2 mol 冰在 0 ,^circ mathrm(C),1 atm 下变成水,此过程Q [填空1] 0,W [填空2] 0,Delta U [填空3] 0,Delta H [填空4] 0,Delta G [填空5] 0.(已知冰和水的密度分别为 0.917 , mathrm(g/cm^3) 和 1.000 , mathrm(g/cm^3))(填入 “>”,“=”或“<”)
2 mol 冰在 $0 \,^{\circ} \mathrm{C}$,1 atm 下变成水,此过程
$Q$ [填空1] 0,
$W$ [填空2] 0,
$\Delta U$ [填空3] 0,
$\Delta H$ [填空4] 0,
$\Delta G$ [填空5] 0.
(已知冰和水的密度分别为 $0.917 \, \mathrm{g/cm^3}$ 和 $1.000 \, \mathrm{g/cm^3}$)
(填入 “>”,“=”或“<”)
题目解答
答案
解析
本题主要考查了热力学中热量($Q$)、功($W$)、内能变化($\Delta U$)、焓变($\Delta H$)和吉布斯自由能变($\Delta G$)的概念及相关计算,解题思路是根据各物理量的定义和性质,结合冰融化成水这一过程的特点进行分析。
1. 分析热量 $Q$
冰融化成水是一个吸热过程,即系统从外界吸收热量。根据焓变的定义,在等压过程中,$Q = \Delta H$。因为冰融化是吸热的,所以$\Delta H>0$,进而可得$Q>0$。
2. 分析功 $W$
功的计算公式为$W = -p\Delta V$,其中$p$是压强,$\Delta V$是体积变化量。
已知冰的密度$\rho_{ice}=0.917 \, \mathrm{g/cm^3}$,水的密度$\rho_{water}=1.000 \, \mathrm{g/cm^3}$,冰融化成水质量不变,设质量为$m$。
根据密度公式$\rho=\frac{m}{V}$,可得冰的体积$V_{ice}=\frac{m}{\rho_{ice}}$,水的体积$V_{water}=\frac{m}{\rho_{water}}$。
则体积变化量$\Delta V = V_{water} - V_{ice}=m(\frac{1}{\rho_{water}} - \frac{1}{\rho_{ice}})$。
因为$\rho_{ice}<\rho_{water}$,所以$\frac{1}{\rho_{water}} - \frac{1}{\rho_{ice}}<0$,即$\Delta V<0$。
又因为压强$p = 1 \, \text{atm}>0$,所以$W = -p\Delta V>0$。
3. 分析内能变化 $\Delta U$
根据热力学第一定律$\Delta U = Q + W$,也可以表示为$\Delta U = \Delta H - p\Delta V$。
由前面分析可知$\Delta H>0$,$p\Delta V<0$,那么$\Delta H - p\Delta V>0$,所以$\Delta U>0$。
4. 分析焓变 $\Delta H$
冰融化成水是一个相变过程,且是吸热过程,所以焓变$\Delta H>0$。
5. 分析吉布斯自由能变 $\Delta G$
在$0^{\circ}C$、$1 \, \text{atm}$下,冰和水处于平衡共存状态。根据吉布斯自由能变的定义,在平衡状态下,$\Delta G = 0$。