题目
1mol水蒸气(H2O,g)在100℃,101.325kPa下全部凝结成液态水。求过程的功。
1mol水蒸气(H2O,g)在100℃,101.325kPa下全部凝结成液态水。求过程的功。
题目解答
答案
3.102kJ
解析
考查要点:本题主要考查热力学中恒压过程中功的计算,涉及理想气体状态方程的应用及体积变化的分析。
解题核心思路:
- 确定过程性质:水蒸气凝结为液态水,体积急剧减小,属于恒压过程(外压为101.325 kPa)。
- 计算体积变化:液态水体积可忽略,仅需计算水蒸气体积。
- 代入功公式:功的公式为 $W = -P_{\text{ext}} \Delta V$,注意符号与单位换算。
破题关键点:
- 理想气体状态方程:用于计算水蒸气体积。
- 体积变化方向:系统体积减小,外界对系统做功,功为正值。
步骤1:计算水蒸气体积
根据理想气体状态方程:
$PV = nRT \implies V = \frac{nRT}{P}$
代入数据:
- $n = 1 \, \text{mol}$,$R = 8.314 \, \text{J/mol·K}$,$T = 373.15 \, \text{K}$(对应100℃),
- $P = 101.325 \, \text{kPa} = 101325 \, \text{Pa}$,
得:
$V = \frac{1 \times 8.314 \times 373.15}{101325} \approx 0.03062 \, \text{m}^3$
步骤2:确定体积变化
液态水体积可忽略,故:
$\Delta V = V_{\text{液}} - V_{\text{气}} \approx -0.03062 \, \text{m}^3$
步骤3:计算功
根据公式:
$W = -P_{\text{ext}} \Delta V = -101325 \times (-0.03062) \approx 3102 \, \text{J} = 3.102 \, \text{kJ}$
关键结论:
- 功为正值,表示外界对系统做功。
- 液态水体积忽略不计是简化计算的核心假设。