第一章 热力学第一定律
第一章.热力学第一定律
1.4-2 可逆过程
一次（两次）压缩过程 环境对系统作的功 大于
一次（两次）膨胀过程 系统对环境作的功 原因：多作的功变成热传给了环境 对于准静态膨胀过程的逆过程：压缩可使系统 复原时，环境也同时恢复到原状。这种： 能通过原来过程的反方向而使系统和环境都同 时复原，不留下任何痕迹的过程称为可逆过程
z 可逆过程是一种理想过程，是对真实世 界的科学抽象 一些重要的热力学函数只有通过可逆过 程才能求得
热力学第二定律
开尔文（Lord Kelvin， 1824-1907，英) 1848 克劳修斯（Clausius，1822-1888 ，德）1850
z 构成了热力学的基础
z 人类经验总结，物理化学中最基本定律
z 有着极其牢固的实验基础，其结论具有 高度普遍性和可靠性
z 20世纪初建立了热力学第三定律
一些过程的设计与求算： 1. 理想气体等温过程
∆U =0 ∆H =0 Q=W （可由功求热）
z 等温可逆过程
∫ ∫ W = V2 PdV = V2 nRT dV =nRT ln V2 = Q
V1
V V1
V1
z 对抗恒外压 W= P外 ( V2- V1) = Q
2. 理想气体绝热过程 Q=0 ∆U= nCv.m∆T ∆H = nCp.m∆T W=-∆U(可由内能求功)
浴的温度发生变化即∆T=0, 由此可知
系统 无热传递 环境
Q=0
(2) 气体 向真空膨胀，P外=0, W膨=0
由第一定律则： ∆U=Q-W膨=0 此时：dU=(∂U/∂T)vdT + (∂U/∂V)TdV =0
因dT =0 (∂U/∂v)Tdv=0 但dv≠0 故 (∂U/∂v)T = 0 同理可证 (∂U/∂P)T = 0 即U=f(T)
第1章 热力学第一定律
系统在环境温度不变的条件下发生的变化历程。T1=T2=Te
2). 恒压过程(isobaric process)： 系统在环境压力不变的条件下发生的变化历程。P1=P2=Pe
3) .恒容过程(isochoric process)：
容积不变的系统发生的变化历程。V1=V2
4) 绝热过程(adiabatic process)： 系统在与环境间无热量交换的条件下发生的变化历程。 5) 循环过程(cyclic process)：
化学热力学是怎样产生的？
19世纪，发明蒸汽机，导致工业革命的出现。
蒸汽机：燃煤锅炉——产生高温高压水蒸气——推动机械运转 “热能——机械能” 如何提高“热 — 机”效率？
总结并发现热力学一、二定律——热力学的主要基础。
第一定律：研究化学变化过程中的热效应等能量转换问题。 第二定律：研究化学变化过程的方向和限度。
定义 H=U+PV (焓) QP =H2－H1=△H
对微小的恒压过程， δQP= dH
由于H=U+PV，所以焓是状态函数。△H=△U+△(PV) 热力学定义焓的目的，主要在于研究问题的方便。 物理意义：对于只作膨胀功的恒压过程，系统焓的变化在数值 上等于过程的热。
因恒压热等于系统的焓变，故恒压热也只决定于系统的初末态，与过程无关。
宏观性质统称为状态函数(state function)。
2. 状态函数： 状态函数是系统所处状态的单值函数。对于确定的状态，所 有的状态函数都有确定的值。相反，当状态函数发生变化时， 状态也随之变化。 ★状态和性质之间是相互影响，相互制约的，系统的状态性质 中只要有一个发生变化，必将引起其它性质的变化。 因此，描述系统的状态时，并不需要罗列系统的全部性质。 例：理想气体状态方程
第一章 热力学第一定律
对于单位质量工质，
wf pv
流动功是由泵或风机加给被输送工质并随 工质流动向前传递的一种能量，非工质本身具 有的能量。
40
二、开口系统的稳定流动能量方程 在 时间内,
进口质量 m1、 流 速 cf1、 标 高 z1
出口质量 m2、 流 速 cf2、 标 高 z2
稳定流动：
34
（2）示热图 在可逆过程中 单位质量工质与外 界交换的热量可以 用T-s 图（温熵图） 上过程曲线下的面 积来表示。 温熵图也称 示热图
q Tds
1 2
例1-5
35
§1-5
热力学第一定律及其解析式
一、热力学第一定律的实质
热力学第一定律实质就是热力过程中的 能量守恒和转换定律 ，可表述为 ：
W pAdx pdV
对于可逆过程1～2： W
2 1
pdV
30
单位质量工质所作的膨胀功用符号w 表 示，单位为J/kg 或 kJ/kg。
w pdv
膨胀：dv > 0 , w > 0 压缩：dv < 0 , w < 0 (2) 示功图（p-v图） w的大小可以 pv 图上的过程曲线下 面的面积来表示 。 功是过程量而不 是状态量。
w pdv
1
2
31
二、热量与示热图
（1）热量 系统与外界之间依靠温差传递的能量称 为热量。符号：Q ；单位：J 或kJ。 单位质量工质所传递的热量用q 表示，单 位为 J/kg 或 kJ/kg。 热量正负的规定： 系统吸热：q > 0 ; 系统放热：q < 0 。 热量和功量都是系统与外界在相互作用的过 程中所传递的能量，都是过程量而不是状态量
大学化学《物理化学-热力学第一定律及其应用》课件
(1)克服外压为 p '，体积从V1 膨胀到V ' ； (2)克服外压为 p"，体积从V ' 膨胀到V " ；
(3)克服外压为 p2，体积从V "膨胀到V2 。
We,3 p '(V 'V1)
p"(V "V ')
p
p1
p1V1
p2 (V2 V ")
p'
所作的功等于3次作功的加和。p "
p 'V ' p"V "
可见，外压差距越小，膨 p2 胀次数越多，做的功也越多。
V1 V ' V "
p2V2
V2 V
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2024/9/13
功与过程（多次等外压膨胀）
p"
p' p1
V"
V1
V'
p
p1
p1V1
p2
V2
p'
p 'V '
阴影面积代表We,3
p"
p"V "
p2
p2V2
上一内容
下一内容
V1 V ' V "
第三步：用 p1 的压力将体系从V ' 压缩到 V1 。
p
W' e,1
p"(V "
V2 )
p1
p1V1
p' (V ' V ")
p'
p 'V '
p1(V1 V ' )
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V2 V
热力学第一定律
热 力 学第一章 热力学第一定律§1 热力学第一定律 一.准静态过程系统的状态发生变化时—系统在经历一个过程。
过程进行的任一时刻，系统的状态并非平衡态.热力学中，为能利用平衡态的性质，引入准静态过程的概念。
性质：1.准静态过程：是由无数个平衡态组成的过程即系统的每个中间态都是平衡态。
2.准静态过程是一个理想化的过程，是实际过程的近似。
实际过程仅当进行得无限缓慢时才可看作是准静态过程 。
·拉动活塞，使系统由平衡态1 →状态2，过程中系统内各处的密度(压强、温度)并不完全相同，要过一会儿时间，状态 2才能达到新的平衡。
所以，只有过程进行得无限缓慢，每个中间态才可看作是平衡态。
☆怎样判断“无限缓慢”？弛豫时间τ：系统由非平衡态到平衡态所需时间。
准静态过程条件： ∆t 过程进行 >> τ例如，实际汽缸的压缩过程可看作准静态过程， ∆t 过程进行 = 0.1秒τ = 容器线度/分子速度= 0.1米/100米/秒 = 10-3秒3.过程曲线：准静态过程可用P －V 图上 一条线表示。
状态1状态2二.功、内能、热量1.功 ·通过作功可以改变系统的状态。
·机械功(摩擦功、体积功)2.内能·内能包含系统内：(1)分子热运动的能量；(2)分子间势能和分子内的势能；(3)分子内部、原子内部运动的能量； (4)电场能、磁场能等。
·内能是状态的函数*对于一定质量的某种气体，内能一般是T 、V 或P 的函数； *对于理想气体，内能只是温度的函数 E = E (T )*对于刚性理想气体分子, i ：自由度； ν ：摩尔数 ·通过作功改变系统内能的实质是：分子的有规则运动能量和分子的无规则运动能量的转化和传递。
3.热量·传热也可改变系统的状态，其条件是系统和外界的温度不同。
·传热的微观本质：是分子的无规则运动能量从高温物体向低温物体传递。
热力学 第一定律
（3）循与过程原来途径相反方向进行，可使体系 和环境完全恢复原态。
第五节 焓
掌握焓的定义及性质。 掌握恒压热和恒容热的表达形式。
QV U （W，=0,恒容）
H = U + pV
Qp H
（W，=0,恒压）
第六节 热容
三. 热力学第一定律的数学表达式
封闭系统，从状态1变为状态2，若系统从环境吸 收了Q的热，系统对环境作了W的功。根据热力学第 一定律，此系统热力学能的改变ΔU为：
ΔU = U2 - U1 = Q +W 若系统所发生的变化非常微小，则：
d U = δQ +δW
第四节 可逆过程与体积功
掌握各种压缩和膨胀过程的体积功的计算。 掌握准静态过程和可逆过程的意义和特点。
第一章 热力学第一定律
一、系统与环境
•系统（system）－被划定的研究对象称为系统。 •环境（surroundings）－ 与系统密切相关、有相互作 用的物质和空间称为环境。
一、系统与环境
根据系统与环境之间的关系，把系统分为三类： （1）敞开系统（open system） 系统与环境之间既有物质交换，又有能量交换。
周而复始 值变为零
异途同归 值变相等
六、热和功
热和功是能量传递或交换的两种形式：
1、热（heat）-- 系统与环境之间因温差而传递的能 量称为热，用符号Q 表示。 Q的取号：
系统吸热，Q>0；
系统放热，Q<0 。
2、功（work）--系统与环境之间传递的除热以外的 其它能量都称为功，用符号W表示。
第七节 热力学第一定律的应用
掌握热力学第一定律在理想气体的等温、等压、
第一章 热力学第一定律
混合气体的分压和分体体积
分压定义：
pi = pyi
ECNU
yi ——混合 气体中i组分 摩尔分数
分体积定义：
i
pi pi yi p
Vi = Vyi
V V y V
i i i i
混合理想气体
混合理想气体的定义
ECNU
低压气体 实验
（1）满足pV = nRT 的状态方程； （2）用半透膜将两个混合理想气体隔开，不论气体组 成如何，能透过膜的组分在膜两边的分压相等。 混合理想气体中某组分的分压就是该组分分子碰撞 器壁产生的压力。
状态 状态函数
ECNU
异途同归
状态函数的特性
值变相等
周而复始
数值还原
状态函数在数学上具有全微分的性质。
状态函数的全微分性质
ECNU
状态函数是单值、连续、可微、可积的函数，在状态 图上是一条连续变化的平滑曲线。其全微分性质包括 ： 2
(1)
z dz z2 z1
1
（ 1 ）状态函数的变化与积 分路线无关 （ 2 ）在任意循环过程中状 态函数的变化值等于0 （ 3 ）双变量体系状态函数 对两个状态参量的混合偏导 数与求导次序无关
强度性质是体系的内在性质，反映体系质的特征， 物理化学中有时体系的状态指的就是其强度性质。
广度性质与强度性质之间关系
ECNU
两个一次奇函数之比是一个零次奇
函数。因此体系某两个广度性质之比等
于体系的一个强度性质，例如
体积/物质的量=摩尔体积(Vm)；
质量/体积=密度()
状态方程
ECNU
体系状态函数之间的定量关系式称为状态方程 （state equation ）。 对于一定量的单组分均匀体系，状态函数T,p,V 之间有一定量的联系。经验证明，只有两个是独立 的，它们的函数关系可表示为： T=f（p,V） p=f（T,V） V=f（p,T） 例如，理想气体的状态方程可表示为： pV = nRT
第一章 热力学第一定律
1.1.2.3 过程和途径
1.过程：当体系的状态发生变化时，状态变 化的经过，强调变化的方式 2.途径：完成变化的具体步骤，强调经由路 径的不同
注： 过程和途径不是严格区分的两个概念， 不强调方式和路径的时候可通用
几种常见的过程
• 等/定温过程：体系始态、终态及过程中的温度等于环境 温度且为常数。 T始=T终=T体=T环=常数 • 等/定压过程：体系始态、终态及过程中的压力等于环境 压力且为常数。 p始=p终=p体=p环=常数 • 等/定容过程：在变化过程中，体系的容积始终保持不变。 V体=常数
二次恒外压压缩
体系返回原状态，体系虽然恢复原 态，但环境失去功，得到热
等温可逆膨胀
V2 WⅣ nRT ln V1
W WⅣ WⅣ 0 , 又U Q W 0, 则Q 0
等温可逆压缩 V1 WⅣ nRT ln V2
体系循原过程返回，不仅体系恢复原态，而且未给 环境留下功热转化的痕迹，即环境也恢复原状态
1.1.3.1 能量守恒定律
1840年左 右，焦耳 发现了热 功当量
1.1.3.1 能量守恒定律
热功当量
升高相同的温度
状态1 加热 W=0 状态2 热 功 当 量
Q=0
Q=0
机械功 电功
1.1.3.1 能量守恒定律
电量热法
1.1.3.1 能量守恒定律
机械量热法
1.1.3.1 能量守恒定律
到1850年，科学界公认能量守恒定律是自然界的普 遍规律之一。
1.1.3.3 “热一”数学表达 式
Q
W
W
U1
Q
U2
U2-U1 = Q+W
1.1.3.3 “热一”数学表达式
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第一章热力学第一定律选择题1．热力学第一定律ΔU=Q+W 只适用于（）(A) 单纯状态变化 (B) 相变化 (C) 化学变化 (D) 封闭物系的任何变化答案：D2．关于热和功, 下面的说法中, 不正确的是(A) 功和热只出现于系统状态变化的过程中, 只存在于系统和环境间的界面上(B) 只有在封闭系统发生的过程中, 功和热才有明确的意义(C) 功和热不是能量, 而是能量传递的两种形式, 可称之为被交换的能量(D) 在封闭系统中发生的过程中, 如果内能不变, 则功和热对系统的影响必互相抵消答案：B2．关于焓的性质, 下列说法中正确的是（）(A) 焓是系统内含的热能, 所以常称它为热焓 (B) 焓是能量, 它遵守热力学第一定律(C) 系统的焓值等于内能加体积功 (D) 焓的增量只与系统的始末态有关答案：D。
因焓是状态函数。
3．涉及焓的下列说法中正确的是（）(A) 单质的焓值均等于零 (B) 在等温过程中焓变为零 (C) 在绝热可逆过程中焓变为零(D) 化学反应中系统的焓变不一定大于内能变化答案：D。
因为焓变ΔH=ΔU+Δ(pV)，可以看出若Δ(pV)＜0则ΔH＜ΔU。
4．下列哪个封闭体系的内能和焓仅是温度的函数（）(A) 理想溶液(B) 稀溶液(C) 所有气体(D) 理想气体答案：D5．与物质的生成热有关的下列表述中不正确的是（）(A) 标准状态下单质的生成热都规定为零 (B) 化合物的生成热一定不为零 (C) 很多物质的生成热都不能用实验直接测量(D) 通常所使用的物质的标准生成热数据实际上都是相对值 答案：A 。
按规定，标准态下最稳定单质的生成热为零。
6．dU=CvdT 及dUm=Cv,mdT 适用的条件完整地说应当是（ ）(A) 等容过程 (B)无化学反应和相变的等容过程 (C) 组成不变的均相系统的等容过程(D) 无化学反应和相变且不做非体积功的任何等容过程及无反应和相变而且系统内能只与温度有关的非等容过程 答案：D7．下列过程中, 系统内能变化不为零的是（ ）(A) 不可逆循环过程 (B) 可逆循环过程 (C) 两种理想气体的混合过程 (D) 纯液体的真空蒸发过程答案：D 。
因液体分子与气体分子之间的相互作用力是不同的故内能不同。
另外，向真空蒸发是不做功的，W ＝0，故由热力学第一定律ΔU ＝Q ＋W 得ΔU ＝Q ，蒸发过程需吸热Q ＞0，故ΔU ＞0。
8．第一类永动机不能制造成功的原因是（ ）(A) 能量不能创造也不能消灭 (B) 实际过程中功的损失无法避免 (C) 能量传递的形式只有热和功 (D) 热不能全部转换成功答案：A9．盖斯定律包含了两个重要问题, 即（ ）(A) 热力学第一定律和热力学第三定律 (B) 热力学第一定律及热的基本性质(C) 热力学第三定律及热的基本性质 (D) 热力学第一定律及状态函数的基本特征 答案：D10．当某化学反应ΔrCp,m ＜0,则该过程的()r m H T ∆随温度升高而（ ）(A) 下降 (B) 升高 (C) 不变 (D) 无规律 答案：A 。
根据Kirchhoff 公式,()/r m r p m d H T dT C ∆=∆可以看出。
11．在下面涉及盖斯定律的表述中, 不正确的是（ ）(A) 对在等温等压且不做非体积功的条件下, 发生的各个化学反应过程和相变过程, 可使用盖斯定律(B) 对在等温等容且不做功的条件下, 发生的各个化学反应过程, 可使用盖斯定律(C)同一物质在盖斯定律涉及的几个反应中都出现时, 只要无溶解等现象, 相态不同也可加减(D) 利用盖斯定律求某个反应的热效应时可引入一些别的反应,设想一些中间步骤, 无论实际反应是否按这些中间步骤进行都可以答案：C12．下面的说法符合热力学第一定律的是（）(A) 在一完全绝热且边界为刚性的密闭容器中发生化学反应时,其内能一定变化(B) 在无功过程中, 内能变化等于过程热, 这表明内能增量不一定与热力学过程无关(C)封闭系统在指定的两个平衡态之间经历绝热变化时, 系统所做的功与途径无关(D) 气体在绝热膨胀或绝热压缩过程中, 其内能的变化值与过程完成的方式无关答案：C。
因绝热时ΔU＝Q＋W＝W。
（A）中无热交换、无体积功故ΔU＝Q＋W＝0。
（B）在无功过程中ΔU＝Q，说明始末态相同热有定值，并不说明内能的变化与过程有关。
（D）中若气体绝热可逆膨胀与绝热不可逆膨胀所做的功显然是不同的，故ΔU亦是不同的。
这与内能为状态函数的性质并不矛盾，因从同一始态出发，经绝热可逆膨胀与绝热不可逆膨胀不可能到达同一终态。
13．关于热平衡, 下列说法中正确的是（）(A) 系统处于热平衡时, 系统的温度一定等于环境的温度 (B)并不是所有热力学平衡系统都必须满足热平衡的条件(C) 若系统A与B成热平衡, B与C成热平衡, 则A与C直接接触时也一定成热平衡(D) 在等温过程中系统始终处于热平衡答案：C。
（A）中系统处于热平衡时，若为绝热系统则系统的温度与环境无关，故不一定等于环境温度。
（D）等温过程中，系统不一定处于热平衡中。
例如，A的温度大于B，A 向B传热，而B向外散热。
若传入B的热与从B散去的热相等，则B的温度不变，为一等温过程，但A与B之间却并没有达到热平衡。
14．关于节流膨胀, 下列说法正确的是(A)节流膨胀是绝热可逆过程(B)节流膨胀中系统的内能变化(C)节流膨胀中系统的焓值改变(D)节流过程中多孔塞两边的压力不断变化答案：B15．在一个循环过程中，物系经历了i步变化，则(A) ∑Qi=0 (B) ∑Qi－∑Wi=0 (C) ∑Wi=0 (D) ∑Qi＋∑Wi=0答案：D。
因为ΔU＝∑Qi＋∑Wi，循环过程ΔU＝0。
16．与物质的燃烧热有关的下列表述中不正确的是(A) 可燃性物质的燃烧热都不为零(B) 物质的燃烧热都可测定，所以物质的标准摩尔燃烧焓不是相对值(C) 同一可燃性物质处于不同状态时,其燃烧热不同 (D) 同一可燃性物质处于不同温度下,其燃烧热之值不同答案：B。
17．关于基尔霍夫定律适用的条件,确切地说是(A) 等容条件下的化学反应过程 (B) 等压条件下的化学反应过程(C)等压或等容且不做非体积功的化学反应过程(D) 纯物质在不同温度下的可逆相变过程和等压反应过程答案：C18．关于热力学可逆过程,下面的说法中不正确的是(A) 可逆过程不一定是循环过程 (B) 在等温可逆过程中,系统做功时,系统损失的能量最小(C) 在等温可逆过程中,环境做功时,系统得到的功最小 (D) 可逆过程中的任何一个中间态都可从正逆两个方向到达答案：B。
因可逆过程系统做最大功，故系统损失的能量最大。
19．理想气体自由膨胀与范德华气体绝热自由膨胀的区别在于范德华气体经绝热自由膨胀后(A) ΔH≠0 (B) W=0 (C) ΔU≠0 (D) Q=0 答案：A。
上述两过程因绝热和不做功故W 与Q均为零。
于是ΔU亦均为零。
理想气体自由膨胀的焓未变，但范德华气体绝热自由膨胀的焓却不等于零。
因为真实气体的焓不仅是温度的函数也是压力或体积的函数。
20．如图，在绝热盛水容器中，浸入电阻丝，通电一段时间，通电后水及电阻丝的温度均略有升高，今以电阻丝为体系有：(A) W =0， Q <0， U <0 (B ). W ＞0， Q <0，U >0 (C) W <0， Q <0， U >0 (D). W <0， Q =0， U >0答案：B 。
电阻丝得到电功，故W ＞0；电功全部转化为热并部分传给水，故Q ＜0；电阻丝仍有部分热没有传给水，故U ＞0。
21．如图，用隔板将刚性绝热壁容器分成两半，两边充入压力不等的空气(视为理想气体)，已知p 右> p 左，将隔板抽去后:（A ） Q ＝0, W ＝0, U ＝0 （B ） Q ＝0, W <0, U >0 （C ）. Q >0, W <0, U >0（D ） U ＝0, Q ＝W 0答案：A 。
因系统为恒容绝热，Q ＝W ＝0，故U ＝0。
22．对于理想气体，下列关系中哪个是不正确的： (A) 0 (B) 0(C) 0 (D) 0p TT T U U T V H U p p ∂∂⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎛⎫∂∂== ⎪ ⎪∂∂⎝⎭⎝⎭ 答案：A 。
理想气体的内能只是温度的函数。
23．凡是在孤立体系中进行的变化，其U 和H 的值一定是：（A ）U >0, H >0 （B ）U ＝0, H ＝0 （C ） U <0, H <0 （D ）U ＝0，H大于、小于或等于零不能确定。
答案：D 。
24．在实际气体的节流膨胀过程中，哪一组描述是正确的: （A ）Q >0, H ＝0, p < 0 （B ）Q ＝0, H <0, p >0 （C ）Q ＝0, H ＝0, p<0 （D ）Q <0, H ＝0, p <0答案：C。
节流膨胀过程恒焓绝热且压力降低。
25．H＝Q p此式适用于哪一个过程:（A）理想气体从101325Pa反抗恒定的膨胀到（B）在0℃、101325Pa下，冰融化成水（C）电解CuSO4的水溶液（D）气体从(298K，101325Pa)可逆变化到(373K， )答案：B。
H＝Q p成立的条件是恒压、W’＝0。
26．一定量的理想气体，从同一初态分别经历等温可逆膨胀、绝热可逆膨胀到具有相同压力的终态，终态体积分别为V1、V2。
（A）V1 < V2（B）V1 = V2 （C）V1 > V2（D）无法确定答案：C（因绝热过程无法从环境吸热，则同样温度下压力较低，体积较小。
）27．某化学反应在恒压、绝热和只作体积功的条件下进行，体系温度由T1升高到T2，则此过程的焓变H:（A小于零（B）大于零（C）等于零（D）不能确定答案：C。
因恒压、不做其它功，＝Qp，又因绝热故＝。
28．下图为某气体的p－V图。
图中A→B为恒温可逆变化，A→C为绝热可逆变化，A→D为多方不可逆变化。
B, C, D态的体积相等。
问下述关系中哪一个错误（A） T B > T C（B）T C > T D （C）T B > T D （D）T D > T C答案：B 29．在体系温度恒定的变化过程中，体系与环境之间：（A）一定产生热交换（B）一定不产生热交换（C）不一定产生热交换（D）温度恒定与热交换无关答案：C。
例如，理想气体自由膨胀为恒温过程，W＝0，Q＝0。
30．某绝热封闭体系在接受了环境所做的功后，其温度：（A）一定升高（B）一定降低（C）一定不变（D）不一定改变答案：A31．体系的状态改变了，其内能值：（A）必定改变 (B)必定不变 (C)不一定改变 (D) 状态与内能无关答案：C。