第二章 P58
2-1 求温度673.15K 、压力4.053MPa 的甲烷气体摩尔体积。 解:(a )理想气体方程
1
3
3
6
10
381.110
053.415.673314.8--???=??=
=
?=mol
m
p
RT V RT pV
(b )用R-K 方程
① 查表求c T 、c p ;② 计算a 、b ;③ 利用迭代法计算V 。
()
()()1
3
3
11
3
3
0110
3896.110381.1--+--+???=?
?????=+??--
+=
+??-
-=
mol
m V mol
m V b V V T b V a b p
RT V b V V T a b V RT p i i i i i
(c )用PR 方程
步骤同(b ),计算结果:1
3
3
110
3893.1--+???=mol
m
V i 。
(d )利用维里截断式
2
.41
6
.10
1
172.0139.0422.0083.0111r
r
r
r r
r r
r c
c T B
T B
T p B T p B
T p RT Bp RT Bp RT
pV Z -
=-=?
?+?
+=?
+
=+
==
ω
查表可计算r p 、r T 、0B 、1B 和Z 由1
3
3
10
391.1--???==
?=mol
m
p
ZRT V RT
pV Z
2-2 V=0.5 m 3,耐压2.7 MPa 容器。规定丙烷在T=400.15K 时,p<1.35MPa 。求可充丙烷多少千克? 解:(a )用理想气体方程
1
3
6
948.815
.400314.85
.010
35.10441.0--??=????=
=
?=
?=mol
m
RT
MpV m RT M
m pV nRT
pV (b )用R-K 方程
① 查表求c T 、c p ;② 计算a 、b ;③ 利用迭代法计算V 。
()
()()1
33
11
3
3
0110
241.210464.2--+--+???=?
?????=+??--
+=
+??-
-=
mol
m V mol
m
V b V V T b V a b p
RT V b V V T a b V RT p i i i i i
则可充丙烷质量计算如下:
kg
M V V M n m i ?=??=
?=
?=-+838.910
241.25.00441.03
1
(c )利用维里截断式:
2
.41
6
.10
1
172.0139.0422.0083.0111r
r
r
r r
r r
r c
c m
T B
T B
T p B T p B
T p RT Bp RT
Bp RT
pV Z -
=-
=?
?+?
+=?
+
=+
==
ω
查表可计算r p 、r T 、0B 、1B 和Z 由1
3
3
6
10
257.210
35.115
.400314.8916.0--???=???=
?=mol
m
V RT
pV Z
m m
则可充丙烷质量计算如下:
kg
M V V M n m i ?=??=
?=
?=-+77.910
257.25.00441.03
1
2-4 V=1.213 m 3,乙醇45.40 kg ,T=500.15K ,求压力。 解:(a )理想气体状态方程
MPa
V
RT M
m V
nRT p ?=??
=?==
383.3213
.115
.500314.846
40.45
(b )用R-K 方程
a 0.42748R 2
?T C
2.5
?P C
28.039
b
0.08664R ?T C
?P C
0.058
()
MPa
p kmol
m
n V V b V V T a
b V RT p m m m m ?=??==
=
+??-
-=
-759.2229.146
/40.45213.11
3
(c)用SRK方程计算
(d)用PR方程计算
(e)用三参数普遍化关联
()MPa
B
V RT p B B B
p T
R B
B
B B
B
RT Bp
B
V RT
p RT
Bp RT
pV Z kmol m n V V kmol M m n m c
c
c c
m m
m ?=-=
∴-=∴=-=-=????+=??+=-=
?+
==??==
=?===
--779.2267.0635
.0,057.0,361.01229.1987.0213.1987.0464.451
1
1
1
1
3
ωωω
2-6解:(1) 将RK 方程普遍化,可见原书中的(2-20c )和(2-20d),即
1.5
1 4.9340(
)
11
r
h Z h
T h =
-
-+ (E1)
0.08664h =
r
r
P Z T (E2)
式(E2)的右边的Z 以1为初值代入进行迭代,直至得到一收敛的Z 值。由附表1查得异丁烷的c p 、c T 分别为c p =3.65MPa ,c T =408.1K ,则
3500.8576
408.1
r c
T T T =
=
=,
1.20.3288
3.65
r c
p P p =
=
=
以Z=1代入式(E2)右边,得
10.086640.3288
h =
0.033220.8576
?=
把1h 代入式(E1)右边,得
1 1.5
1 4.93400.03322(
) =0.8346
10.03322
0.8576
0.033221
Z =
-
-+
再把1=0.8346Z 代入式(E2),解得2h ,代入式(E1),得
2=0.8037
Z
按此方法不断迭代,依次得
3=0.7965
Z , 4=0.7948Z , 5=0.7944Z
5
Z 和4Z 已非常接近,可终止迭代。异丁烷蒸气的压缩因子为=0.7944Z
(2) SRK 的普遍化形式如下(见原书式(2-21))
1 4.934011F h Z h
h
=
-
-+
(E3)
0.5
2
1[1(1)]
r
r
F m T T =
+-
(E4)
2
0.480 1.5740.176m ωω
=+-
(E5)
0.08664r
r
p h Z T =
(E6)
迭代的过程为:求m 和F 值→取0Z =1→求h 值????→←????循环迭代
求Z 值→得收敛的Z
值。
查得异丁烷的偏心因子,0.176
ω
=,故根据式(E5)和式(E4)可得
2
0.480 1.5740.1760.1760.1760.7516
m =+?-?=
0.5
2
1[10.7516(10.8576
)] 1.299
0.8576
F =
+?-=
以0Z =1代入式(E6)右边,得
10.086640.3288
h =
0.033220.8576
?=
再由式(E3)可得
11 4.93400.03322 1.299
0.8283
10.03322
0.033221
Z ??=
-
=-+
按上述方法,依次可得
2=0.7947
Z ,3=0.7864Z ,4=0.7843Z ,5=0.7839Z ,6=0.7837Z
6
Z 和5Z 已非常接近,可终止迭代。故=0.7837Z
(1) 用普遍化的PR 方程计算
若要按例2-4的思路来计算,必先导出类似于式(2-21)的普遍化的PR 方程。
令b h
V
=
,则
(1)
b V b h h
+=+,
(1)
b V b h h
-=-,
h Z R T p b
=
将上述4式代入式(2-18),并简化后,得
(1)
(1)
(1)R T a
h Z R T p b b b b b h h b h h
h h
h
=
-
=
-++-,即
2
1
1
[
][]
(1)(1)11(1)(1)h R T
a
a h
Z h b h b
R T h h
h
b R T
h h h
h
h
=
-=
-+---++-+
(E7)
将PR 方程中的a 、b 代入式(E7),则
22
0.45724/1[
]10.0778/(1)(1)c c c c R T p h
Z h
R T R T p h h h
α=
-
-++-
1 5.8771[
]
1(1)(1)r
h
h
T h h h
α
=--++- (E8)
令0.5
2
20.5
2
11[1(1)][1(0.37464 1.542260.26992)(1)]
r
r
r
r
F
k T T T T ωω=
+-=
++--,
则
1 5.8771[
]1(1)(1)h
Z F h h h h
=
--++- (E9)
且
0.0778/0.0778/0.0778/c c
c c
r
r
R T p R T p p b h V
V
Z R T p
Z T ==
=
=
(E10)
通过式(E9)和(E10)就可迭代求得Z 。
第一次迭代,设0Z =1,则
10.07780.32880.02983
10.8576
h ?=
=?
2
0.37464 1.542260.1760.269920.1760.6377
k =+?-?=
0.5
2
1[10.6377(10.8576
)] 1.2786
0.8576
F =
+?-=
11
5.8771 1.27860.02983
0.8190
10.02983
(10.02983)(10.02983)*0.02983
Z ??=
-
=-++-
继续迭代,依次可得Z 2=0.7824,Z 3=0.7731,Z 4=0.7706,Z 5=0.7699,Z 6=0.7697。由于前后两次迭代出的Z 值已很接近,从而得出异丁烷的Z =0.7697,与实验值0.7731相比,误差为0.44%。
由RK 和SRK 方程计算得到的异丁烷的Z 分别为0.7944和0.7837,它们与实验值的计算误差分别为-2.76%和-1.37%。可见,三种方法中,普遍化PR 方程计算结果显得更好些。
2-7 计算T=523.15K ,p=2 MPa 的水蒸气的Z 和V 解:(a )用维里截断式
2
2
1pV
CRT pV
BRT p
RT V V
C V
B RT
pV Z +
+
=
?+
+
≈=
采用迭代法计算V=2.006
之后求得Z=0.923
(d )利用维里截断式
2
.41
6
.10
1
172.0139.0422.0083.0111r
r
r
r r
r r
r c
c T B
T B
T p B T p B
T p RT Bp RT Bp RT
pV Z -
=-=?
?+?
+=?
+
=+
==
ω
查表可计算r p 、r T 、0B 、1B 可得到Z=0.932; 由1
3
3
10
025.2--???==
?=mol
m
p
ZRT V RT
pV Z
(c )水蒸气表
9223
.015
.523314.800592.2200000592.21811144.011144.01
3
1
3
=??=
=
∴??=?≈??=--RT
V p Z kmol
m
kg
m V
第三章P92 3-4
丁二烯
1-3
-R 8.314
:=T
1
127273.15
+:=T
2
227273.15
+:=P 1 2.5310
6
?:=Pa
P 212.6710
6
?:=Pa
T c 425:=P c 4.32610
6
?:=Pa
ω0.181
:=C p
T ()22.738222.796103
-?T ?+73.87910
6
-?T
2
?-:=
利用三参数压缩因子计算方法,查图表,得到压缩因子:
T
r1
T 1T c
:=
T
r2
T 2T c
:=
T
r1
0.942=T
r2
1.177
=P
r1
P 1P c
:=
P
r2
P 2P c
:=
P
r1
0.585=P
r2
2.929
=Z 10.677:=Z 20.535
:=?V Z 2R ?T 2?P 2
Z 1R ?T
1?P 1
-
:=
?V 7.146-10
4
-?=m 3mol
1
-?
H 2R R T c ?P 2?P c 0.0830.139ω?+ 1.097T 2T c ? ???? 1.6-?-0.894ω?T 2T
c ? ???? 4.2-?-?????
?
??
?:=H 2R 8.475-10
3
?=H 1R R T c ?P 1?P c 0.0830.139ω?+ 1.097T 1T
c ? ??
??
1.6
-?-0.894ω?T 1T c ? ??
?
?
4.2
-?-?
???????
?:=H 1R 2.704-10
3
?=?H T
1
T 2
T C p T ()??
??d H 2R +H 1R
-:=
?H 5.02810
3
?=J mol
1
-?
S 2R R -P 2?P c 0.675T 2T c
? ??
?? 2.6
-?ω0.722?T 2T c ? ??
?
?
5.2
-?+?
????
???
?:=S 2R 12.128
-=S 1R R -P 1?P c 0.675T 1T c ? ???? 2.6-?ω0.722?T 1T
c ? ???? 5.2-?+?????
?
??
?:=S 1R 4.708
-=?S T
1
T 2
T C p T ()T
?
?
??d R ln P 2P 1? ??
??
?-S 2R +S 1R
-:=?S 3.212=J mol
1
-?K
1
-?
3-7:
解:
()1
1
3
3
3
3
261.510
261.5381200010
551.110
095.2S V ,,T V V 121
-----???-=???
?-=-????-=?-=???-=????
???????
????-=?
??? ??????? ????=
?
K
kg
J K
kg kPa m Vdp p S T V p S p p T
p
T p βββ
注意:J
kPa m ?=?3
3
10
()1
6
3
091.110
619.110
551
.1261
.5270--??=???+-?=??+??=?kg
kJ p V S T H
或者
()(
)
(
)1
5
6
3
3
6.109010
81.310
210
551.127010095.2112
1
---?=?-??????-=-
=
??kg
J dp
V T H L
p p β
3-9
解:乙腈的Antonie 方程为
()kPa c t p
s
85
.241/24.32717258.14ln +?-
=
(1)60℃时,乙腈的蒸气压
kPa
p
p s
s
?=∴=+-
=813.48888
.385
.2416024.32717258.14ln
(2)乙腈的标准沸点
c
t c t ??=∴=+?-=375.81605
.485
.241/24.32717258.14100ln
(3)20℃、40℃和标准沸点时的汽化焓
()
()
()()()mol
kJ c H mol kJ c H mol kJ c H t
T
H RT
H t
RT
H dT p d s
/72.32375.81;/57.3340;/09.342085
.241314.824.327185
.24124
.3271ln 2
2
2
2
2
=??=??=??+??=
?∴?=
+?
?=
第四章P117
4-2
方法一:
?h 12?u
2
+
g ?z ?+q w -u
1
3:=R 8.314
:=?h 12
?u 2
+w
-u
2
0.0752
0.25
2
u
1
?:=
u
2
0.27
=
T
2
353.15:=T
1
593.15
:=?H C
pmh
T
2
T
1
-(
)
?HR
2
+HR
1
-
HR 1R 647.3?T r
0?0
P r 0
P r dB00
B0
0T r
-? ?
????0.344dB10
B1
0T r
-? ?
?????+?????
???
??
?
??d -
?
??????
??
???
?:=HR
1
576.771
-=
HR 2R 647.3?T r
1?0
P r 1
P r dB01
B01T r
1
-? ?
????0.344dB11
B11T r
1
-? ?
?????+?????
???
??
?
??d -
?
??????
??
???
?:=HR
2
56.91
-=
经计算得
1
1
03.35--???=K
mol
J C
pmh
4 1
- ? h 1 2 ? u 2 + g ? z ? + q w
- ? z 3 m
? := ? h 2300 3230 - ( ) 10 3 ? J kg ? 10 4 kg ?
3600 s ??
:= q 0
:= m 2.778
kg s
:= 10 4
kg ? 3600 s ? 2.778 kg
s
= ? u 120 2
50
2
- 109
J kg
?? u 109
J kg
?:= ? h 2.583 - 10
6 ? J
s
= 1 2 m ? u 2 ? 1.65 10 4 ? J
s
= g ? z ? m ? 81.729
J
s
= ? h 1 2 m ? u 2 ? + g ? z ? m ? - 2.567 - 10
6 ? J s
= w
2.567 10 6 ?J s ? ? ? ?
? ?
2.567 10 6
?W
? wc 2.583
2.567 - 2.567
100 ? %
:=
wc 0.623 %
=
体积流速为:()
1
3
2
2
10132.02075.0314.32/-??=?
?
?
????=??=s
m
d u V
π
摩尔流速为:1
015.41500000
/15.593314.80132
.0/-??=?=
=
=
s
mol p
RT V V V n
m
根据热力学第一定律,绝热时W s = -△H ,所以
?H
n C
pmh
?T
2
T
1
-(
)
?n HR
2
HR
1
-(
)?+
W s
4.015-8.408-103?56.91-576.771+()+????
? 3.167104
?W
?
方法二:
根据过热蒸汽表,内插法应用可查得
35kPa 、80℃的乏汽处在过热蒸汽区,其焓值h 2=2645.6 kJ ·kg -1; 1500 kPa 、320℃的水蒸汽在过热蒸汽区,其焓值h 1=3081.5 kJ ·kg -1;
w
-?h 12u 22u 12-??
?
??-
2645.63081.5
- 4.46410
3
-?-435.904-kJ kg
1
-?
按理想气体体积计算的体积V R T ?P
8.314593.15?1500000
3.288103
-?=m 3
mol
1
-?N 4.015
mol s
:=0.0132m 3?s 1
-?3.28810
3
-?m 3
?mol
1
-? 4.015
mol s
=
w 435.90418?N ? 3.1510
4
?W
4-6 解:
二氧化碳
T 1303.15
:=R 8.314
:=P 1 1.510
6
?:=Pa
P 20.1013310
6
?:=Pa
T c 304.2:=P c 7.35710
6
?:=Pa
ω0.225
:=C p
T ()45.3698.688103
-?T ?+9.619105?T
2
-?-:=
H 1R R T c ?P 1?P c 0.0830.139ω?+ 1.097T 1T
c ? ??
??
1.6
-?-0.894ω?T 1T c ? ??
?
?
4.2
-?-?
????????:=
H
2R
T 2()
R T c ?P 2?P c 0.0830.139ω?+ 1.097T 2T
c ? ????
1.6
-?-0.894ω?T 2T c ? ??
?
?
4.2
-?-?
????????:=
通过112
T C
H T pmh
R +=
迭代计算温度,T 2=287.75 K
C pms T
1
T 2
T
C p T ()T
????d ln T 2T 1?
???
:=
?H
T
1
T 2
T C p T ()????d H 2R T 2()
+H 1R
- 1.82210
8
-?J ?mol
1
-?
S 1R R -P 1?P c 0.675T 1T
c ? ??
?? 2.6
-?ω0.722?T 1T c ? ??
?
? 5.2
-?+?
????????:= S 2R R -P 2?P c 0.675T 2T
c ? ??
??
2.6-?ω0.722?T 2T c ? ??
?
?
5.2
-?+?
????????:=
?S
T
1
T 2
T C
p
T ()
T ????d R ln P 2P 1? ??
??
?-S 2R +S 1R
-21.801J ?mol
1
-?K
1
-?
4-7 解:
T 1473.15
:=R 8.314
:=P
1
2.5106
?:=Pa P
2
0.20106
?:=Pa
T
c
305.4:=P
c
4.8810
6
?:=Pa
ω0.098
:=C p
T ()9.403159.837103
-?T ?+46.23410
6
-?T
2
?-:=
S 1R R -P 1?P c 0.675T 1T
c ? ??
??
2.6
-?ω0.722?T 1T c ? ??
?
?
5.2
-?+?
????????:=
S
2R
T 2()
R -P 2?P c 0.675T 2T
c ? ????
2.6
-?ω0.722?T 2T c ? ??
?
?
5.2
-?+?
????????:=
经迭代计算(参考101页例题4-3)得到T 2=340.71K 。
H 1R R T c ?P 1?P c 0.0830.139ω?+ 1.097T 1T
c ? ??
??
1.6
-?-0.894ω?T 1T c ? ??
?
?
4.2
-?-?
????????:=
H
2R
T 2()
R T c ?P 2?P c 0.0830.139ω?+ 1.097T 2T
c ? ????
1.6
-?-0.894ω?T 2T c ? ??
?
?
4.2
-?-?
????????:=
?H
T
1
T 2
T C p T ()????d H 2R T 2()
+H 1R
-8.32725-103?J ?mol
1
-?。
第五章P146
5-1:b 5-2: c 5-4: a 5-5: a
5-1:
解:可逆过程熵产为零,即0
050
?=--
?=?-?=?sys sys f
sys g S T S S
S S 。
5-2:
解:不可逆过程熵产大于零,即0
505T S T S S
S S sys sys f
sys g
->
??>--
?=?-?=?。
即系统熵变可小于零也可大于零。 5-3: 解:电阻器作为系统,温度维持100℃,即373.15K ,属于放热;环境温度298.15K ,属于吸热,根据孤立体系的熵变为系统熵变加环境熵变,可计算如下:
50Ω?20A ?()2
?2?3600?s ? 1.4410
8
?J
=1.44-108
?J 373.15K
? 1.44108
?J 298.15K
?+
9.70710
4?1
K
J
=
5-4:
解:不可逆绝热过程熵产大于零,即0
>?=?-?=?sys f
sys g S S
S S 。所以流体熵
变大于零。 5-5:
解:不可逆过程熵产大于零,即0
10010T S T S S
S S sys sys f
sys g
>
??>-
?=?-?=?。
5-6:
解:理想气体节流过程即是等焓变化,温度不变,而且过程绝热,所以系统的熵变等于熵产,计算如下:
8.314-J ?mol
1
-?K
1
-?ln 0.098071.96?
??
??
?24.901
1K mol J =
所以过程不可逆。
5-7: 解:
页4-7
绝热稳流过程M
m 1
m 2
+,?H
,所以
M h
3
?m 1h 1?m 2h 2
?+T 320kg ?s
1
-?90273.15+()?K ?30kg ?s
1
-?50273.15+()?K
?+50kg ?s
1
-?:=
T
3
339.15K =339.15273.15-66
=?S
g
j
m j S j
?∑
i
m i S i ?∑
-
m 1C pms
?ln T 3T 1? ?????m 2C pms ?ln T 3T 2? ??
??
?+
查表可得h
1
376.92,h
2
209.33
,
C pms C pmh
376.92209.33
-9050
- 4.19kJ ?kg
1
-?K
1
-?
?S g
j
m j S j ?∑
i
m i S i
?∑
-
m 1C pms ?ln T 3T 1? ?????m 2C pms ?ln T 3T 2? ??
?
?
?+
?S g
20 4.184?ln 339363?
?????30 4.184?ln 339323? ??
??
?+0.345kJ ?K
1
-?s
1
-?。
不同温度的S 值也可以直接用饱和水表查得。计算结果是0.336。 5-12
解:(1)循环的热效率
1
2
1
4,H
H
W W Q W
Tur S H
N
T -+=
=
-η
(2) 水泵功与透平功之比
H 2=3562.38 kJ ·kg -1
,H 3=2409.3 kJ ·kg -1,H 4=162.60 kJ ·kg -1,H 5=2572.14 kJ ·kg -1,
()1
3
1
4
6.176001.010
007.01460.162-??=??-+==??-kg
kJ H
p
V H
012
.03
.240938.356210
)007.014(001.03
3
2
,14=-?-?=
-??=
-H
H
p V W W Tur
S
345
.01
2
4
132
=--+-=
H
H
H
H H H
T η
(3) 提供1 kw 电功的蒸气循环量
1
857.008
.116710001000-??==
=
s
g W
m N
第六章P194
6-1:
解:水蒸气的摩尔流量为:
n
m M 3600
?16801000?183600
?25.926mol ?s
1
-?
?H T ()n 703
T
T
8.314 3.47 1.45103-?T ?+0.121105?T
2
-?+()
????d ??
??????
:=
?S T p ,()n 703
T
T 8.314 3.47 1.45103
-?T ?+0.121105?T
2
-?+(
)
?T
??
??
d ?
n 8.314?ln p
3.727?
???
?
?-:=
(a )通过内插法求出0.1049MPa 时对应的温度,如下
100t -101.325
104.9
-10095-101.325
84.55
-0.298
t 100.964
W id ?H 374.114()-T 0?S 374.1140.1049,()
?+ 3.607105
?J ?s
1
-?
W s
?H 374.114()- 3.046105
?J ?s
1
-?
ηa
W
s W
id
0.844
(b )
W id
?H 333()-T 0?S 3330.0147,()
?+ 4.926105
?J ?s
1
-?
W s
?H 333()- 3.408105
?J ?s
1
-?
5 15
- η C 1 T 0 T H
-
W Q H
ξ
Q L W
T L
T 0 T L
- η T η C 60 ? % ξ ?
ξ 20 ? %
Q L
Q H η T ξ ? ? 1 T 0 T H - ?
? ? ? ? T L T 0 T L
- ? ? ? ? ? ? 0.6 ? 0.2 ? 0.555 555 . 0 12 . 0
6 21 15 . 273 6 15 . 273 118 15 . 273 21 1 2 . 0 6 . 0 1 % 20 % 60 0 0 = ? ? ?
? ? ? - + ? ? ? ? ? + + - = ? ? ? ? ? ? ? ? - ? ? ? ? ? ? - = ? ? ? = ? = L L H
c ir ir H L T T T T T Q Q
ξ η ξ η
ηa
W
s W
id
0.692
6-3
?H
h 2h 1-292.98376.92
-83.94
-?S
sur
?H
-T 0?S g
?S sys ?S sur
+0.9549 1.1925-83.94-298-?
???
?
0.044kJ ?kg
1
-?K
1
-?根据热力学第一定律热损失为
,Q ?H 83.94-kJ ?kg 1
-?或Q 1.511-103
?J ?mol
1
-?功损失为
W L
T 0?S g
?13.1kJ ?kg
1
-?或
W L
235.8J ?mol
1
-?
6-6:
解:理想气体经一锐孔降压过程为节流过程,0
=?H ,且0
=Q
,故0
=S
W ,过
程恒温。
则绝热膨胀过程的理想功和损耗功计算如下:
W id
?H -T 0?S
?+T 0?S
?298-8.314?ln 0.098071.96? ?????? ????
7.42103?J ?mol
1
-?
W L W id T 0?S g
?298-8.314?ln 0.098071.96? ?????? ??
??
7.42103?J ?mol
1
-?
6-8: 解:(1)产品是纯氮和纯氧时,
1
22110274.1)79.0ln 79.021.0ln 21.0(15.298314.8)ln ln (-?-=+??=+=mol
kJ y y y y RT W id
(2)产品是98% N 2和50% O 2的空气时,设计计算流程如下:
总的功
2
1W W W W id ++=
0.21 O 2
0.98 N 2
纯 O 2 纯 N 2
分离 混合
W 1
W 2
98% N 2
50% O 2 W id
()
()1
01924.242098.0314.815.29802
.0ln 02.098.0ln 98.0-??=-??-=+-=mol
J R T W ()
()1
02718.1693.0314.815.2985.0ln 5.05.0ln 5.0-??=-??-=+-=mol
kJ R T W
1
3
687.0718
.110924.242274.1--?=+?+-=∴mol
kJ W
6-12: 解:
191.49
213.64126.8205.03192.5169.94130.59S
Θ
393.51
-238.64
-0
46.19
-285.84
-0
?H f
Θ
N2CO2CH3OH O2NH3H2O H 2
查表得
H
2
H
2
12
O
2
?+
H 2
--O ?l ()
-?H 285.84-kJ ?mol
1
-??S
69.94130.59-0.5205.038.314ln 0.02061050.10133?
?????-? ?
???
?-169.785-J ?mol
1
-?K
1
-?
E XC
H 2()
?H -T 0?S
?+285.84298169.785
?1000
-
235.244kJ ?mol
1
-?
NH312
N232
H2+
NH3
----E XC NH3()
3117.61?10.335?+116.63?-336.535kJ ?mol
1
-?
CH3OH
E
XC
CH3OH
()
4117.61?1 1.966?+410.54+166.31-716.636kJ ?mol
1
-?
6-13 解:
?H
Q 1Q 2
+0
Q 1
m 1h 3h 1
-()
?Q 2m 2h 3h 2
-()
?
m
1
h
3
h
1
-(
)
?m
2
h
3
h
2
-(
)
?+0
m 1720003600
:=
kg s
1
-?
m 21080003600
:=
kg s
1
-?
h 1376.92
:=kJ kg
1
-?
S 1 1.1925
:=kJ kg
1
-?K
1
-?
h 2209.33
:=kJ kg
1
-?
S 20.7038
:=kJ kg
1
-?K
1
-?
m
1
h
3
h
1
-(
)
?m
2
h
3
h
2
-(
)
?+0
h 3
276.366kJ ?kg
1
-?
由
m
1
C
pmh
?t
3
t
1
-(
)
?m
2
C
pmh
?t
3
t
2
-(
)
?+0
,可得
t
3
66.03℃
?
使用内插法可求得66.03℃时的熵值,
S 3
0.8935
-66.0365-0.9549
0.8935
-7065
-S 3
0.906
kJ kg
1
-?K
1
-?
(1)利用熵分析法计算损耗功,
W L
T 0?S g
?T 0?S sys
?T 0m 1S 3S 1
-()
?m 2S 3S 2-()
?+??
?
?
?100.178kJ ?s
1
-?
(2)利用火用分析法:
h 0104.89
:=S 00.3674
:=M m 1m 2
+:=
E X1m 1-h 0h 1
-()
?m 1T 0?S 0S 1
-()
?+:=E X2m 2-h 0h 2
-()
?m 2T 0?S 0S 2
-()
?+:=E X3M -h 0h 3
-()
?M T 0?S 0S 3
-()
?+:=W L E X1E X2+E X3
-:=W L
100.178kJ ?s
1
-?
或者
W L
3.606105
?kJ ?h
1
-?
第七章 P241 7-2
解:假设需水m kg ,则
kg
m m
3.714%561000%961000=?=+?
产品酒中含水
()()kg
3.754%
5613.7141000
=
-?+
产品酒中含醇
()kg
960%563.7141000
=?+
所以酒的体积
3
3
3912.1101912243.1960953.03.754m
cm
V m
V i i
=?=?+?==
∑
7-3 解:
V
109.416.8x 1?- 2.64x 12?-??
??cm 3?mol 1
-
?V 1P
V x 2x 2
V d d ?
?
??
?
?-V x 2x 1
V d d ?
?
??
?
?+V 2P V x 1x 1
V d d ?
?
??
?
?- 2.64x 1
2
?109.4
+
V 1P
2.64x 1
2
? 5.28x 1
?-92.6
+x 11V 1P V 189.96cm 3?mol 1-?x
1
V
2P V
2
109.4cm 3
?mol
1
-??V V V 前
-109.416.8x
1
?- 2.64x
1
2
?-x 1V 1?x 2V
2
?+
()
-
2.64x 1?1x
1
-(
)?
7-4
解:根据吉布斯-杜亥姆公式,恒温恒压时
=∑
i
i
i M
d x
则有0
=∑
i
i i V d x ,所以
()[]()[]()()()[]
()()[]0
23122212111
1211
2
22
12
1
111
12
12
2
2111111
1≠++-=
+-=-+--=
+∴-=+-++-=+dx x b a a b
V d x V
d x x x dx x x b a b
x x
V d x V
d x dx dx dx bx
a b x dx bx a b x V d x V
d x 代入上式,得把
所以设计的方程不合理。
化工热力学答案_课后总习题答案详解 第二章习题解答 一、问答题: 2-1为什么要研究流体的pVT 关系? 【参考答案】:流体p-V-T 关系是化工热力学的基石,是化工过程开发和设计、安全操作和科学研究必不可少的基础数据。(1)流体的PVT 关系可以直接用于设计。(2)利用可测的热力学性质(T ,P ,V 等)计算不可测的热力学性质(H ,S ,G ,等)。只要有了p-V-T 关系加上理想气体的id p C ,可以解决化工热力学的大多数问题。 2-2在p -V 图上指出超临界萃取技术所处的区域,以及该区域的特征;同时指出其它重要的点、线、面以及它们的特征。 【参考答案】:1)超临界流体区的特征是:T >T c 、p >p c 。 2)临界点C 的数学特征: 3)饱和液相线是不同压力下产生第一个气泡的那个点的连线; 4)饱和汽相线是不同压力下产生第一个液滴点(或露点)那个点的连线。 5)过冷液体区的特征:给定压力下液体的温度低于该压力下的泡点温度。 6)过热蒸气区的特征:给定压力下蒸气的温度高于该压力下的露点温度。 7)汽液共存区:在此区域温度压力保持不变,只有体积在变化。 2-3 要满足什么条件,气体才能液化? 【参考答案】:气体只有在低于T c 条件下才能被液化。 2-4 不同气体在相同温度压力下,偏离理想气体的程度是否相同?你认为哪些是决定偏离理想气体程度的最本质因素? 【参考答案】:不同。真实气体偏离理想气体程度不仅与T 、p 有关,而且与每个气体的临界特性有 ()() () () 点在点在C V P C V P T T 00 2 2 ==?? ?
关,即最本质的因素是对比温度、对比压力以及偏心因子r T ,r P 和ω。 2-5 偏心因子的概念是什么?为什么要提出这个概念?它可以直接测量吗? 【参考答案】:偏心因子ω为两个分子间的相互作用力偏离分子中心之间的作用力的程度。其物理意义为:一般流体与球形非极性简单流体(氩,氪、氙)在形状和极性方面的偏心度。为了提高计算复杂分子压缩因子的准确度。 偏心因子不可以直接测量。偏心因子ω的定义为:000.1)p lg(7.0T s r r --==ω , ω由测定的对比温度为0.7时的对比饱和压力的数据计算而得,并不能直接测量。 2-6 什么是状态方程的普遍化方法?普遍化方法有哪些类型? 【参考答案】:所谓状态方程的普遍化方法是指方程中不含有物性常数a ,b ,而是以对比参数作为独立变量;普遍化状态方程可用于任何流体、任意条件下的PVT 性质的计算。普遍化方法有两种类型:(1)以压缩因子的多项式表示的普遍化关系式 (普遍化压缩因子图法);(2)以两项virial 方程表示的普遍化第二virial 系数关系式(普遍化virial 系数法) 2-7简述三参数对应状态原理与两参数对应状态原理的区别。 【参考答案】:三参数对应状态原理与两参数对应状态原理的区别在于为了提高对比态原理的精度,引入了第三参数如偏心因子ω。三参数对应态原理为:在相同的 r T 和r p 下,具有相同ω值的所有 流体具有相同的压缩因子Z ,因此它们偏离理想气体的程度相同,即),P ,T (f Z r r ω=。而两参数对应状态原理为:在相同对比温度r T 、对比压力 r p 下,不同气体的对比摩尔体积r V (或压缩因子z ) 是近似相等的,即(,) r r Z T P =。三参数对应状态原理比两参数对应状态原理精度高得多。 2-8总结纯气体和纯液体pVT 计算的异同。 【参考答案】: 由于范德华方程(vdW 方程)最 大突破在于能同时计算汽、液两相性质,因此,理论上讲,采用基于vdW 方程的立方型状态方程能同时将纯气体和纯液体的性质计算出来(最小值是饱和液体摩尔体积、最大值是饱和气体摩尔体积),但事实上计算的纯气体性质误差较小,而纯液体的误差较大。因此,液体的p-V-T 关系往往采用专门计算液体体积的公式计算,如修正Rackett 方程,它与立方型状态方程相比,既简单精度又高。 2-9如何理解混合规则?为什么要提出这个概念?有哪些类型的混合规则? 【参考答案】:对于混合气体,只要把混合物看成一个虚拟的纯物质,算出虚拟的特征参数,如Tr ,
北京化工大学2016——2017学年第一学期 《化工热力学》期末考试试卷 班级: 姓名: 学号: 任课教师: 分数: 一、(2?8=16分)正误题(正确的画√,错误的画×,标在[ ]中) [√]剩余性质法计算热力学性质的方便之处在于利用了理想气体的性质。 [×]Virial 方程中12B 反映了不同分子间的相互作用力的大小,因此120B =的气体混合物,必定是理想气体混合物。 [√]在二元体系中,如果在某浓度范围内Henry 定律适用于组分1,则在相同的浓度范围内,Lewis-Randall 规则必然适用于组分2。 [×]某绝热的房间内有一个冰箱,通电后若打开冰箱门,则房间内温度将逐渐下降。 [×]溶液的超额性质数值越大,则溶液的非理想性越大。 [×]水蒸汽为加热介质时,只要传质推动力满足要求,应尽量采用较低压力。 [×]通过热力学一致性检验,可以判断汽液平衡数据是否正确。 [×]如果一个系统经历某过程后熵值没有变化,则该过程可逆且绝热。 二、(第1空2分,其它每空1分,共18分)填空题 (1)某气体符合/()p RT V b =-的状态方程,从 1V 等温可逆膨胀至 2V ,则体系的 S ? 为 21ln V b R V b --。 (2)写出下列偏摩尔量的关系式:,,(/)j i E i T p n nG RT n ≠???=?????ln i γ,
,,(/)j i R i T p n nG RT n ≠???=??????ln i ?, ,,(/)j i i T p n nG RT n ≠???=?????i μ。 (3)对于温度为T ,压力为P 以及组成为{x}的理想溶液,E V =__0__, E H =__0__,/E G RT =__0__,ln i γ=__0__,?i f =__i f __。 (4)Rankine 循环的四个过程是:等温加热(蒸发),绝热膨胀(做功),等压(冷凝)冷却,绝热压缩。 (5)纯物质的临界点关系满足0p V ???= ????, 220p V ???= ???? ,van der Waals 方程的临界压缩因子是__0.375__,常见流体的临界压缩因子的范围是_0.2-0.3_。 二、(5?6=30分)简答题(简明扼要,写在以下空白处) (1)简述如何通过水蒸汽表计算某一状态下水蒸汽的剩余焓和逸度(假定该温度条件下表中最低压力的蒸汽为理想气体)。 剩余焓: ①通过线性插值,从过热水蒸汽表中查出给定状态下的焓值; ②从饱和蒸汽表中查得标准状态时的蒸发焓vap H ?(饱和液体的焓-饱和蒸汽的焓); ③通过00()T ig ig ig p p T H C dT C T T ?=≈-? 计算理想气体的焓变; ④通过R ig vap H H H H ?=-?-?得到剩余焓。 逸度: ①通过线性插值,从过热水蒸汽表中查出给定状态下的焓和熵并根据G H TS =-得到Gibbs 自由能(,)G T p ; ②从过热蒸汽表中查得最低压力时的焓和熵,计算得到Gibbs 自由能0(,)ig G T p ;
第1章 绪言 一、是否题 1. 封闭体系中有两个相βα,。在尚未达到平衡时,βα,两个相都是均相敞开体系; 达到平衡时,则βα,两个相都等价于均相封闭体系。(对) 2. 理想气体的焓和热容仅是温度的函数。(对) 3. 封闭体系的1mol 气体进行了某一过程,其体积总是变化着的,但是初态和终态的体积 相等,初态和终态的温度分别为T 1和T 2,则该过程的? =2 1 T T V dT C U ?;同样,对于初、 终态压力相等的过程有? =2 1 T T P dT C H ?。(对。状态函数的变化仅决定于初、终态与途径 无关。) 二、填空题 1. 状态函数的特点是:状态函数的变化与途径无关,仅决定于初、终态 。 2. 封闭体系中,温度是T 的1mol 理想气体从(P i ,V i )等温可逆地膨胀到(P f ,V f ),则所做的 功为() f i rev V V RT W ln =(以V 表示)或() i f rev P P RT W ln = (以P 表示)。 3. 封闭体系中的1mol 理想气体(已知ig P C ),按下列途径由T 1、P 1和V 1可逆地变化至P 2,则 A 等容过程的 W = 0 ,Q =()1121T P P R C ig P ???? ??--,?U =() 1121T P P R C ig P ??? ? ??--,?H = 112 1T P P C ig P ??? ? ??-。 B 等温过程的 W =21ln P P RT -,Q =2 1ln P P RT ,?U = 0 ,?H = 0 。 C 绝热过程的 W =( ) ???? ????? ? -???? ??--112 11ig P C R ig P P P R V P R C ,Q = 0 ,?U =( ) ???? ????? ? -??? ? ??-112 11ig P C R ig P P P R V P R C ,?H =112 1T P P C ig P C R ig P ??????????-???? ??。 4. 1MPa=106Pa=10bar=9.8692atm=7500.62mmHg 。
化工热力学课后答案 第1章 绪言 一、是否题 1. 封闭体系的体积为一常数。(错) 2. 封闭体系中有两个相βα, 。在尚未达到平衡时,βα,两个相都是均相敞开体系; 达到平衡时,则βα,两个相都等价于均相封闭体系。(对) 3. 理想气体的焓和热容仅是温度的函数。(对) 4. 理想气体的熵和吉氏函数仅是温度的函数。(错。还与压力或摩尔体积有关。) 5. 封闭体系的1mol 气体进行了某一过程,其体积总是变化着的,但是初态和终态的体积相 等,初态和终态的温度分别为T 1和T 2,则该过程的? =2 1 T T V dT C U ?;同样,对于初、终态 压力相等的过程有? =2 1 T T P dT C H ?。(对。状态函数的变化仅决定于初、终态与途径无关。) 二、填空题 1. 状态函数的特点是:状态函数的变化与途径无关,仅决定于初、终态 。 2. 封闭体系中,温度是T 的1mol 理想气体从(P i ,V i )等温可逆地膨胀到(P f ,V f ),则所做的 功为() f i rev V V RT W ln =(以V 表示)或() i f rev P P RT W ln = (以P 表示)。 3. 封闭体系中的1mol 理想气体(已知ig P C ),按下列途径由T 1、P 1和V 1可逆地变化至P 2,则 A 等容过程的 W = 0 ,Q =() 1121T P P R C ig P ??? ? ??--, U =( )11 2 1T P P R C ig P ??? ? ? ?--,H = 112 1T P P C ig P ??? ? ??-。 B 等温过程的 W =21ln P P RT -,Q =2 1ln P P RT ,U = 0 ,H = 0 。 C 绝热过程的 W =( ) ???? ????? ? -???? ??--112 11ig P C R ig P P P R V P R C ,Q = 0 ,U = ( ) ??????????-???? ??-11211ig P C R ig P P P R V P R C ,H =1121T P P C ig P C R ig P ??????????-???? ??。
泰山学院课程考试专用 泰山学院材料与化学工程系2005级、2007级3+2化学工程与 工艺专业本科2007~2008学年第一学期 《化工热力学》试卷A (试卷共8页,答题时间120分钟) 一、 判断题(每小题1分,共15 分。请将答案 填在下面的表格内) 1、只要温度、压力一定,任何偏摩尔性质都等于化学位。 2、对于确定的纯气体来说,其维里系数B 、C 、……只是温度的函数。 3、孤立体系的熵总是不变的。 4、当过程不可逆时,体系的作功能力较完全可逆的情况下有所下降。 5、二元液相部分互溶体系及其蒸汽的达到相平衡时,体系的自由度为2。 6、理想溶液中所有组分的活度系数均为1。 7、二元混合物的相图中泡点线表示的饱和汽相,露点线表示的是饱和液相。 8、二元组分形成恒沸物时,在恒沸点体系的相对挥发度等于1。 9、若化学平衡常数随着温度的升高而升高,则反应的标准焓变化0H ?为负值。 10、纯物质的平衡汽化过程,其摩尔体积、焓及吉布斯函数的变化均大于零。 11、在一定温度和压力下的理想溶液的组分逸度与其摩尔分数成正比。 12、对于理想溶液的某一容量性质恒有0i i M M =。 13、能量不仅有数量的大小还有质量的高低,相同数量的电能和热能来说,电 能的做功能力大于热能。 14、无论以Henry 定律为基准,还是以Lewis-Randall 规则为基准定义标准态 逸度,混合物中组分i 的活度和逸度的值不变。 15、逸度与压力的单位是相同的。
二、填空题(1-5题每空1分,6-11题每空2分,共25分) 1、在相同的初态下,节流膨胀的降温效果 (大于/小于) 等熵膨胀的降温效果。 2、恒温恒压下,吉布斯-杜亥姆方程为 (以i M 表示)。 3、形成二元溶液时,当异种分子之间的作用力小于同种分子之间的作用力时, 形成正偏差溶液,正偏差较大的溶液具有最 的沸点。 4、对于二元混合物来说一定温度下的泡点压力与露点压力 (相同/不 同)的。 5、当过程的熵产生 时,过程为自发过程。 6、当化学反应的温度不发生变化时,对体积增大的气相反应,增大压力,反 应进度 ,加入惰性气体反应进度 。 7、已知平衡压力和液相组成,用完全理想体系下的汽液平衡准则计算泡点温 度时,在假设的温度下算出1i y <∑,说明假设的温度 , 应 ,重新计算,直到1i y =∑。 8、正丁醇(1)和水(2)组成液液平衡系统,25℃,测得水相中正丁醇的摩 尔分数为0.00007,而醇相中水的摩尔分数为0.26,则水在水相中的活度系数为 ,水在醇相中的活度系数为 。 9、某换热器内,冷热两种流体进行换热,热流体的流率为 -1100kmol h ?,-1-129kJ kmol K p c =??,温度从500K 降为350K,冷流体的流率 也是-1100kmol h ?,-1-129kJ kmol K p c =??,温度从300K 进入热交换器,该换热器表面的热损失-187000kJ h Q =-?,则冷流体的终态温度t 2= K,该换热过程的损耗功W L = kJ/h 。设300K T Θ=,冷热流体的压力变化可以忽略不计。
第二章 2-1.使用下述方法计算1kmol 甲烷贮存在体积为0.1246m 3、温度为50℃的容器中产生的压力:(1)理想气体方程;(2)R-K 方程;(3)普遍化关系式。 解:甲烷的摩尔体积V =0.1246 m 3/1kmol=124.6 cm 3/mol 查附录二得甲烷的临界参数:T c =190.6K P c =4.600MPa V c =99 cm 3/mol ω=0.008 (1) 理想气体方程 P=RT/V=8.314×323.15/124.6×10-6=21.56MPa (2) R-K 方程 22.5 22.5 6 0.52 6 8.314190.60.427480.42748 3.2224.610 c c R T a Pa m K mol P - ?== =???? 531 68.314190.60.08664 0.08664 2.985104.610 c c RT b m mol P --?===??? ∴() 0.5RT a P V b T V V b = --+ ()()50.555 8.314323.15 3.222 12.46 2.98510323.1512.461012.46 2.98510---?= - -???+? =19.04MPa (3) 普遍化关系式 323.15190.6 1.695r c T T T === 124.699 1.259r c V V V ===<2 ∴利用普压法计算,01Z Z Z ω=+ ∵ c r ZRT P P P V = = ∴ c r PV Z P RT = 65 4.61012.46100.21338.314323.15 c r r r PV Z P P P RT -???===? 迭代:令Z 0=1→P r0=4.687 又Tr=1.695,查附录三得:Z 0=0.8938 Z 1=0.4623 01Z Z Z ω=+=0.8938+0.008×0.4623=0.8975 此时,P=P c P r =4.6×4.687=21.56MPa 同理,取Z 1=0.8975 依上述过程计算,直至计算出的相邻的两个Z 值相差很小,迭代结束,得Z 和P 的值。 ∴ P=19.22MPa 2-2.分别使用理想气体方程和Pitzer 普遍化关系式计算510K 、2.5MPa 正丁烷的摩尔体积。已知实验值为1480.7cm 3/mol 。 解:查附录二得正丁烷的临界参数:T c =425.2K P c =3.800MPa V c =99 cm 3/mol ω=0.193
模拟题一 一.单项选择题(每题1分,共20分) T 温度下的纯物质,当压力低于该温度下的饱和蒸汽压时,则气体的状态为( ) 饱和蒸汽 超临界流体 过热蒸汽 T 温度下的过冷纯液体的压力P ( ) >()T P s <()T P s = ()T P s T 温度下的过热纯蒸汽的压力P ( ) >() T P s <() T P s =() T P s 纯物质的第二virial 系数B ( ) A 仅是T 的函数 B 是T 和P 的函数 C 是T 和V 的函数 D 是任何两强度性质的函数 能表达流体在临界点的P-V 等温线的正确趋势的virial 方程,必须至少用到( ) 第三virial 系数 第二virial 系数 无穷项 只需要理想气体方程 液化石油气的主要成分是( ) 丙烷、丁烷和少量的戊烷 甲烷、乙烷 正己烷 立方型状态方程计算V 时如果出现三个根,则最大的根表示( ) 饱和液摩尔体积 饱和汽摩尔体积 无物理意义 偏心因子的定义式( ) 0.7lg()1s r Tr P ω==-- 0.8lg()1 s r Tr P ω==-- 1.0 lg()s r Tr P ω==- 设Z 为x ,y 的连续函数,,根据欧拉连锁式,有( ) A. 1x y z Z Z x x y y ???? ?????=- ? ? ?????????? B. 1y x Z Z x y x y Z ?????????=- ? ? ?????????? C. 1y x Z Z x y x y Z ????????? = ? ? ?????????? D. 1y Z x Z y y x x Z ????????? =- ? ? ?????????? 关于偏离函数MR ,理想性质M*,下列公式正确的是( ) A. *R M M M =+ B. *2R M M M =- C. * R M M M =- D. *R M M M =+ 下面的说法中不正确的是 ( ) (A )纯物质无偏摩尔量 。 (B )任何偏摩尔性质都是T ,P 的函数。 (C )偏摩尔性质是强度性质。(D )强度性质无偏摩尔量 。 关于逸度的下列说法中不正确的是 ( ) (A )逸度可称为“校正压力” 。 (B )逸度可称为“有效压力” 。 (C )逸度表达了真实气体对理想气体的偏差 。 (D )逸度可代替压力,使真实气体的状态方程变为fv=nRT 。 (E )逸度就是物质从系统中逃逸趋势的量度。 二元溶液,T, P 一定时,Gibbs —Duhem 方程的正确形式是 ( ). a. X1dln γ1/dX 1+ X2dln γ2/dX2 = 0 b. X1dln γ1/dX 2+ X2 dln γ2/dX1 = 0 c. X1dln γ1/dX 1+ X2dln γ2/dX1 = 0 d. X1dln γ1/dX 1– X2 dln γ2/dX1 = 0 关于化学势的下列说法中不正确的是( ) A. 系统的偏摩尔量就是化学势 B. 化学势是系统的强度性质 C. 系统中的任一物质都有化学势 D. 化学势大小决定物质迁移的方向 15.关于活度和活度系数的下列说法中不正确的是 ( ) (A )活度是相对逸度,校正浓度,有效浓度;(B) 理想溶液活度等于其浓度。 (C )活度系数表示实际溶液与理想溶液的偏差。(D )任何纯物质的活度均为1。 (E )的偏摩尔量。 16 组成的均相体系中,若A 的偏摩尔体积随浓度的改变而增加,则B 的偏摩尔体积将:( ) A. 增加 B. 减小 C. 不变 D. 不一定 17.下列各式中,化学位的定义式是 ( ) 18.混合物中组分i 的逸度的完整定义式是 。 j j j j n nS T i i n T P i i n nS nV i i n nS P i i n nU d n nA c n nG b n nH a ,,,,,,,,]) ([.)([.])([.)([.??≡??≡??≡??≡μμμμ
化工热力学第二章作业解答 2.1试用下述三种方法计算673K ,4.053MPa 下甲烷气体的摩尔体积,(1)用理想气体方程;(2)用R-K 方程;(3)用普遍化关系式 解 (1)用理想气体方程(2-4) V = RT P =68.3146734.05310 ??=1.381×10-3m 3·mol -1 (2)用R-K 方程(2-6) 从附录二查的甲烷的临界参数和偏心因子为 Tc =190.6K ,Pc =4.600Mpa ,ω=0.008 将Tc ,Pc 值代入式(2-7a )式(2-7b ) 2 2.50.42748c c R T a p ==2 2.56 0.42748(8.314)(190.6)4.610???=3.224Pa ·m 6·K 0.5·mol -2 0.0867c c RT b p = =6 0.08678.314190.64.610 ???=2.987×10-5 m 3·mol -1 将有关的已知值代入式(2-6) 4.053×106 = 5 8.314673 2.98710 V -?-?-0.553.224(673)( 2.98710)V V -+? 迭代解得 V =1.390×10-3 m 3·mol -1 (注:用式2-22和式2-25迭代得Z 然后用PV=ZRT 求V 也可) (3)用普遍化关系式 673 3.53190.6 r T T Tc === 664.053100.8814.610r P P Pc ?===? 因为该状态点落在图2-9曲线上方,故采用普遍化第二维里系数法。 由式(2-44a )、式(2-44b )求出B 0和B 1 B 0=0.083-0.422/Tr 1.6=0.083-0.422/(3.53)1.6 =0.0269 B 1=0.139-0.172/Tr 4.2=0.139-0.172/(3.53)4.2 =0.138 代入式(2-43) 010.02690.0080.1380.0281BPc B B RTc ω=+=+?= 由式(2-42)得 Pr 0.881110.0281 1.0073.53BPc Z RTc Tr ???? =+=+?= ??? ???? V =1.390×10-3 m 3 ·mol -1 2.2试分别用(1)Van der Waals,(2)R-K ,(3)S-R-K 方程计算27 3.15K 时将CO 2压缩到比体积为550.1cm 3 ·mol -1 所需要的压力。实验值为3.090MPa 。 解: 从附录二查得CO 2得临界参数和偏心因子为 Tc =304.2K Pc =7.376MPa ω=0.225
第一章习题解答 一、问答题: 1-1化工热力学与哪些学科相邻?化工热力学与物理化学中的化学热力学有哪些异同点? 【参考答案】:高等数学、物理化学是化工热力学的基础,而化工热力学又是《化工原理》、《化工设计》、《反应工程》、《化工分离过程》等课程的基础和指导。化工热力学是以化学热力学和工程热力学为基础。化工热力学与化学热力学的共同点为:两者都是利用热力学第一、第二定律解决问题;区别在于:化学热力学的处理对象是理想气体、理想溶液、封闭体系;而化工热力学面对的是实际气体、实际溶液、流动体系,因此化工热力学要比化学热力学要复杂得多。 1-2化工热力学在化学工程与工艺专业知识构成中居于什么位置? 【参考答案】:化工热力学与其它化学工程分支学科间的关系如下图所示,可以看出,化工热力学在化学工程中有极其重要的作用。 1-3化工热力学有些什么实际应用?请举例说明。 【参考答案】: ①确定化学反应发生的可能性及其方向,确定反应平衡条件和平衡时体系的状态。(可行性分析)
②描述能量转换的规律,确定某种能量向目标能量转换的最大效率。(能量有效利用) ③描述物态变化的规律和状态性质。 ④确定相变发生的可能性及其方向,确定相平衡条件和相平衡时体系的状态。 ⑤通过模拟计算,得到最优操作条件,代替耗费巨大的中间试验。 化工热力学最直接的应用就是精馏塔的设计:1)汽液平衡线是确定精馏塔理论板数的依据,可以说没有化工热力学的汽液平衡数据就没有精馏塔的设计;2)精馏塔再沸器提供的热量离不开化工热力学的焓的数据。由此可见,化工热力学在既涉及到相平衡问题又涉及到能量有效利用的分离过程中有着举足轻重的作用。 1-4化工热力学能为目前全世界提倡的“节能减排”做些什么? 【参考答案】:化工热力学是化学工程的一个重要分支,它的最根本任务就是利用热力学第一、第二定律给出物质和能量的最大利用极限,有效地降低生产能耗,减少污染。因此毫不夸张地说:化工热力学就是为节能减排而生的! 1-5化工热力学的研究特点是什么? 【参考答案】:化工热力学的研究特点: (1)从局部的实验数据加半经验模型来推算系统完整的信息; (2)从常温常压的物性数据来推算苛刻条件下的性质; (3)从容易获得的物性数据(p、V、T、x)来推算较难测定或不可测试 的数据(y,H,S,G); (4)从纯物质的性质利用混合规则求取混合物的性质; (5)以理想态为标准态加上校正,求取真实物质的性质。 其中最大的特点是将实际过程变成理想模型加校正的处理问题方法。
模拟题一 1. T 温度下的纯物质,当压力低于该温度下的饱和蒸汽压时,则气体的状态为( c ) A. 饱和蒸汽 B. 超临界流体 C. 过热蒸汽 2. T 温度下的过冷纯液体的压力P ( a ) A. >()T P s B. <()T P s C. =()T P s 3. T 温度下的过热纯蒸汽的压力P ( b ) A. >()T P s B. <()T P s C. =()T P s 4. 纯物质的第二virial 系数B ( a ) A 仅是T 的函数 B 是T 和P 的函数 C 是T 和V 的函数 D 是任何两强度性质的函数 5. 能表达流体在临界点的P-V 等温线的正确趋势的virial 方程,必须至少用到( a ) A. 第三virial 系数 B. 第二virial 系数 C. 无穷项 D. 只需要理想气体方程 6. 液化石油气的主要成分是( a ) A. 丙烷、丁烷和少量的戊烷 B. 甲烷、乙烷 C. 正己烷 7. 立方型状态方程计算V 时如果出现三个根,则最大的根表示( ) A. 饱和液摩尔体积 B. 饱和汽摩尔体积 C. 无物理意义 8. 偏心因子的定义式( ) A. 0.7lg()1s r Tr P ω==-- B. 0.8lg()1s r Tr P ω==-- C. 1.0lg()s r Tr P ω==- 9. 设Z 为x ,y 的连续函数,,根据欧拉连锁式,有( ) A. 1x y z Z Z x x y y ?????????=- ? ? ?????????? B. 1y x Z Z x y x y Z ?????????=- ? ? ?????????? C. 1y x Z Z x y x y Z ?????????= ? ? ?????????? D. 1y Z x Z y y x x Z ?????????=- ? ? ?????????? 10. 关于偏离函数M R ,理想性质M *,下列公式正确的是( ) A. *R M M M =+ B. *2R M M M =- C. *R M M M =- D. *R M M M =+ 11. 下面的说法中不正确的是 ( ) (A )纯物质无偏摩尔量 。 (B )任何偏摩尔性质都是T ,P 的函数。
第二章 流体的压力、体积、浓度关系:状态方程式 2-1 试分别用下述方法求出400℃、下甲烷气体的摩尔体积。(1) 理想气体方程;(2) RK 方程;(3)PR 方程;(4) 维里截断式(2-7)。其中B 用Pitzer 的普遍化关联法计算。 [解] (1) 根据理想气体状态方程,可求出甲烷气体在理想情 况下的摩尔体积id V 为 33168.314(400273.15) 1.381104.05310id RT V m mol p --?+= ==??? (2) 用RK 方程求摩尔体积 将RK 方程稍加变形,可写为 0.5()()RT a V b V b p T pV V b -=+-+ (E1) 其中 2 2.50.427480.08664c c c c R T a p RT b p == 从附表1查得甲烷的临界温度和压力分别为c T =, c p =,将它们代入 a, b 表达式得
2 2.5 6-20.560.427488.314190.6 3.2217m Pa mol K 4.6010 a ??==???? 53160.086648.314190.6 2.9846104.6010 b m mol --??==??? 以理想气体状态方程求得的id V 为初值,代入式(E1)中迭代求解,第一次迭代得到1V 值为 5168.314673.15 2.9846104.05310 V -?=+?? 350.563353.2217(1.38110 2.984610)673.15 4.05310 1.38110(1.38110 2.984610) -----??-?-??????+? 355331 1.38110 2.984610 2.1246101.389610m mol -----=?+?-?=?? 第二次迭代得2V 为 3535 20.56335355 331 3.2217(1.389610 2.984610)1.38110 2.984610673.15 4.05310 1.389610(1.389610 2.984610)1.38110 2.984610 2.1120101.389710V m mol ------------??-?=?+?-??????+?=?+?-?=??1V 和2V 已经相差很小,可终止迭代。故用RK 方程求得的摩尔体积近 似为 3311.39010V m mol --=?? (3)用PR 方程求摩尔体积 将PR 方程稍加变形,可写为 ()()()RT a V b V b p pV V b pb V b -=+-++-
一. 选择题(每题2分,共10分) 1.纯物质的第二virial 系数B ( A ) A 仅是温度的函数 B 是T 和P 的函数 C 是T 和V 的函数 D 是任何两强度性质的函数 2.T 温度下的过冷纯液体的压力P (A 。参考P -V 图上的亚临界等温线。) A. >()T P s B. <()T P s C. =()T P s 3. 二元气体混合物的摩尔分数y 1=0.3,在一定的T ,P 下,8812.0?,9381.0?21==?? ,则此时混合物的逸度系数为 。(C ) A 0.9097 B 0.89827 C 0.8979 D 0.9092 4. 某流体在稳流装置中经历了一个不可逆绝热过程,装置所产生的功为24kJ ,则流体的熵变( A ) A.大于零 B.小于零 C.等于零 D.可正可负 5. Henry 规则( C ) A 仅适用于溶剂组分 B 仅适用于溶质组分 C 适用于稀溶液的溶质组分 D 阶段适用于稀溶液的溶剂 二、 填空题(每题2分,共10分) 1. 液态水常压下从25℃加热至50℃,其等压平均热容为75.31J/mol,则此过程的 焓变为(1882.75)J/mol 。 2. 封闭体系中的1mol 理想气体(已知ig P C ),按下列途径由T 1、P 1和V 1可逆地变 化至P 2,则,等温过程的 W =21ln P P RT -,Q =2 1 ln P P RT ,U = 0 ,H = 0 。 3. 正丁烷的偏心因子ω=0.193,临界压力为p c =3.797MPa ,则在Tr =0.7时的蒸 汽压为( 0.2435 )MPa 。 4. 温度为T 的热源与温度为T 0的环境之间进行变温热量传递,其等于热容为Cp , 则E xQ 的计算式为(0 (1)T xQ p T T E C dT T = - ? )。
第二章 2-1.使用下述方法计算1kmol 甲烷贮存在体积为0.1246m 3、温度为50 C 的容器中产生的压力:(1)理想气 体方程;(2) R-K 方程;(3)普遍化关系式。 解:甲烷的摩尔体积 V=0.1246 m 3/1kmol=124.6 cm 3/mol 查附录二得甲烷的临界参数: T c =190.6K P c =4.600MPa V c =99 cm 3/mol 3 =0.008 (1)理想 气体方程 P=RT/V=8.314 X 323.15/124.6 10^=21.56MPa (2) R-K 方程 0.4夕74842 190.2 6 4. 6 160 P. 2^2K 0.5mol_ 2 8 314 x 190 6 531 b =0.08664 c =0.08664 6 2.985 10 m mol P c 4.6 汇 10 "V - b~T°'5V V b 3.222 0~5 Z5 Z5 323.15. 12.46 10 12.46 2.985 10 =19.04MPa (3)普遍化关系式 T r =「T c =323. 15 1 90. 6 1. 6V r 5二V V c =124.6 99 = 1.259<2 ???利用普压法计算, Z = z° ?「z 1 此时,P=P c P r =4.6 X .687=21.56MPa 同理,取 乙=0.8975依上述过程计算, 的值。 /? P=19.22MPa 2-2.分别使用理想气体方程和 Pitzer 普遍化关系式计算 510K 、2.5MPa 正丁烷的摩尔体积。已知实验值为 3 1480.7cm 3 /mol 。 解:查附录二得正丁烷的临界参数: T c =425.2K P c =3.800MPa V c =99 cm 3/mol 3 =0193 RT c 8.314 323.15 12.46-2.985 10 ZRT 二 P c P r V PV RT P r 旦 RT 4.6 106 12 .46 10\“.2133P r 8.314 323.15 迭代:令 Z o = 1T P r0=4.687 又 Tr=1.695 , 0 1 查附录三得:Z =0.8938 Z =0.4623 0 1 Z =Z Z =0.8938+0.008 0.4623=0.8975 直至计算岀的相邻的两个 Z 值相差很小,迭代结束,得 Z 和P
第二章 均相反应动力学习题 1. 【动力学方程形式】 有一气相反应,经实验测定在400℃下的速率方程式为: 2 3.66A A dP P dt = 若转化为2 (/.)A kC A r mol hl =形式, 求相应的速率常数值及其单位。 2. [恒温恒容变压定级数] 在恒容等温下,用等摩尔H 2和NO 进行实验,测得如下数据: 总压(MPa )0.0272 0.0326 0.038 0.0435 0.0543 半衰期(s ) 256 186 135 104 67 求此反应级数 3.[二级反应恒容定时间] 4.醋酸和乙醇的反应为二级反应,在间歇反应反应器中,5min 转化率可达50%,问转化率为75%时需增加多少时间? 4、【二级恒容非等摩尔加料】 溴代异丁烷与乙醇钠在乙醇溶液中发生如下反应: i-C 4H 9Br+C 2H 5Na →Na Br+i-C 4H 9 OC 2H 5 (A) (B) (C) (D) 溴代异丁烷的初始浓度为C A0=0.050mol/l 乙醇钠的初始浓度为C B0=0.0762mol/l,在368.15K 测得不同时间的乙醇钠的浓度为: t(min) 0 5 10 20 30 50 C B (mol/l) 0.0762 0.0703 0.0655 0.0580 0.0532 0.0451 已知反应为二级,试求:(1)反应速率常数;(2)反应一小时后溶液中溴代异丁烷的浓度;(3)溴代异丁烷消耗一半所用的时间。 5. [恒温恒容变压定级数] 二甲醚的气相分解反应CH 3OCH 3 → CH 4 +H 2 +CO 在恒温恒容下进行,在504℃获得如下数据: t (s ) 0 390 777 1195 3155 ∞ Pt ×103(Pa ) 41.6 54.4 65.1 74.9 103.9 124.1
2-3.偏心因子的概念是什么?为什么要提出这个概念?它可以直接测量吗? 答:纯物质的偏心因子ω是根据物质的蒸气压来定义的。实验发现,纯态流体对比饱和蒸气压的对数与对比温度的倒数呈近似直线关系,即符合: ??? ? ? ?-=r s r T p 1 1log α 其中,c s s r p p p = 对于不同的流体,α具有不同的值。但Pitzer 发现,简单流体(氩、氪、氙)的所有蒸气压 数据落在了同一条直线上,而且该直线通过r T =0.7,1log -=s r p 这一点。对于给定流体对 比蒸气压曲线的位置,能够用在r T =0.7的流体与氩、氪、氙(简单球形分子)的s r p log 值之差来表征。 Pitzer 把这一差值定义为偏心因子ω,即 )7.0(00 .1log =--=r s r T p ω 任何流体的ω值都不是直接测量的,均由该流体的临界温度c T 、临界压力c p 值及 r T =0.7时的饱和蒸气压s p 来确定。 2-4.纯物质的饱和液体的摩尔体积随着温度升高而增大,饱和蒸气的摩尔体积随着温度的升高而减小吗? 答:正确。由纯物质的p –V 图上的饱和蒸气和饱和液体曲线可知。 2-5.同一温度下,纯物质的饱和液体与饱和蒸气的热力学性质均不同吗? 答:同一温度下,纯物质的饱和液体与饱和蒸气的Gibbs 自由能是相同的,这是纯物质气液平衡准则。气他的热力学性质均不同。 3-1 思考下列说法是否正确 ① 当系统压力趋于零时,()()0,,≡-p T M p T M ig (M 为广延热力学性质) 。(F ) ② 理想气体的H 、S 、G 仅是温度的函数。(F ) ③ 若( ) ??? ? ??+-=00ln p p R S S A ig ,则A 的值与参考态压力0p 无关。(T ) ④ 对于任何均相物质,焓与热力学能的关系都符合H >U 。(T ) ⑤ 对于一定量的水,压力越高,蒸发所吸收的热量就越少。(T ) 3-2 推导下列关系式: V T T p V S ??? ????=??? ???? p T p T V U V T -??? ????=??? ????
2-1.使用下述方法计算1kmol 甲烷贮存在体积为0.1246m 3、温度为50℃的容器中产生的压力:(1)理想气体方程;(2)R-K 方程;(3)普遍化关系式。 解:甲烷的摩尔体积V =0.1246 m 3/1kmol=124.6 cm 3/mol 查附录二得甲烷的临界参数:T c =190.6K P c =4.600MPa V c =99 cm 3/mol ω=0.008 (1) 理想气体方程 P=RT/V=8.314×323.15/124.6×10-6=21.56MPa (2) R-K 方程 2 2.52 2.560.52 6 8.314190.60.427480.42748 3.2224.610 c c R T a Pa m K mol P -?===???? 531 68.314190.60.08664 0.08664 2.985104.610 c c RT b m mol P --?===??? ∴() 0.5RT a P V b T V V b = --+ ()()50.555 8.314323.15 3.222 12.46 2.98510323.1512.461012.46 2.98510---?= - -???+? =19.04MPa (3) 普遍化关系式 323.15190.6 1.695r c T T T === 124.699 1.259r c V V V ===<2 ∴利用普压法计算,01Z Z Z ω=+ ∵ c r ZRT P P P V = = ∴ c r PV Z P RT = 654.61012.46100.21338.314323.15 c r r r PV Z P P P RT -???===? 迭代:令Z 0=1→P r0=4.687 又Tr=1.695,查附录三得:Z 0=0.8938 Z 1=0.4623 01Z Z Z ω=+=0.8938+0.008×0.4623=0.8975 此时,P=P c P r =4.6×4.687=21.56MPa 同理,取Z 1=0.8975 依上述过程计算,直至计算出的相邻的两个Z 值相差很小,迭代结束,得Z 和P 的值。 ∴ P=19.22MPa 2-2.分别使用理想气体方程和Pitzer 普遍化关系式计算510K 、2.5MPa 正丁烷的摩尔体积。已知实验值为1480.7cm 3/mol 。 解:查附录二得正丁烷的临界参数:T c =425.2K P c =3.800MPa V c =99 cm 3/mol ω=0.193
《化工热力学》课程模拟考试试卷 A 开课学院:化工学院,专业:材料化学工程 考试形式: ,所需时间: 分钟 考生姓名: 学号: 班级: 任课教师: 题对的写T ,错的写F) 1.理想气体的压缩因子1Z =,但由于分子间相互作用力的存在,实际气体的压缩因子 。 (A) 小于1 (B) 大于1 (C) 可能小于1也可能大于1 (D) 说不清楚 2.甲烷c 4.599MPa p =,处在r 0.3p =时,甲烷的压力为 。 (A) 15.33MPa (B) 2.7594 MPa ; (C) 1.3797 MPa (D) 1.1746 MPa 3.关于建立状态方程的作用,以下叙述不正确的是 。 (A) 可以解决由于实验的p -V -T 数据有限无法全面了解流体p -V -T 行为的问题。 (B) 可以解决实验的p -V -T 数据精确度不高的问题。 (C) 可以从容易获得的物性数据(p 、V 、T 、x )来推算较难测定的数据(H ,U ,S , G )。 (D) 可以解决由于p -V -T 数据离散不便于求导和积分,无法获得数据点以外的 p -V -T 的问题。 4.对于流体混合物,下面式子错误的是 。 (A) lim i i i x M M ∞→=(B)i i i H U pV =+ (C) 理想溶液的i i V V =,i i U U = (D) 理想溶液的i i S S =,i i G G = 5.剩余性质R M 的概念是表示什么差别的 。 (A) 真实溶液与理想溶液 (B) 理想气体与真实气体 (C) 浓度与活度 (D) 压力与逸度 6.纯物质在临界点处的状态,通常都是 。 (A) 气体状态 (B) 液体状态 (C) 固体状态 (D) 气液不分状态