题目
理想气体与温度为T_K的大热源相接触作等温膨胀吸热QJ,而所作的功是变到相同终态的最大功的20%,则系统的熵变为( )mathrm(J) cdot mathrm(K)^-1A. Delta S = (5Q)/(T)B. Delta S = (Q)/(T)C. Delta S = (Q)/(5T)D. Delta S = -(Q)/(T)
理想气体与温度为$T_K$的大热源相接触作等温膨胀吸热$QJ$,而所作的功是变到相同终态的最大功的$20\%$,则系统的熵变为( )$\mathrm{J} \cdot \mathrm{K}^{-1}$
A. $\Delta S = \frac{5Q}{T}$
B. $\Delta S = \frac{Q}{T}$
C. $\Delta S = \frac{Q}{5T}$
D. $\Delta S = -\frac{Q}{T}$
题目解答
答案
A. $\Delta S = \frac{5Q}{T}$
解析
考查要点:本题主要考查理想气体等温过程中的熵变计算,涉及热力学第一定律、第二定律及可逆过程的概念。
解题核心思路:
- 明确过程性质:题目中气体与大热源接触,但所做的功仅为最大功的20%,说明过程是不可逆的。
- 熵变公式选择:系统的熵变ΔS仅与初末态有关,需通过可逆过程的热量计算,即ΔS = Q_rev / T。
- 关联实际过程与可逆过程:通过实际功与最大功的关系,推导出可逆过程的热量Q_rev,最终求出熵变。
破题关键点:
- 区分实际过程与可逆过程:实际过程的热量Q ≠ 可逆过程的热量Q_rev。
- 利用功的关系:实际功W = 0.2W_max,结合等温过程的功公式,建立Q与Q_rev的关系。
步骤1:分析等温过程的基本性质
对于理想气体的等温过程,内能变化ΔU = 0,根据热力学第一定律:
$Q = W$
其中,Q是系统吸收的热量,W是系统对外做的功。
步骤2:确定可逆过程的功与热量
在可逆等温膨胀中,系统对外做的功为最大功:
$W_{\text{max}} = nRT \ln \frac{V_2}{V_1}$
此时吸收的热量为:
$Q_{\text{rev}} = W_{\text{max}}$
步骤3:关联实际过程与可逆过程
题目中实际过程的功为最大功的20%:
$W = 0.2 W_{\text{max}}$
根据热力学第一定律,实际过程的热量为:
$Q = W = 0.2 W_{\text{max}}$
因此可得:
$W_{\text{max}} = \frac{Q}{0.2} = 5Q$
步骤4:计算系统的熵变
系统的熵变由可逆过程的热量决定:
$\Delta S = \frac{Q_{\text{rev}}}{T} = \frac{W_{\text{max}}}{T} = \frac{5Q}{T}$