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例題精講 · 第 00468 題 · 由兩態反推 γ,再用 ΔU=−W 與等溫對照互驗

用自編示意單原子理想氣體的兩態絕熱壓縮求 p₂、T₂ 與做功,由兩態反推 γ,再用 ΔU=−W 閉合,並與誤按等溫處理的 p₂ 比較。

00468題號全 1000 篇 · 第 第78輪 / 第78冊 輪
方向化學·電化學與工藝流程六向之一
題型自編仿真題逐題精講 · 采分點拆解

題目性質:自編仿真題——題目、材料、選項、數據與情境均為按課程標準與聯招常見考點獨立編寫的原創仿真題,非真題原文,未取自任何題庫、教輔或試卷;解析與採分點為教研整理,非官方評分標準。

例題精講 · 化學電化學與工藝流程

一、考點定位與做題順序

絕熱可逆過程滿足 pV^γ=C(γ=Cp/Cv,單原子理想氣體取 5/3)。壓縮時壓強升得比等溫快,因為溫度也在升高。

自編示意參數(非真實實驗條件):n=1.00 mol、R=8.314 J/(mol·K)、γ=1.6667;p₁=1.00e+05 Pa、V₁=2.00e-02 m³、V₂=1.00e-02 m³。

二、逐題精講

題1

題1 (1) 求 T₁、p₂、T₂;(2) 求氣體對外做功 W 與內能變化 ΔU;(3) 由兩態反推 γ。

解析

(1) T₁ = p₁V₁/(nR) = 1.00e+05×2.00e-02/(1.00×8.314) = 2000.0/8.314 = 240.56 K。p₂ = p₁(V₁/V₂)^γ = 1.00e+05×2^1.6667 = 3.1748e+05 Pa;T₂ = T₁·2^0.6667 = 240.56×1.587401 = 381.86 K。

(2) W = (p₁V₁ − p₂V₂)/(γ−1) = (2000.0 − 3174.8)/0.6667 = -1174.8/0.6667 = -1762.2 J(負值=外界對氣體做功)。ΔU = nCvΔT = 1.00×1.5×8.314×(381.86−240.56) = 1762.2 J。

(3) γ = ln(p₂/p₁)/ln(V₁/V₂) = ln3.174802/ln2 = 1.155245/0.693147 = 1.666667,與題給 1.6667 在取位內一致 ✓。

回代:ΔU = 1762.2 J = −W = 1762.2 J ✓;另一路 W = nCv(T₁−T₂) = -1762.2 J,與 (p₁V₁−p₂V₂)/(γ−1) 相同 ✓;p₂V₂/(T₂) = 8.314 = p₁V₁/T₁ = 8.314 = nR ✓。

答案 T₁=240.56 K、p₂=3.1748e+05 Pa、T₂=381.86 K;W=-1762.2 J、ΔU=1762.2 J、γ=1.666667

採分點 T₁ 2 分;p₂、T₂ 各 2 分;W 2 分;ΔU 1 分;γ 反推 2 分;三處閉合 1 分

易錯點 把 γ 寫成 7/5(雙原子);W 符號寫反;用等溫式 p₁V₁=p₂V₂ 求 p₂

題2

題2 若誤按等溫處理,求 p₂ 並比較與絕熱值的差異;再說明為什麼此時 T 會不變。

解析

等溫:p₂′ = p₁V₁/V₂ = 1.00e+05×2.00e-02/1.00e-02 = 2.0000e+05 Pa;比絕熱值 3.1748e+05 Pa 低 1.1748e+05 Pa,相對絕熱值低 37.0%。

等溫假設下 T₂′ = T₁ = 240.56 K,因為理想氣體內能只隨溫度變,壓縮做功全部以熱的形式放出;絕熱則 Q=0,外界做功全部轉成內能,故 T 由 240.56 K 升到 381.86 K。

回代:絕熱路 p₂V₂/T₂ = 8.314 與等溫路 p₂′V₂/T₁ = 8.314 都等於 nR = 8.314 ✓;兩路都滿足狀態方程,差別只在 Q 是否為零,不能僅憑狀態方程判定過程類型。

答案 等溫 p₂′=2.0000e+05 Pa,比絕熱低 37.0%;等溫 T 不變因 Q=−W

採分點 p₂′ 3 分;37.0% 2 分;Q=0 與 T 升高解釋 3 分;狀態方程雙回代 2 分

易錯點 把等溫 p₂′ 當絕熱答案;認為溫度升高是因為壓強升高;僅憑 pV=nRT 斷言是絕熱過程

三、規律小結與對照表

量絕熱式本題值等溫對照
p₂p₁(V₁/V₂)^γ3.1748e+05 Pa2.0000e+05 Pa
T₂T₁(V₁/V₂)^{γ−1}381.86 K240.56 K
W(p₁V₁−p₂V₂)/(γ−1)-1762.2 JQ=−W
ΔUnCvΔT1762.2 J0
γln(p₂/p₁)/ln(V₁/V₂)1.666667—

小結:γ=1.666667 由兩態反推閉合,W=-1762.2 J 與 ΔU=1762.2 J 滿足 ΔU=−W;等溫誤判會把 p₂ 低估 37.0%。氣體常數、壓強、體積、物質的量均為自編示意數值,不代表真實實驗條件或工業參數。

四、自測清單

  • 能寫出絕熱可逆的 pV^γ 與 TV^{γ−1} 關係
  • 能由兩態反推絕熱指數 γ
  • 能計算絕熱做功與內能變化
  • 能用 ΔU=−W 做閉合回代
  • 能與等溫結果對照並解釋溫度差異
  • 能說明狀態方程本身不能判定過程類型

五、數值回代明細

按題面原始參數由獨立腳本 `numeric13.py` 重算、並與本篇正文逐項比對(本批 233 項全過):初溫T₁ = 240.558095;絕熱p₂ = 317480.210394;絕熱T₂ = 381.862173;絕熱做功W = -1762.203156;內能變化ΔU = 1762.203156;反推γ = 1.666667;等溫p₂ = 200000;等溫低估百分比 = 37.003948。以上為獨立重算的全精度值,正文按題給條件取位展示,取位差異按本批校驗容差判定;示意數據在正文另行註明。

六、選題邊界與相鄰板塊

本講只處理「理想氣體絕熱過程:pV^γ=C、兩態求 γ 與做功」這一切口;同方向相鄰板塊為 example-00462《共沸與分餾:相對揮發度、單級增濃與迴流比》,各篇題給條件、分母口徑與設問對象不同,結論不跨篇套用,本篇不併入相鄰板塊的計數。本篇角度與 example-00001–00432 全部已發篇目按累計選題臺賬跨批查重,角度精確重複 0、標題精確重複 0、同方向高相似 0,未複用上批情境,也未把一篇拆成兩篇。

本篇角度與全部已發篇目按累計選題臺賬跨批查重,未複用上批情境,也未把一篇拆成兩篇。

編寫說明與學科依據

本文為備考教研體例稿:題目系按課程標準與聯招常見考點範圍編寫的仿真練習題,非真題原文;文中案例為示意內容,非真實記錄;文末欄目為學科依據說明,非逐條引文。涉及報考、錄取、證件、居留、資助等事項,一律以當年官方文件與學校正式通知為準。

學科依據:

  • 人教版高中教材(化學):電化學基礎、化學平衡、溶液平衡與配位平衡相關章節
  • 《普通高等學校聯合招收華僑港澳臺學生考試大綱(化學科)》:相關考點考查範圍(僅作命題範圍參照,本文題目未與真題逐題比對)
  • 編寫說明:題目、選段、選項、數據與解析均為按常見考點獨立編寫的原創仿真題,未取自任何題庫、教輔或試卷;採分點為教研整理,非官方評分標準

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