由同一始态经绝热可逆膨胀和等温可逆膨胀均至同样的终态体积,两过程所作的可逆功分别为W_1及W_2,则( )。A. |W_1|>|W_2|B. |W_1|C. |W_1|=|W_2|D. 上述情况都有可能
A. $|W_1|>|W_2|$
B. $|W_1|<|W_2|$
C. $|W_1|=|W_2|$
D. 上述情况都有可能
题目解答
答案
解析
本题考查热力学第一定律以及绝热可逆膨胀和等温可逆膨胀过程中功的计算与比较,解题思路是分别分析绝热可逆膨胀和等温可逆膨胀过程中系统的能量变化,进而比较两过程所作的可逆功。
1. 分析绝热可逆膨胀过程
对于绝热可逆过程,系统与环境没有热量交换,即 $Q_1 = 0$。
根据热力学第一定律 $\Delta U = Q+W$,可得 $\Delta U_1=Q_1 + W_1=W_1$。
对于理想气体,内能 $U$ 只是温度 $T$ 的函数,即 $U = f(T)$。在绝热可逆膨胀过程中,系统对外做功,消耗内能,所以温度降低,$\Delta U_1<0$,那么 $W_1<0$。
由理想气体状态方程 $pV = nRT$,绝热可逆过程方程为 $pV^{\gamma}=C$($\gamma = \frac{C_{p,m}}{C_{V,m}}$,$C_{p,m}$ 为定压摩尔热容,$C_{V,m}$ 为定容摩尔热容)。设始态为 $(p_1,V_1,T_1)$,终态为 $(p_3,V_3,T_3)$,因为是膨胀过程 $V_3>V_1$,根据绝热可逆过程方程可知 $T_3<T_1$。
2. 分析等温可逆膨胀过程
对于等温可逆过程,温度保持不变,即 $\Delta T = 0$。对于理想气体,$\Delta U_2 = nC_{V,m}\Delta T = 0$。
再根据热力学第一定律 $\Delta U_2=Q_2 + W_2$,可得 $W_2=-Q_2$。
等温可逆膨胀过程中,系统对外做功 $W_2<0$,其功的计算公式为 $W_2=-nRT\ln\frac{V_3}{V_1}$。
3. 比较两过程的功
在 $p - V$ 图上,绝热可逆膨胀曲线比等温可逆膨胀曲线更陡。从同一始态 $(p_1,V_1)$ 膨胀到相同的终态体积 $V_3$,绝热可逆膨胀过程中系统温度降低,压力下降得更快。
功的大小在 $p - V$ 图上表示为曲线下的面积。等温可逆膨胀过程曲线下的面积(绝对值)大于绝热可逆膨胀过程曲线下的面积(绝对值),即 $|W_1|<|W_2|$。