甲烷CH4的初始状态p1=0.47MPa,T1=393K,经可逆定压冷却对外放出热量4110.76J/mol,试确定其终温及1molCH4的热力学能变化量△Um、焓变化量△Hm。设甲烷的比热容近似为定值,cp= 2.3298kJ/(kg·K)。
题目解答
答案

解析
本题主要考察理想气体热力学过程的相关计算,涉及定压过程的热量、温度变化,以及热力学能变化量和焓变化量的计算,关键知识点如下:
1. 理想气体定压过程的热量计算
甲烷化学反应的理想气体定压过程中,热量 $Q_p$ 与焓变 $\Delta H$ 的关系为:
$Q_p = \Delta H_m$
且焓变仅与温度相关,表达式为:
$\Delta H_m = n \cdot c_{p,m} \cdot (T_2 - T_1)$
其中,$c_{p,m}$ 为摩尔定压热容,需通过比热容 $c_p$(单位:$\text{kJ/(kg·K)}$)和摩尔质量 $M$ 换算得到。
2. 甲烷的摩尔质量与摩尔定压热容
甲烷 $\text{CH}_4$ 的摩尔质量 $M = 12 + 4 \times 1 = 16 \, \text{g/mol} = 0.016 \, \text{kg/mol}$,则摩尔定压热容:
$c_{p,m} = c_p \cdot M = 2.3298 \, \text{kJ/(kg·K)} \times 0.016 \, \text{kg/mol} = 0.0372768 \, \text{kJ/(mol·K)} = 37.2768 \, \text{J/(mol·K)}$
3. 终温 $T_2$ 的计算
由 $Q_p = \Delta H_m = c_{p,m} \cdot (T_2 - T_1)$,已知 $Q_p = -4110.76 \, \text{J/mol}$(放热为负),代入得:
$-4110.76 = 37.2768 \cdot (T_2 - 393)$
解得:
$T_2 = 393 - \frac{4110.76}{37.2768} \approx 283 \, \text{K}$
4. 热力学能变化量 $\Delta U_m$ 的计算
理想气体热力学能仅与温度相关,$\Delta U_m = c_{V,m} \cdot (T_2 - T_1)$,且 $c_{p,m} - c_{V,m} = R$($R = 8.314 \, \text{J/(mol·K)}$),故:
$c_{V,m} = c_{p,m} - R = 37.2768 - 8.314 = 28.9628 \, \text{J/(mol·K)}$
$\Delta U_m = 28.9628 \cdot (283 - 393) \approx -3196.11 \, \text{J/mol}$
5. 焓变化量 $\Delta H_m$ 的确认
定压过程中 $\Delta H_m = Q_p = -4110.76 \, \text{J/mol}$,与题目给出的放热量一致。