题目
某坚固容器容积100 , (dm)^3,于25^circ (C),101.3 , (kPa)下发生剧烈化学反应,容器内压强、温度分别升至5066 , (kPa)和1000^circ (C)。数日后,温度、压强降至初态(25^circ (C)和101.3 , (kPa)),则下列说法中正确的是( )。A. 该过程W=0, Q neq 0B. 该过程Delta H=0, W neq 0C. 该过程Delta U=0, Q neq 0D. 该过程Delta U=0, Delta H=0
某坚固容器容积$100 \, \text{dm}^3$,于$25^\circ \text{C}$,$101.3 \, \text{kPa}$下发生剧烈化学反应,容器内压强、温度分别升至$5066 \, \text{kPa}$和$1000^\circ \text{C}$。数日后,温度、压强降至初态($25^\circ \text{C}$和$101.3 \, \text{kPa}$),则下列说法中正确的是( )。
A. 该过程$W=0, Q \neq 0$
B. 该过程$\Delta H=0, W \neq 0$
C. 该过程$\Delta U=0, Q \neq 0$
D. 该过程$\Delta U=0, \Delta H=0$
题目解答
答案
这是一道关于热力学基本概念和状态函数性质的物理化学题目。我们可以通过分析系统的初态和终态,以及过程的特点来推导各个物理量的变化。
推导过程:
-
分析系统的状态变化:
- 初态: 温度 $T_1 = 25^\circ\text{C}$,压强 $p_1 = 101.3\text{ kPa}$。
- 中间过程: 发生剧烈化学反应,温度升至 $1000^\circ\text{C}$,压强升至 $5066\text{ kPa}$。
- 终态: 数日后,温度、压强降回初态,即 $T_2 = 25^\circ\text{C}$, $p_2 = 101.3\text{ kPa}$。
- 题目指出这是一个“坚固容器”,意味着容器的体积保持不变,即 $V = 100\text{ dm}^3$ 且 $\Delta V = 0$。
-
分析状态函数的变化:
- 热力学能(内能)$U$ 和焓 $H$ 都是状态函数,它们的变化只取决于系统的初态和终态,与过程路径无关。
- 由于该过程的终态($25^\circ\text{C}$, $101.3\text{ kPa}$)与初态完全相同,系统经历了一个循环过程(或者说回到了初始状态)。
- 因此,整个过程的系统热力学能变化量 $\Delta U = 0$,焓变 $\Delta H = 0$。
-
分析功($W$)和热($Q$):
- 根据热力学第一定律:$\Delta U = Q + W$。
- 由于容器是坚固的(刚性容器),体积不变($\Delta V = 0$),系统与环境之间没有体积功(膨胀功或压缩功)的交换,即 $W = -p_{\text{外}}\Delta V = 0$。
- 既然 $\Delta U = 0$ 且 $W = 0$,代入热力学第一定律公式可得:$0 = Q + 0$,即 $Q = 0$。
- 虽然反应过程中温度升高了,但数日后系统又冷却回到了初始温度,说明反应释放的热量最终全部散发到了环境中,整个过程的净热交换为0。
-
评估选项:
- A选项:$W = 0$ 是正确的,但 $Q \neq 0$ 是错误的,因为 $\Delta U = 0$ 且 $W = 0$,所以 $Q$ 必须为 0。
- B选项:$\Delta H = 0$ 是正确的,但 $W \neq 0$ 是错误的,因为体积不变,$W = 0$。
- C选项:$\Delta U = 0$ 是正确的,但 $Q \neq 0$ 是错误的,理由同A。
- D选项:$\Delta U = 0$ 且 $\Delta H = 0$。由于初态和终态的温度、压强完全相同,且系统回到初始状态,状态函数 $U$ 和 $H$ 的变化量均为零。这个描述是完全正确的。
结论:
根据以上推导,该过程是一个回到初始状态的循环过程,状态函数 $U$ 和 $H$ 的变化量均为零。
正确答案是 D。