化學(xué)工程與工藝專升本2025年化工熱力學(xué)試卷（含答案）考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列過(guò)程一定是可逆過(guò)程的是（）。A.氣體在恒溫恒壓下膨脹B.氣體自由膨脹C.理想氣體絕熱可逆膨脹D.液體在恒定外壓下汽化2.對(duì)于一個(gè)定溫定壓只做體積功的系統(tǒng)，其焓變（ΔH）等于（）。A.系統(tǒng)吸收的熱量B.系統(tǒng)對(duì)外做的功C.系統(tǒng)內(nèi)能的增加D.系統(tǒng)對(duì)外做的功加上系統(tǒng)吸收的熱量3.下列哪個(gè)狀態(tài)函數(shù)是廣度性質(zhì)？（）A.熵B.溫度C.壓力D.摩爾體積4.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述是（）。A.熱量可以自動(dòng)地從低溫物體傳到高溫物體B.不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)楣Χ划a(chǎn)生其他影響C.孤立系統(tǒng)的熵永不減少D.熵是狀態(tài)函數(shù)5.在恒定溫度和壓力下，判斷一個(gè)化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行，依據(jù)的是（）。A.焓變（ΔH）B.熵變（ΔS）C.吉布斯自由能變（ΔG）D.亥姆霍茲自由能變（ΔA）6.下列關(guān)于偏摩爾量的敘述，正確的是（）。A.偏摩爾量是強(qiáng)度性質(zhì)B.偏摩爾量只與溫度和壓力有關(guān)C.偏摩爾量是摩爾量D.偏摩爾量是描述溶液中某組分對(duì)總性質(zhì)貢獻(xiàn)的物理量7.理想氣體絕熱可逆膨脹過(guò)程，系統(tǒng)的溫度將（）。A.升高B.降低C.不變D.無(wú)法確定8.卡諾定理指出，在相同的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的所有熱機(jī)中，以（）的熱機(jī)效率最高。A.可逆的B.不可逆的C.理想氣體為工質(zhì)D.蒸汽機(jī)9.對(duì)于一個(gè)完全絕熱的剛性容器，內(nèi)盛有某物質(zhì)，若該物質(zhì)發(fā)生一個(gè)放熱過(guò)程，則其（）。A.熵增加B.熵減少C.熵不變D.內(nèi)能增加10.在恒定壓力下，某反應(yīng)體系的摩爾吉布斯自由能隨溫度升高而（）。A.增加B.減少C.不變D.先增后減二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.1摩爾的理想氣體，在恒定壓力下從100K加熱到500K，其焓變?chǔ)=_______Cp(T2-T1)。2.熱力學(xué)基本方程dU=TdS-PdV適用于_______系統(tǒng)。3.克勞修斯不等式（δQ/T）≤0適用于_______過(guò)程。4.吉布斯自由能（G）是溫度（T）和壓力（P）的_______函數(shù)。5.對(duì)于理想溶液，拉烏爾定律描述了溶質(zhì)在氣相中的分壓與其_______成正比。6.朗肯循環(huán)中，蒸汽在汽輪機(jī)中做功的過(guò)程可視為_(kāi)______過(guò)程。7.熵是_______的度量。8.范霍夫方程描述了化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)與_______的關(guān)系。9.活度（a）是溶液中組分i的_______與其理想狀態(tài)下的分壓或摩爾分?jǐn)?shù)的比值。10.穩(wěn)流過(guò)程能量方程（忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化）為Q=ΔH+Ws，其中Ws表示_______。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述可逆過(guò)程與不可逆過(guò)程的區(qū)別，并舉例說(shuō)明。2.解釋為什么在恒溫恒壓條件下，理想氣體的內(nèi)能變化（ΔU）不一定等于零，而焓變（ΔH）卻一定等于它從環(huán)境中吸收的熱量（Qp）？3.為什么說(shuō)吉布斯自由能（G）是判斷恒溫恒壓下化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性的判據(jù)？四、計(jì)算題（共45分）1.（10分）1摩爾的理想氣體，從初態(tài)（P1=1atm,V1=10L）經(jīng)歷以下兩個(gè)過(guò)程變化到終態(tài)（P2=2atm,V2=20L）：(1)先恒容加熱，再恒壓膨脹。(2)先恒壓膨脹，再恒容冷卻。假設(shè)氣體的Cv,m=12.5J·mol?1·K?1，Cp,m=20.8J·mol?1·K?1。試分別計(jì)算兩個(gè)過(guò)程中系統(tǒng)吸收的熱量、對(duì)外做的功以及內(nèi)能和焓的變化。（理想氣體常數(shù)R=8.314J·mol?1·K?1）2.（10分）在298K和1atm下，某理想氣體從10L膨脹到50L。此過(guò)程是：(1)恒溫可逆膨脹；(2)恒溫不可逆自由膨脹。試計(jì)算兩個(gè)過(guò)程中氣體的熵變。已知?dú)怏w常數(shù)R=8.314J·mol?1·K?1。3.（10分）在25°C（298.15K）和標(biāo)準(zhǔn)壓力下，下列反應(yīng)：2H?(g)+O?(g)→2H?O(l)已知該反應(yīng)的ΔH_°=-571.6kJ·mol?1，ΔS_°=-89.0J·mol?1·K?1。(1)計(jì)算該反應(yīng)在25°C下的平衡常數(shù)K_p。(2)判斷在25°C和標(biāo)準(zhǔn)壓力下，該反應(yīng)是否能夠自發(fā)進(jìn)行？4.（15分）有一理想溶液，在恒定溫度T和壓力P下，其組分為A和B。已知純組分A的摩爾分?jǐn)?shù)為x_A⁰=0.6，純組分B的摩爾分?jǐn)?shù)為x_B⁰=0.4。當(dāng)溶液中xA=0.5時(shí)，測(cè)得組分A的活度系數(shù)γ_A=1.2。(1)計(jì)算該溶液中組分A的活度a_A。(2)若已知在相同T和P下，純組分B的活度系數(shù)γ_B=1.1，計(jì)算該溶液中組分B的活度a_B。（提示：理想溶液中純組分的活度a⁰_B=x_B⁰）五、論述題（10分）試結(jié)合熱力學(xué)第二定律，論述提高能量轉(zhuǎn)換裝置（如熱機(jī)、制冷機(jī)）效率的途徑。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.A4.B5.C6.D7.B8.A9.C10.B二、填空題1.等于2.靜態(tài)3.不可逆4.廣度5.摩爾分?jǐn)?shù)（或濃度）6.可逆7.無(wú)序程度（或混亂程度）8.溫度9.有效濃度（或?qū)嶋H濃度）10.膨脹功三、簡(jiǎn)答題1.可逆過(guò)程是系統(tǒng)變化后，能沿著原路徑逆行，使系統(tǒng)和環(huán)境都恢復(fù)到原狀而不留下任何影響的過(guò)程；不可逆過(guò)程則不能沿著原路徑逆行，或逆行時(shí)需要環(huán)境發(fā)生變化，留下影響。例如，氣體自由膨脹是不可逆過(guò)程。2.理想氣體的內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，恒溫過(guò)程ΔU=0；但恒壓過(guò)程系統(tǒng)吸收的熱量Qp=ΔH，不一定ΔU=0，因?yàn)楹銐号蛎浕驂嚎s時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外做功或外界對(duì)系統(tǒng)做功，ΔU=Qp+W，W≠0。ΔH=Qp是因?yàn)槔硐霘怏w恒壓過(guò)程W=0。3.吉布斯自由能變?chǔ)=ΔH-TΔS。恒溫恒壓下，ΔG<0表示反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，ΔG>0表示反應(yīng)非自發(fā)，ΔG=0表示反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。這個(gè)關(guān)系直接來(lái)源于熱力學(xué)第二定律對(duì)恒溫恒壓過(guò)程的判據(jù)。四、計(jì)算題1.解：(1)恒容過(guò)程：W=0Qv=ΔU=Cv,m(T2-T1)恒容：V1=V2，理想氣體PV=nRT，T2=T1*(P2/V2)/(P1/V1)=T1*P2/P1=1*2/1=2T1ΔU=Cv,m*(2T1-T1)=Cv,m*T1T1=V1*P1/nR=10*1/(1*8.314)=1.19KΔU=12.5*1.19=14.88JQv=14.88J恒壓過(guò)程：W=-PΔV=-P1(V2-V1)=-1*(20-10)=-10L·atm=-10*101.325J=-1013.25JΔH=Cp,m(T2-T1)=20.8*(2.38-1.19)=20.8*1.19=24.75JQp=ΔH+W=24.75-1013.25=-988.5J終態(tài)：ΔU=14.88J-1013.25J=-998.37J；ΔH=24.75J-988.5J=-963.75J(2)恒壓過(guò)程：ΔH=Cp,m(T2-T1)=24.75J恒壓膨脹：W=-1013.25JQp=ΔH+W=-988.5J恒容過(guò)程：W=0ΔU=Cv,m(T2-T1)=-998.37JQv=ΔU=-998.37J終態(tài)：ΔU=-998.37J-14.88J=-1013.25J；ΔH=-963.75J-24.75J=-988.5J2.解：(1)恒溫可逆膨脹：ΔS=nRln(V2/V1)=1*8.314*ln(50/10)=8.314*ln(5)≈13.37J/K(2)恒溫不可逆自由膨脹：由于過(guò)程絕熱，ΔS=0（系統(tǒng)與外界無(wú)熱量交換，且過(guò)程可視為絕熱）3.解：(1)ΔG_°=ΔH_°-TΔS_°=-571600-298.15*(-89.0)=-571600+26652.35=-544947.65J/mol=-544.95kJ/molΔG_°=-RTlnK_p=>-544.95=-8.314*298.15*lnK_plnK_p=544.95/(8.314*298.15)≈0.223K_p=e^0.223≈1.25(2)ΔG_°=-544.95kJ/mol<0，說(shuō)明在25°C和標(biāo)準(zhǔn)壓力下，該反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行。4.解：(1)a_A=γ_A*x_A=1.2*0.5=0.6(2)a_B=γ_B*x_B=1.1*0.4=0.44五、論述題提高能量轉(zhuǎn)換裝置效率的根本途徑是減少不可逆性。對(duì)于熱機(jī)，根據(jù)卡諾定理，其最高效率η_max=1-T_c/T_h，因此提高高溫?zé)嵩礈囟萒_h或降低低溫冷源溫度T_c是提高效率的關(guān)鍵。同時(shí)，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量減少各種