2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫——熱力學(xué)在化學(xué)研究中的重要性考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題4分，共20分）1.熱力學(xué)系統(tǒng)2.狀態(tài)函數(shù)3.自發(fā)過程4.熵5.吉布斯自由能二、判斷題（每小題2分，共10分。請將“正確”或“錯誤”填寫在題后括號內(nèi)）1.熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式ΔU=Q+W表明，系統(tǒng)內(nèi)能的增加等于系統(tǒng)吸收的熱量加上外界對系統(tǒng)所做的功。（）2.孤立系統(tǒng)的熵永不減少。（）3.在恒定溫度和壓力下，吉布斯自由能變ΔG<0的反應(yīng)一定能自發(fā)進(jìn)行。（）4.焓變ΔH是一個狀態(tài)函數(shù)，其值只取決于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，與變化過程無關(guān)。（）5.對于一個可逆過程，系統(tǒng)的熵變等于其環(huán)境熵變之和。（）三、簡答題（每小題6分，共30分）1.簡述熱力學(xué)第一定律和第二定律各自表達(dá)的核心思想。2.解釋吉布斯自由能（G）的物理意義，并說明它在判斷化學(xué)反應(yīng)方向時有什么作用。3.為什么在恒定溫度和壓力下，系統(tǒng)的吉布斯自由能減小時，系統(tǒng)就處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)？4.簡述理想氣體向真空自由膨脹過程的熱力學(xué)特征（ΔU,ΔH,ΔS,ΔG是否為零？請說明理由）。5.什么是化學(xué)勢？它如何影響多組分體系中物質(zhì)的相變或化學(xué)平衡？四、計(jì)算題（共40分）1.（10分）在恒容、絕熱條件下，1mol水從25°C加熱到75°C。已知水的比熱容c_p=4.18J·g?1·K?1，摩爾質(zhì)量M=18.02g·mol?1。假設(shè)水為定容體系，其熱容不隨溫度變化，計(jì)算此過程系統(tǒng)吸收的熱量Q和內(nèi)能的增量ΔU。（提示：注意恒容條件和熱量計(jì)算公式）2.（10分）在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（298K,1bar），反應(yīng)2H?(g)+O?(g)→2H?O(l)的標(biāo)準(zhǔn)焓變ΔH°=-571.6kJ·mol?1，標(biāo)準(zhǔn)熵變ΔS°=-89.0J·K?1·mol?1。計(jì)算該反應(yīng)在298K標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變ΔG°，并判斷該反應(yīng)在此條件下是否自發(fā)進(jìn)行。3.（10分）已知在1000°C(1273K)和1bar下，反應(yīng)FeO(s)+CO(g)→Fe(s)+CO?(g)的平衡常數(shù)K_p=0.67。計(jì)算該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變ΔG°(1273K)。假設(shè)氣體為理想氣體。4.（10分）將1mol液態(tài)水在100°C、1bar下轉(zhuǎn)化為水蒸氣（此過程為可逆相變）。已知水在100°C、1bar下的汽化焓ΔH_vap=40.7kJ·mol?1。計(jì)算此過程的熵變ΔS_系統(tǒng)和ΔS_環(huán)境。假設(shè)水蒸氣為理想氣體，環(huán)境溫度保持為100°C。（提示：環(huán)境熵變可通過ΔS_環(huán)境=-Q_系統(tǒng)/T_環(huán)境計(jì)算，Q_系統(tǒng)為系統(tǒng)吸收的熱量，即汽化焓）試卷答案一、名詞解釋1.熱力學(xué)系統(tǒng)：指為研究方便而從周圍環(huán)境中劃分出來的、具有一定性質(zhì)的部分物質(zhì)或空間。系統(tǒng)與其所處的環(huán)境之間可以存在物質(zhì)和能量的交換。2.狀態(tài)函數(shù)：描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，其值僅取決于系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，而與系統(tǒng)從初態(tài)到終態(tài)的變化過程無關(guān)。狀態(tài)函數(shù)的變化量等于其終態(tài)值減去初態(tài)值。3.自發(fā)過程：在不受外界影響（或只有微小的外界影響）條件下，能夠自動進(jìn)行并達(dá)到平衡的過程。自發(fā)過程的特征是宏觀性質(zhì)趨向于穩(wěn)定。4.熵：表示系統(tǒng)混亂程度或無序度的狀態(tài)函數(shù)。熵變（ΔS）表示系統(tǒng)在狀態(tài)變化過程中混亂程度的變化量。熵具有統(tǒng)計(jì)意義，與系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)有關(guān)。5.吉布斯自由能：在恒定溫度（T）和壓力（P）條件下，描述系統(tǒng)吉布斯自由能狀態(tài)的狀態(tài)函數(shù)。吉布斯自由能變（ΔG）表示系統(tǒng)在恒定T,P下發(fā)生可逆變化時，對外所做的最大非體積功。ΔG<0表示過程自發(fā)，ΔG>0表示過程非自發(fā)，ΔG=0表示系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。二、判斷題1.錯誤*解析：熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W表明系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于系統(tǒng)吸收的熱量（Q）加上外界對系統(tǒng)所做的功（W）。如果過程是系統(tǒng)對外做功，則W為負(fù)值，此時ΔU=Q-|W|。并非總是Q+W。2.正確*解析：根據(jù)熵增原理，孤立系統(tǒng)（與外界無能量和物質(zhì)交換）的熵在自發(fā)過程中總是增加的，在可逆過程中保持不變，因此永不減少。3.正確*解析：根據(jù)吉布斯自由能判據(jù)，在恒定溫度（T）和壓力（P）條件下，ΔG<0是反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的必要條件。此時，ΔG=ΔH-TΔS<0，表明反應(yīng)能夠?qū)ν庾龇求w積功，過程是自發(fā)的。4.正確*解析：焓（H）是狀態(tài)函數(shù)，其值僅由系統(tǒng)的狀態(tài)決定，與變化途徑無關(guān)。只要初態(tài)和終態(tài)確定，無論經(jīng)歷何種過程，焓變ΔH的值都是固定的。5.正確*解析：對于一個可逆過程，克勞修斯不等式為ΔS_系統(tǒng)/Q_系統(tǒng)(可逆)=ΔS_環(huán)境/(-Q_環(huán)境(可逆))=-1。因此，ΔS_系統(tǒng)=-Q_系統(tǒng)，ΔS_環(huán)境=Q_環(huán)境。由于Q_環(huán)境=-Q_系統(tǒng)，所以ΔS_系統(tǒng)+ΔS_環(huán)境=0。這適用于可逆循環(huán)中的每個可逆過程。三、簡答題1.解析思路：分別闡述第一定律和第二定律的核心內(nèi)容。*熱力學(xué)第一定律核心思想：能量守恒與轉(zhuǎn)化。能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中能量的總量保持不變。在熱力學(xué)中，常表述為系統(tǒng)內(nèi)能的增加等于系統(tǒng)吸收的熱量加上外界對系統(tǒng)所做的功。*熱力學(xué)第二定律核心思想：孤立系統(tǒng)的熵永不減少。自然界中一切自發(fā)過程總是朝著熵增加的方向進(jìn)行，直到達(dá)到平衡狀態(tài)（熵最大）?；蛘哒f，自發(fā)過程是不可逆的，過程進(jìn)行的同時，系統(tǒng)和環(huán)境的總熵總是增加的（ΔS_總=ΔS_系統(tǒng)+ΔS_環(huán)境≥0）。第二定律也提供了判斷過程自發(fā)性的微觀解釋。2.解析思路：闡述吉布斯自由能的定義和作用，重點(diǎn)在恒溫恒壓條件下的應(yīng)用。*物理意義：吉布斯自由能（G=H-TS）是描述系統(tǒng)在恒溫恒壓條件下進(jìn)行可逆變化時，能夠?qū)ν馑龅淖畲蠓求w積功。它綜合了系統(tǒng)的焓變（能量）和熵變（混亂度）兩個因素，代表了系統(tǒng)在恒溫恒壓條件下的“做功能力”或“穩(wěn)定程度”。*作用：在恒溫恒壓條件下，ΔG<0表示系統(tǒng)發(fā)生變化后吉布斯自由能降低，系統(tǒng)具有做功的能力，變化能夠自發(fā)進(jìn)行；ΔG>0表示吉布斯自由能升高，系統(tǒng)做功能力減少，變化不能自發(fā)進(jìn)行；ΔG=0表示系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。因此，ΔG是判斷在恒溫恒壓條件下反應(yīng)或過程自發(fā)性的重要判據(jù)。3.解析思路：結(jié)合吉布斯自由能的定義和物理意義進(jìn)行解釋。*解釋：吉布斯自由能G=H-TS，其中H代表系統(tǒng)的焓（能量），T代表溫度，S代表系統(tǒng)的熵（混亂度）。在恒溫（T）條件下，系統(tǒng)的吉布斯自由能G主要取決于H和S。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化時，如果ΔG<0，意味著變化后系統(tǒng)的G值降低了。這意味著系統(tǒng)向著能量更低、混亂度（相對于所做功的能力而言）更優(yōu)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這種狀態(tài)轉(zhuǎn)變使得系統(tǒng)能夠?qū)ν庾龉?，或者系統(tǒng)的“總做功能力”增加了，因此是一個更穩(wěn)定的狀態(tài)。反之，ΔG>0表示系統(tǒng)向更不穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。4.解析思路：分析自由膨脹過程的特征，結(jié)合熱力學(xué)定律和狀態(tài)函數(shù)性質(zhì)。*解析：*ΔU=0：自由膨脹是絕熱（Q=0）且恒容（W=0）的過程。根據(jù)熱力學(xué)第一定律ΔU=Q+W，可得ΔU=0。內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)，只要初末態(tài)溫度相同（此過程通常溫度不變），內(nèi)能不變。*ΔH=0：焓變ΔH=ΔU+Δ(PV)。對于理想氣體，PV=nRT。由于溫度T不變，n和R不變，故PV不變，即Δ(PV)=0。因此ΔH=ΔU+Δ(PV)=ΔU+0=0。焓也是狀態(tài)函數(shù)，只要初末態(tài)溫度相同，焓變也為零。*ΔS>0：自由膨脹是一個不可逆的熵增過程。根據(jù)熵判據(jù)，孤立系統(tǒng)的熵永不減少，非孤立但絕熱的系統(tǒng)（如自由膨脹中的氣體本身）其熵也會增加?？梢杂糜?jì)算證明，理想氣體自由膨脹時，ΔS=nRln(V?/V?)>0（V?>V?）。*ΔG>0：吉布斯自由能變ΔG=ΔH-TΔS。由于ΔH=0且ΔS>0，因此ΔG=-TΔS<0。這表明自由膨脹過程是非自發(fā)的。5.解析思路：定義化學(xué)勢，并解釋其對多組分體系相變和平衡的影響。*定義：化學(xué)勢（μ_i）是指在一定溫度和壓力下，向一個由多種組分組成的體系中加入一摩爾第i種組分時，體系吉布斯自由能的增加量。它是描述物質(zhì)在多相或多組分體系中化學(xué)穩(wěn)定性的狀態(tài)函數(shù)。*影響：*相變：物質(zhì)會從化學(xué)勢高的相轉(zhuǎn)移到化學(xué)勢低的相，直到各相中的化學(xué)勢相等，系統(tǒng)達(dá)到平衡。例如，在蒸餾過程中，易揮發(fā)組分的化學(xué)勢隨溫度升高而降低較快，從而更容易從液相轉(zhuǎn)移到氣相。*化學(xué)平衡：在化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時，反應(yīng)商Q與平衡常數(shù)K的關(guān)系為Q=K，而Q和K都可以通過各組分的化學(xué)勢表示（Q=Σν_iμ_i(產(chǎn)物)/Σν_iμ_i(反應(yīng)物)）。因此，化學(xué)勢決定了反應(yīng)進(jìn)行的方向和限度。當(dāng)反應(yīng)商Q<K時，反應(yīng)正向進(jìn)行（生成物化學(xué)勢相對降低，反應(yīng)物化學(xué)勢相對升高）；當(dāng)Q>K時，反應(yīng)逆向進(jìn)行。四、計(jì)算題1.解析思路：恒容過程Q=0，內(nèi)能變化ΔU=n*c_p*ΔT。*Q=n*c_p*ΔT=(1mol)*(4.18J·g?1·K?1)*(18.02g·mol?1)*(75°C-25°C)*Q=1*4.18*18.02*50=3717.38J=3.72kJ*ΔU=Q(恒容)=3.72kJ*答案：Q=3.72kJ,ΔU=3.72kJ2.解析思路：直接使用ΔG°=ΔH°-TΔS°計(jì)算。判斷自發(fā)需看ΔG°的符號。*ΔG°=ΔH°-TΔS°=(-571.6kJ·mol?1)-(298K)*(-89.0J·K?1·mol?1)/1000*ΔG°=-571.6kJ·mol?1+26.532kJ·mol?1=-545.068kJ·mol?1*答案：ΔG°=-545.1kJ·mol?1(保留兩位小數(shù))。ΔG°<0，反應(yīng)在298K標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下自發(fā)進(jìn)行。3.解析思路：使用ΔG°(T)=-RTlnK_p計(jì)算。公式中R=8.314J·mol?1·K?1，需注意單位統(tǒng)一（K_p已是bar，T已是K）。*ΔG°(1273K)=-(8.314J·mol?1·K?1)*(1273K)*ln(0.67)*ΔG°(1273K)=-(8.314*1273)*(-0.4055)J·mol?1*ΔG°(1273K)=4257.5J·mol?1=4.26kJ·mol?1*答案：ΔG°(1273K)=4.26kJ·mol?14.解析思路：*ΔS_系統(tǒng)：可逆相變過程，系統(tǒng)熵變等于其摩爾汽化熵。ΔS_系統(tǒng)=ΔH_vap/T_相變。*ΔS_系統(tǒng)=40.7kJ·mol?1/100°C=40.7kJ·mol?1/373.15K*ΔS_系統(tǒng)=40700J·mol?1/373.15K≈109.0J·mol?1·K?1*ΔS_環(huán)境：環(huán)境吸熱等于系統(tǒng)放熱（Q_環(huán)境=-Q_系統(tǒng)