5 mol理想气体于始态t1=25 ℃、p1=101.325 kPa、V1恒温膨胀至末态,已知末态体积V2=2V1,分别计算气体膨胀时反抗恒定外压p(环)=0.5p1及进行可逆膨胀时系统所做的功。
时间: 2024-03-29 19:37:37 浏览: 127
根据理想气体状态方程 PV=nRT,可以得到始态的物态参数为:
n = 5 mol
T1 = 25 ℃ = 298 K
P1 = 101.325 kPa
V1 = nRT1/P1 = 5×8.314×298/101.325 ≈ 123.5 L
末态的体积为 V2 = 2V1 = 247 L。
由于恒温膨胀,温度保持不变,因此末态的压强为:
P2 = nRT1/V2 = 5×8.314×298/247 ≈ 50.16 kPa
首先考虑反抗恒定外压 p(环) = 0.5p1 的情况。根据绝热过程的理论,对于理想气体的绝热膨胀,有 PV^γ = 常数,其中γ=Cp/Cv是气体的绝热指数。对于单原子分子的气体,γ=5/3。
在该问题中,由于温度不变,γ保持不变。因此,末态的压力可以通过始态的物态参数和末态的体积计算得到:
P2 = P1(V1/V2)^γ = 101.325(123.5/247)^(5/3) ≈ 67.33 kPa
由于外界压力小于末态气体的压力,因此气体会继续膨胀,直到外界压力等于末态气体的压力为止。在整个过程中,气体对外界所做的功为:
W = ∫PdV = ∫P1(V1/V)^γdV = P1V1/(γ-1)[(V2/V1)^(γ-1) - 1] ≈ 11.05 kJ
接下来考虑进行可逆膨胀的情况。在可逆膨胀中,系统内部和外部压强始终相等,因此可以直接使用始态和末态的物态参数计算系统所做的功。由于可逆膨胀是等温的,因此末态的压力仍然为 P2 ≈ 50.16 kPa。在整个过程中,气体对外界所做的功为:
W = -nRT1ln(V2/V1) ≈ -11.05 kJ
注意到这里的功是负数,表示气体对外界做负功,即外界对气体做正功,将气体从 V1 膨胀到 V2 所需要的功。
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