀
- 绝热可逆过程$Q = 0$,根据热力学第一定律$\Delta U=Q + W=W$,且绝热可逆过程$pV^{\gamma}=C$($\gamma$为绝热指数,$C$为常数)。
- 此过程中$\Delta H=\Delta U+\Delta(pV)$,由于膨胀过程$\Delta(pV)\neq0$,所以$\Delta H\neq\Delta U$。
- 再由$\Delta G=\Delta H - T\Delta S$和$\Delta F=\Delta U - T\Delta S$,可得$\Delta G\neq\Delta F$。
选项C:理想气体在等温下混合
- 理想气体等温混合过程,$\Delta U = 0$(理想气体分子间无相互作用力,内能只与温度有关,温度不变则内能不变),$\Delta H = 0$(同理,焓也只与温度有关)。
- 根据$\Delta G=\Delta H - T\Delta S=0 - T\Delta S=-T\Delta S$,$\Delta F=\Delta U - T\Delta S=0 - T\Delta S=-T\Delta S$,所以$\Delta G=\Delta F$。
选项D:等温等压下的化学反应
- 等温等压下化学反应$\Delta H = Q_p$,一般情况下化学反应会有热效应$\Delta H\neq0$,$\Delta U=\Delta H - p\Delta V$,$\Delta V$可能不为零,所以$\Delta H\neq\Delta U$。
- 由$\Delta G=\Delta H - T\Delta S$和$\Delta F=\Delta U - T\Delta S$,可知$\Delta G\neq\Delta F$。