一气体符合 p=(RT)/(V-b) 的状态方程从 V_1 等温可逆膨胀至 V_2,则系统的 Delta S 为( )A. RTln(V_2-b)/(V_1-b)B. 0C. Rln(V_2-b)/(V_1-b)D. Rln(V_2)/(V_1)
A. $RT\ln\frac{V_2-b}{V_1-b}$
B. 0
C. $R\ln\frac{V_2-b}{V_1-b}$
D. $R\ln\frac{V_2}{V_1}$
题目解答
答案
解析
本题考查知识点为熵变的计算,解题思路是根据熵变的定义式,结合给定的状态方程,通过积分运算求出系统的熵变。
对于等温可逆过程,系统的熵变$\Delta S$可以通过公式$\Delta S = \int_{1}^{2} \frac{\delta Q_{rev}}{T}$来计算。根据热力学第一定律$\Delta U = \delta Q_{rev} + \delta W_{rev}$,在等温过程中,对于理想气体$\Delta U = 0$,但本题气体不符合理想气体状态方程,需要先求出$\Delta U$。
-
求$\Delta U$:
已知状态方程$p=\frac{RT}{V - b}$,根据热力学能$U$与体积$V$的关系$(\frac{\partial U}{\partial V})_T = T(\frac{\partial p}{\partial T})_V - p$。- 先对$p=\frac{RT}{V - b}$求$(\frac{\partial p}{\partial T})_V$:
将$V$看作常数,对$p$关于$T$求偏导数,根据求导公式$(\frac{kT}{m})^\prime=k$($k$、$m$为常数)可得$(\frac{\partial p}{\partial T})_V = \frac{R}{V - b}$。 - 再将$(\frac{\partial p}{\partial T})_V$和$p$代入$(\frac{\partial U}{\partial V})_T$的表达式:
$(\frac{\partial U}{\partial V})_T = T\times\frac{R}{V - b} - \frac{RT}{V - b}=0$。
这表明该气体的热力学能$U$只是温度$T$的函数,在等温过程中$\Delta U = 0$。
- 先对$p=\frac{RT}{V - b}$求$(\frac{\partial p}{\partial T})_V$:
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求$\Delta S$:
因为$\Delta U = 0$,所以$\delta Q_{rev} = - \delta W_{rev}$。
对于可逆过程,$\delta W_{rev} = -p dV$,则$\delta Q_{rev} = p dV$。
将$\delta Q_{rev} = p dV$代入$\Delta S = \int_{1}^{2} \frac{\delta Q_{rev}}{T}$可得:
$\Delta S = \int_{V_1}^{V_2} \frac{p dV}{T}$。
把$p=\frac{RT}{V - b}$代入上式得:
$\Delta S = \int_{V_1}^{V_2} \frac{\frac{RT}{V - b} dV}{T}$。
约去$T$可得:
$\Delta S = \int_{V_1}^{V_2} \frac{dV}{V - b}$。
根据积分公式$\int \frac{1}{x}dx=\ln x + C$($C$为常数)对上式进行积分:
$\Delta S = [\ln(V - b)]_{V_1}^{V_2}$。
根据牛顿-莱布尼茨公式$[F(x)]_{a}^{b}=F(b)-F(a)$可得:
$\Delta S = \ln(V_2 - b) - \ln(V_1 - b)$。
再根据对数运算法则$\ln a - \ln b = \ln\frac{a}{b}$可得:
$\Delta S = R\ln\frac{V_2 - b}{V_1 - b}$。