自考本科化學工程2025年化工熱力學試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內）1.下列哪個狀態(tài)參數具有強度性質？（）A.體積B.功C.焓D.溫度2.熱力學第一定律的數學表達式適用于（）。A.僅開口系統(tǒng)B.僅閉口系統(tǒng)C.僅絕熱系統(tǒng)D.所有系統(tǒng)3.摩爾吉布斯自由能（Gm）的物理意義是（）。A.1摩爾物質的熱力學能B.1摩爾物質在恒定壓力下的化學勢C.1摩爾物質在恒定溫度和壓力下的吉布斯自由能D.1摩爾物質在恒定體積下的吉布斯自由能4.下列過程中，體系的熵變?yōu)榱愕氖牵ǎ.理想氣體恒溫膨脹B.理想氣體絕熱可逆膨脹C.理想氣體絕熱不可逆膨脹D.真實液體在恒定壓力下的恒溫蒸發(fā)5.判斷一個熱力學過程能否自發(fā)進行，應依據（）。A.熱力學第一定律B.熱力學第二定律C.熱力學第三定律D.相平衡準則6.對于一個穩(wěn)定流動的開口系統(tǒng)，其熱力學第一定律微分形式（穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流）的表達式中，ΔU代表（）。A.體系內能的增加B.體系焓的增加C.體系熱量的傳遞D.體系功的傳遞7.理想氣體經過節(jié)流過程，其（）不變。A.溫度B.壓力C.內能D.熵8.在恒定溫度和壓力下，化學反應達到平衡時，反應進度對吉布斯自由能變（ΔG）的影響是（）。A.ΔG>0B.ΔG<0C.ΔG=0D.無法確定9.某物質在兩相共存時，其（）相等。A.溫度與壓力B.壓力與摩爾體積C.焓與熵D.化學勢10.下列哪個狀態(tài)方程最適用于描述低溫、高壓下的實際氣體行為？（）A.理想氣體狀態(tài)方程B.vanderWaals方程C.理想溶液模型D.非理想溶液模型二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.體系從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)，其狀態(tài)參數的變化量________，與變化路徑無關。2.1摩爾理想氣體從狀態(tài)1（P1,V1,T1）絕熱可逆膨脹到狀態(tài)2（P2,V2,T2），其內能變化ΔU=________（填表達式）。3.克勞修斯不等式（適用于可逆與不可逆過程）的表達式為________。4.在恒定溫度下，純物質的相變過程是________過程，其ΔS>0（相變方向）。5.對于理想溶液，其組分i的偏摩爾吉布斯自由能（μi）等于該組分在相同溫度、壓力下作為________的化學勢。6.熱力學第三定律指出，當溫度趨近于絕對零度時，理想晶體的熵趨近于________。7.在穩(wěn)定流動的開口系統(tǒng)中，能量衡算方程（不考慮動能和勢能變化）的表達式為Q=ΔH+Ws，其中Q代表________，Ws代表________。8.亨利定律表達式為p_i=k_ix_i，其中p_i代表________，k_i代表________。9.在恒定溫度和壓力下，化學反應的平衡常數K可表示為K=________（填表達式）。10.閃蒸過程是________體系在壓力降低時發(fā)生相變的過程。三、計算題（共60分）1.（10分）1摩爾理想氣體從初始狀態(tài)（100bar,300K）經過一個恒溫過程膨脹到最終壓力為10bar。體系吸收了500kJ的熱量。試計算該過程的功（W）、內能變化（ΔU）和焓變（ΔH）。[已知理想氣體常數R=8.314J/(mol·K)]2.（10分）在一個絕熱剛性容器中，將200kg、20°C的水與100kg、80°C的水混合，達到熱平衡。假設混合過程無熱量損失，水的比熱容為4.18kJ/(kg·K)。試計算最終平衡溫度及過程的總熵變。3.（15分）在25°C和1bar下，某理想氣體的摩爾焓為500kJ/mol，摩爾熵為100J/(mol·K)。當該氣體被壓縮到10bar時，其摩爾焓和摩爾熵分別為多少？假設氣體在壓力變化過程中溫度保持不變。[提示：可利用理想氣體性質和狀態(tài)方程]4.（15分）在400K和1bar下，1摩爾理想氣體混合物由50%的A氣和50%的B氣組成（摩爾分數x_A=x_B=0.5）。已知純A氣在該條件下的摩爾吉布斯自由能為3000J/mol，純B氣為3500J/mol。試計算該混合氣體的摩爾吉布斯自由能Gm。若該混合氣體在恒定溫度和壓力下與純A氣或純B氣形成理想溶液，其混合過程的自發(fā)方向如何（ΔG>0,<0,還是=0）？5.（10分）在25°C和1bar下，1摩爾液體A汽化為同溫同壓的蒸氣A，其焓變ΔH_vap=400kJ/mol，蒸氣A的摩爾熵S_vap=100J/(mol·K)（相對于液體）。試計算該過程的吉布斯自由能變ΔG。判斷該汽化過程在25°C和1bar下是否自發(fā)進行。四、簡答題（共20分）1.（10分）請解釋熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述，并說明它們是否等價。2.（10分）簡述理想氣體和真實氣體的主要區(qū)別，并說明為什么需要引入狀態(tài)方程來描述真實氣體的行為。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.B4.B5.B6.B7.C8.C9.D10.B二、填空題1.不變2.C_v(T2-T1)或-nR(T2-T1)（注：C_v為定容熱容，n=1mol；或直接用理想氣體內能公式U=(3/2)nRT，ΔU=nC_vΔT=C_v(T2-T1)）3.dS≥δQ/T4.可逆5.理想溶液6.零7.傳入體系的熱量；軸功8.組分i的分壓；亨利常數9.-RTlnK10.多相三、計算題1.解：理想氣體恒溫過程，ΔU=0，ΔH=0。由熱力學第一定律（穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流，Q=ΔH+Ws=Ws），可得Ws=Q=500kJ。理想氣體恒溫膨脹，W=-nRTln(P2/P1)=-1mol*8.314J/(mol·K)*300K*ln(10bar/100bar)=5.76kJ。因為過程絕熱，所以體系對外不做功（Ws=500kJ），外界對體系做功（W=-5.76kJ）。根據能量守恒，體系應吸收熱量Q=Ws+W=500kJ-5.76kJ=494.24kJ。結論：W=-5.76kJ，ΔU=0，ΔH=0，Q=494.24kJ。（注意：題目給Q=500kJ，與理想氣體絕熱可逆膨脹計算出的W=-5.76kJ相矛盾，通常此類題目應基于題目給定的Q值計算，即W=500kJ，ΔU=0,ΔH=0。此處按題目給Q=500kJ計算W）最終答案：W=500kJ，ΔU=0，ΔH=0。2.解：設最終平衡溫度為T_f。根據熱量守恒：m_Ac_A(T_f-T1_A)+m_Bc_B(T_f-T1_B)=0200kg*4.18kJ/(kg·K)*(T_f-20°C)+100kg*4.18kJ/(kg·K)*(T_f-80°C)=0836(T_f-20)+418(T_f-80)=0836T_f-16720+418T_f-33440=01254T_f=50160T_f=40°C總熵變ΔS_total=m_Ac_Aln(T_f/T1_A)+m_Bc_Bln(T_f/T1_B)ΔS_total=200*4.18*ln(403.15/293.15)+100*4.18*ln(403.15/353.15)ΔS_total≈200*4.18*0.1353+100*4.18*0.1396ΔS_total≈113.5J/K+58.3J/KΔS_total≈171.8J/K3.解：理想氣體，溫度不變，ΔU=0，ΔH=0。對理想氣體，dS=nRdlnP/P。從P1到P2，ΔS=nRln(P2/P1)=1mol*8.314J/(mol·K)*ln(10bar/1bar)=19.14J/K?；旌衔锏撵刈儲_mixture=n_AS_A2+n_BS_B2-(n_AS_A1+n_BS_B1)=n(S2-S1)=1mol*(S_vap-100J/(mol·K))=19.14J/K。S_vap=119.14J/(mol·K)。恒溫下，理想氣體的焓（或內能）僅是溫度的函數。由于溫度不變，壓縮前后摩爾焓不變，即H2=H1=500kJ/mol。結論：摩爾焓H2=500kJ/mol，摩爾熵S2=119.14J/(mol·K)。4.解：理想氣體混合物，Gm=Σx_iμ_i。純組分i的化學勢μ_i(T,P)=Gm_i(T,P)?；旌衔锏哪柤妓棺杂赡蹽m_mixture=Σx_iGm_i=x_AGm_A+x_BGm_B=0.5*3000J/mol+0.5*3500J/mol=3250J/mol?；旌线^程的自發(fā)方向由ΔG指示。比較混合物與純組分在相同T,P下的Gm值：ΔG=Gm_mixture-Σx_iGm_i=3250J/mol-(0.5*3000J/mol+0.5*3500J/mol)=3250J/mol-3250J/mol=0。由于ΔG=0，該混合過程在恒溫恒壓下處于平衡狀態(tài)，既不自發(fā)進行也不非自發(fā)進行（是一個可逆過程）。5.解：恒溫恒壓下，ΔG=ΔH-TΔS。ΔH_vap=400kJ/mol=400000J/mol。S_vap=100J/(mol·K)。T=25°C=298.15K。ΔG=400000J/mol-298.15K*100J/(mol·K)=400000J/mol-29815J/mol=370185J/mol=370.2kJ/mol。判斷：ΔG>0，說明在25°C和1bar下，液體自發(fā)汽化的趨勢很小，過程非自發(fā)。這與實際情況（常壓沸點高于25°C）一致。四、簡答題1.答：熱力學第二定律的克勞修斯表述為：不可能將熱從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化。開爾文表述為：不可能從單一熱源取熱使之完全轉變?yōu)楣?，而不產生其他影響。這兩種表述是等價的。可以從克勞修斯表述推導出開爾文表述，反之亦然。例如，若存在一個能從單一熱源取熱完全變成功而不產生其他影響的機器（違反開爾文表述），則可以驅動一臺理想熱機將熱量從低溫熱源傳到高溫熱源而不做功（違反克勞修斯表述）。因此，兩種