化工热力学第三版课后答案完整版朱自强

1、第二章 流体的压力、体积、浓度关系：状态方程式 vid为 2-1试分别用下述方法求出 400C、4.053MPa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 vid RT 8.3仆(400 +273.15)=1.38仔10%3，moL 4.053x106 （2）用 RK 将RK方程稍加变形，可写为 方程求摩尔体积 (E1) 其中 0.42748R2Tc2.5 a = Pc 08664RTc Pc 从附表 查得甲烷的临界

2、温度和压力分别为 Tc=190.6K, Pc =4.6OMPa,将它们代入 a, b表 达式得 22 5 0.42748 x8.3142x 190.6 4.60 x106 =3.2217m6 _.-2. , 0.5 卩a mol K Z0866必8.3计 190.6 =2.9846“0冷3 mol -J 4.60 x106 以理想气体状态方程求得的Vid为初值，代入式（E1）中迭代求解，第一次迭代得到Vi值为 “=监泸+2.9846“0 3.2217x(1.381x10 -2.9846x10冷 673.150.5 X 4.053X 1O6 咒 1.38加 10 咒(1.38/10“+ 2.98

3、46X 10冷 =1.381X10+2.9846 咒 10鼻2.1246X10 旦 =1.3896xiOm3 mol 亠 第二次迭代得V2为 3.2217c (1.3896X 10 -2.9846c 10，) a(V -b) 哼+b_pV(V+b)+ pb(V -b) (E2) V2 =1.381x10-+2.9846x10-56335 673.150.5 X 4.053X106X 1.3896咒 10 咒(1.389 为27.86Mpa , 150C，求内径为 510m的出口管中气体的流速。 解先求出N2 （1） + H2 （ 2）混合气体的摩尔体积 Vm ,拟用Amagat定律求解。 由附

4、表1分别查得N2和H2的Pc、Tc为 N2 : Pc1 = 3.39MPa , Tc1 =126.2K H2 :pc2 = 1.30MPa, Tc2 =33.2K 然后求N2和H2的 Pr、Tr， N2 : P1 H2 : P2 30.395 =8.966 , 3.39 30.395 =14.40 , 1.30+0.8106 Tr1 Tr2 空7鸣 7.237 126.2 298.15 =8.966 33.2+8 根据P、Tr查二参数普遍化Z图得 乙=1.13, Z2 =1.22 因为n2和h2是以化学计量比输入，故 % =0.25,y2 =0.75 根据Amagat定律 Zm=：S yZi

5、=0.25x1.13+0.75x1.22 = 1.20 I 30.395 X106 Vm 二ZmRI20 曲314咒298.15 =9.79艾m3 mol- P mn为 Vin1.6667x102 m|n9.79x10, = 17.02mol=61.27kmol 用 根据反应的计量关系, Nh3H2 2NH3 (总量) 开始 结束 1-0.153 -3x0.152x 0. 1 5 3.7 则每小时合成氨的量可由下式计算得出, mNH3 minx20.1612x0.14.60kmol 巾二 44 (2)先求出口气体的组成。 因为出口气体中 N2 :H2: NH3 =(1-0.15): (3-3x

6、0.15):(2x0.15)，故 yN2 =0.2297, yH =0.6892，yNH =0.0811，送 =1.000 23 I 再求出口气体的摩尔流速 3.7 5| 4 mout = |in 3.7 X 17.02 =15.74mol 4 利用Amagat定律求出口气体的摩尔体积 Vm。 先从附表查得 H2 : N2 : NH3 : =13.20， Tr = 10.27 1.30+0.8106 33.2 +8 27.86 = 8.218， Tr 273.15+150 = 3.353 3.39 126.2 27.86 _ 273.15+150 = 2.470， Tr = 1.043 11.

7、28 405.6 NH3的PC =11.28MPa，Tc =405.6K，则可求出各组分的对比性质为 Pr Pr Pr 根据上述对比参数，查二参数普遍化z图，得 Zh2 =1.15， Zn2 =1.14，Znh3 =0.380 = 1.15x 0.0892+ 1.14X 0.2297 + 0.38 0.0811= 1.085 Vm P I.。85.3计423.15 十7%10甘.mol， 27.86 X106 已知混合气体的进口体积流量，vIn =1.6667x10m3 s，则混合气体的进口摩尔流速 出口管中气体的体积流速为 Vout mout Vm =1.37x10 J15.74 = 2.1

8、56x10m3 s 出口管中气体的流速, 卩，可按下式计算, 卩=Vout -A =314161貉=1-E 式中：A为管子的截面积。计算得出出口管中混合气体的流速为 1.10m 58页第2章 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 RT pV = RT = V = = 8.314空苹5 =1.381 ,10- .m3 4.053 *10 、mol （b ）用R-K方程 查表求Tc、Pc : 计算a、b; 利用迭代法计算 V。 （C）用PR方程 步骤同（b），计算结果: RT P _V -b 斤 V (V + b ) + ba(Vi - b

9、) VT Vi (V b ) V0 =1.381 10 m3 moL Vi. = RT P Vi十=1.3896 10 m3 mol 匕=1.389310 m3 moL。 （d ）利用维里截断式 -RT-RT- + BPPr=1+B0” Pr“Pr RTc TrTrTr c1 c C 0.172 Tr42 B1 =0.139 查表可计算pr、Tr、B0、B1 和 Z 由 Z罟-V=ZRT=1.39110f3mol 2-2 V=0.5 m 3,耐压2.7 MPa容器。规定丙烷在 T=400.15K时，p1.35MPa。求可充丙烷多 少千克？ 解：（a）用理想气体方程 m pV = n RT =

10、pV = RT = M 8.314 400.15 m = MPV = O.。44.35 计 05= 利用迭代法计算 V。 RT P 二V -b Vi J P V m = n M = M Vr O.。44芈=9.838 恼 10 2.241 疔 V (V + b ) + ba(Vi-b) TT Vi (Vi +b) V0 =2.464 ”10m3 mol， Vr =2.241 10m3 mol， 则可充丙烷质量计算如下: （C）利用维里截断式: Z曙=1+RT=1 + Bpc RTc Pr =1 + B0 円 rn ”B1 TrTr Pr Tr B1 =0.139-0172 Tr4.2 查表可计

11、算pr、Tr、 B0、B1 和 Z 由 ZpVm 、V 0.916 $.314 ”400.15 由苻八宀 则可充丙烷质量计算如下： 1.35 106 = 2.257 苗 m3 -mol 0049.77 2.257 10 kg V m = n M = M Vi + 求压力。 45.40 kg，T=500.15K， 2-4 V=1.213 m3,乙醇 解：（a）理想气体状态方程 nRT m RT (b) V 用R-K M V 方程 45.40 8.314 500.15 =3.383 .MPa 46 1.213 22 5 0.42748R TC PC =28.039 0.08664R TC =0.0

12、58 Pc VT Vm Wm+b) RT P = Vm -b (c) 用SRK方程计算 V -V- n p = 2.759 4400 , mol 46.01 45401/341.2妙口3 kmoL MPa T :- (227 + 273.15) K pJ, := 6.38 10 Pa 丁匚:=j516 2 K R T aCT) P V - b V O5T :=0.437 1 + lo.4S0 + 1.574-w - 0 176 a I- 1 - Pc otCT): 2 Pc 1 + 0.37464 + 1.54226 M - 0.26592 tn (e) 0.07730 R T- Pc a(T

13、) 1.372 react 16 =2 663 X 10 Pa n丿 用三参数普遍化关联 6 Pa b = 5.233 x 10 ,2mol mol m n = 一 M Vm n Z PVm Z = RT 454 =0.987 kmol 46 1.213 . coc 3 I |_1 =1.229 m kmol 0.987 BpRT RT N Vm - B 坠=B0 +05 启1 = B= (B0 +05 卜R 讥 p RTc B0 = -0.361, B1 = -0.057,=0.635 二 B = 0.267 RT .P =E2.779.m Pa 2-6 (a) （本题以计算机编程计算提供参

14、考，考试时不能使用） R-K方程 Tr ；0.858Pr m-329刃76 4.9340 Z =0.835 0.08664 Pr h = 乙Tr i r V(m n)：= nl Zi while |m _n| ;10-3 lm 0.08664 Pr HT nTr 14.9340 m * 1 _HT 1.5 Tr 10 0.08664Pr nTr -4.9340訂一 1 - Hl1 + H 丿 In丿 0.784) V(1 0.829 = 10.785 丿 2-7 计算 T=523.15K , 解：（a）用维里截断式 p=2 MPa的水蒸气的 Z和V Z =卫匕 止1 +旦+ =R +-BR +

15、-CRTr采用迭代法计算 V=2.006 RT V Vp pV pV 之后求得Z=0.923 (d )利用维里截断式 Z=RA+RT=1 + Bpc .P r=1+B0. pr “ 小 pr RTc TrTrTr B0 =0.083-0.422 Tr1.6 B1 =0.139 0172 Tr 查表可计算Pr Tr、 B0、B1 可得到 Z=0.932 ; 由2型= RT ZRT = 2.025 ”10-m3、mol (c)水蒸气表 V =0.11144 E3 kg 止 0.11144 18 =2.00592 m3 kmoL -RV = 2000進生 0.9223 8.314 523.15 92

16、页第三章 3-4 -3 R ：=8.314 T1 ：=127 +273.15 T2 ：=227 +273.15 P1 6 -2.5 310 Pa P2 6 -12.6710 Pa Tc ：=42 5 Pc ：=4.3 26106 Pa ：=0.181 Cp(T) ：=22.738 +222.79 6103 T-73.87910 6 T2 利用三参数压缩因子计算方法，查图表，得到压缩因子： Tr1 T1 I Tc Tr1 =0.94 2 Tr2 =1.17 7 Pr1 P1 Pc P r1 =0.58 5 Pr2 = 2.92 9 Z1 -0.67 7 Z2 -0.53 5 Z2 R T2 1

17、Z1RT1 P2 P1 T 3 V =-7.14 6 10 m mol H2R RTcP2 1 Pc 仃2 f.6 .0.08 3 + 0.13 9时-1.09 7| LlTc 丿 0.89他年 lTc丿 /.2- H2r =-8.47 5C 103 H1R RTc P1 1 Pc * 0.08 3 + 0.13 9 时-1.09 7 Gt 、_1.6 0.89 4 關 421 H1R =/.70 4x 103 J2 T1 S2R 1 1 3-7: 解: Cp(T)dT+H2RH1r 绅=5.02 8X103 _1 J mol -RP2 Pc -RP1 Pc rT2 T1 0.675 俗 Ll

18、Tc 丿 2.6 2.6 +T? 9 V_5.2- S2r = -12.1 28 I片)-26r ” 0.675一 I + 0.72 2j LUc丿Uc丿 22 = -4.70 8 Cp(T) T dTRln + S2rS1r _1 _1 出=3.21 2J mol K 罟】。, 广P Vdp = 2.095X 10%1.55仆10咒(2000 381) “P1 =-5.261X10； m3 kPa kg*5.261Jn 注意：m3 kPa = 103 J ah =T KS+V-Ap= 270 x( 5.261 )+1.55110咒1.619咒106 =1.091-kJ ”kg 或者 h =

19、r(1 Pt VLd p =(1 -2.095 107 270 )1.551 10(2 106 -3.81 105 ) = 1090.6J kg 4 3- 9 解：乙腈的An to nie方程为 (kPa ) I S . .3271.24 ln p =14.7258 t/C+241.85 (1) 60C时，乙腈的蒸气压 3271 24 lnp j.7258 一 60匚E3*888 二 ps =48.813 kPa (2 )乙腈的标准沸点 3271 24 ln 100 = 14.7258 = 4.605 t/ 七+ 241.85 二 t =81.375 % (3) 20C、40C和标准沸点时的汽

20、化焓 AH RT2 dlnpsAH3271.24 = 2 = 2 dTRT(t+241.85 2 3271.24X8.314 XT2 . AH =5 (t + 241.85 J AH (20c)=34.09kJ / mol; AH (40c)=33.57kJ / mol; AH (81.375C )=32.72kJ /mol 117页第四章 4- 1 3 _1 =3mAh =(2300-3230) 103. kg 104kg 3600s q := m =2.778 1 s 4 注=2.778kg s 3600s u = J1202 -502= 109 JJ YJ kg 少=2.583 X 10

21、 Au =109.C J kg = 1.65x 104 s J g，& m =81.729- s 丄2丄6 J m如g 血 m =-2.567x 10 - s 2.567106 I s丿 二 2.567106 W wc 2.583 -2.567 100% wc 2.567 = 0.623% 4-2 方法 Ah 1 2 、 + 加 +g氐=q 2 -w u1 ：三3 R ：=8.314 Ah 0.075 u2 ：=一- 0.25 u1 U2 =0.27 T2 53.15 T1 ：=593.15 =Cpmh T2 -T + H F2 -HF! -r HR1 叮 / +0.344 - / dB0c

22、dB1c 0 T 0 T, L 0丿 2、 T 0.675 i + 05 0.722 PC 一Uc丿 2 C S2R PC /T 仃1 dT-RIn 1 1 + S2RS1R= 21.801J mol K ：=47 3.15 ：=2.5 106 ：=30 5.4 ：=O.O9 8 -RP Pa R ：=8.31 4 P2 :=O.2O 10 Pa S1R尸 PC -R P2 S2R(T2)：= 厂C Pc ：=4.88 106 Pa Cp(T) ：=9.40 3 + 15 9.83 7103 T -46.2 34106 T2 -2.6 + (a 0.722 ” Uc 、一2.6 1Tc丿 &2

23、 + O 0.722 j- F -5.2 经迭代计算（参考101页例题4-3） 得到 T2=34O.71K。 H1R ：= RTc P1 PC ” 0.083 +0.139 谕-1.097 1Tc丿 -0.894 谕 1Tc丿 H2R（T2）：=零工 c .0.083 +0.139 时-1.097 -0.894 豹(T2 、4.2 一 门2 3_1 C p(T)dT +H 2R(T2)-H R = -8.32725X 10 J mol 1 146页第五章 5-1: b 5-2: c 5-4: a 5-5: a 5- 1: To 解：可逆过程熵产为零，即iSg ；= iSsys - ASf =

24、ASsys =0 二 A Ssys 0= iSsys To 。即 T。 系统熵变可小于零也可大于零。 5-4: 解：不可逆绝热过程熵产大于零，即 iSg =KSsys -比Sf Ssys 0。所以流体熵变大于 5-5: 解：不可逆过程熵产大于零，即 10 =ASsys ASf = iSsys -匸 T0 0= ASsys-。 T0 5-3: 解：电阻器作为系统，温度维持 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: 100 c,g卩373.15K，属于放热；环境温度 298.15K，属于 2 8 50C(20A) 2 3600s =1.44X10 J 8 8 二44 X10 J

25、, 1.44 咒 10 J4 1 + =9.70 7X10 -J 373.15K298.15KK 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： = 24.901 J 丿K mol -8.314 J mo厂1 K-1 In f。.09807 I 1.96 所以过程不可逆。 5-7： 4解: 绝热稳流过程M二+口2胡二0 所以 M h3 二 mi hi + m2 h? -1 50 kg s T3 = 339.15K 339.15-273.15 = 66 S mjSj-送 ji mi Si = m1 Cpms ln CpmsLn 查表可得

26、h 1 = 376.92 h 2 二 209.33 376.92 -209.33_1_1 C Pms = C pmh -二 二 s 4.19 kJ kg K 90-50 出 g=S mjSj-2 miSi=m1 CP msln ji lT1丿 + m2C pmsn 出g = 20 4.184 ln(339 J +30 4.184j= 0.345kJ K一1 s一1 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。 解：(1)循环的热效率 (2)水泵功与透平功之比 廿WNWs,Tur +W44 T = Qh H2-H1 _1_1 20 kg s (90 + 27 3.15 K +

27、30 kg s(50 + 273.15) K T3 - H2=3562.38 kJ - kg-1，H3=2409.3 kJ - kg-1，H4=162.60 kJ - kg-1，H5=2572.14 kJ - kg-1， H4-V 仏p= H1 =162.60+(14-0.007 )103 0001 = 176.6 kJ 忒 WJ WsTur 二厶004-0.0讥。.。 H2 - H33562.38-2409.3 S=H2-H3+H1H4 =0.345 H2 -H1 (3)提供1 kw电功的蒸气循环量 1000 m = Wn 1000 =0.857 1167.08 A g S 5-15 题:

28、4-15 T0 W th 一 Qh tl to-Tl t 二 nC60% 20% ql QH t T0 V Ql Qh lTo-几丿 0.6 0.2= 0.555 Tl 心=% .60% 上 20% = h-E I Th 人To -Tl 丿 0.6 0.2 -鴿毅冷0.12朋 194页第六章 6- 1: 解：水蒸气的摩尔流量为: m n 二 M 3600 16801000 二 25.926mol 18 3600 s1 r H(T) ：=n fT 於(T P)：=n ” 8.314(3.47 +1.45 一3 T +0.121 105 丁一2 r dTn8.31叫3.727 丿 8.314(3.

29、47 +1.45 1o T + 0.12110 5 丁一2 |_703 703 (a)通过内插法求出 0.1049MPa时对应的温度，如下 100 t 10095 101.325 -104.9 二 0.298 101.325 -84.55 t = 100.964 W jd 二 抽(374.114) +T o 出(374.114Q.1O49 )二 3.607 X 105 J s C_d W s 二抽(374.114)二 3.046X10 J s 4 0.844 Wid (b) 51 W id 二 3(333) +T 8(333 0.0147) = 4.926 X 10 Js Ws 二 3(333

30、)二 3.408 x105J s1 0.692 a Wid 6-3 绅=h2 _片=29 2.98-37 6.92 = -83.9 4 幌u讦号 T0 (0.95 49-1.19 25-8394= 0.04 4kJ kg* K-1 I29 8 丿 根据热力学第一定徽损失为 _1 Q =绅=-83.9 4kJ kg Q = -1.51 U 103 J mo|i 功损失为 -1 Wl = T0 理=13.1 kJ kg 或 -1 23 5.8J mol 6- 6: 解：理想气体经一锐孔降压过程为节流过程, iH ：= 0 ,且Q = 0，故Ws = 0，过程恒温。 範鰹ZL7.42C103Jmo|

31、j 则绝热膨胀过程的理想功和损耗功计算如下： Wid=a+T 0=T 0A8 =1-2988.314 In I . id00IJ1.96 丿丿 =7.42 X 103 J mo厂1 WWiT0= f-298 8.314 |J0.0980 7) L id 0 g II 1.96 丿丿 6-8： 解：(1 )产品是纯氮和纯氧时, Wd =RT0(y1 ln yr y21n y2)=8.314 298.15 (0.211 n0.21 +0.79ln0.79) =1.274kJ mol 4 (2)产品是98% N2和50% 02的空气时，设计计算流程如下: 0.21 O2 分离 - 纯O2 混合. 0

32、.98 N2 Wid 纯N2 W2 50% O2 98% N2 总的功 w =Wd +W +她 -1 W = T0R(0.98l nO .98 +0.021nO .02) W2 = T0R(0.5l nO .5 + 0.51 nO.5) = -298.15 8.314 (-0.098) = 242.924 J Eol， = -298.15 8.314 (-0.693) =1.718 ”kJ ”mol ” .w = -1.274+242.924 10+1.718 =0.687kJ mol 6-12: 解： H2O NH3 O2 CH3 OH CO2 N2 130.59 -28 5.84 69.9

33、 4 -46.1 192.51 20 5.03 -23 8.64 -393.51 126.8 21 3.64 19 1.49 H2 O(l) ziH 二 -28 5.84kJ moP1 f 69.94-血.59-0.5 严.03-8.31 4壮。他畑打 (0.02 06105 _1 _1 -16 9.78 5JmolK EXC (H2)= a +T 0 崖=285.84 -298169.785 = 235.244kJ mol 0 1000 NH31N3H2 H3 2 2 _1 Exc(NH3)二 3 117.61 +1 0.335 1 16.63 = 336.535 kJ mol CH3OH Exc(CH30H)二 4 117.61+1 1.966 +410.54 166.31 二 716.636kJ mol 6-13 解: 绅二+Q2 二 0Q1 =m1 俠-hQ2二 m2(h-h2) h3 h1 ) + m2 h3 -h2 )= 0 72000_11 0 8 0 00_1 m1 二歸 kgSm2 亦 kgs h1 _1 ：=376.92 kJ kg ：=1 . 1 9 2 _1_1 5kJ kg K _1 h2 ：=2 0 9 . 3J3kg _1_1 S2 ：=0 . 7 0 3 8kJ kg K (h3 -h 1 ) + m2 卩 3 -h2 )= 0 h3