化工热力学模拟试题(1)及参考答案

1、第二篇 模拟试题与参考答案化工热力学模拟试题(1)及参考答案一（共18分） 判断题（每题3分）1 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。( )2 若某系统在相同的始态和终态间，分别进行可逆与不可逆过程，则。( )3 由三种不反应的化学物质组成的三相pVT系统，达平衡时，仅一个自由度。 ( )4 热量总是由给出。( )5 不可逆过程孤立系统的熵是增加的，但过程的有效能是减少的。( )6 物质的偏心因子是由蒸气压定义的，因此具有压力的单位。( )二（共16分） 简答题（每小题8分）1 Virial方程 如何证明： 2 水蒸气和液态水的混合物在505K

2、下呈平衡态存在，如果已知该混合物的比容为，根据蒸气表的数据计算混合物的焓和熵。已知在该温度下的饱和水蒸气性质为：比容/焓/熵/饱和水饱和蒸气饱和水饱和蒸气饱和水饱和蒸气1.212969.22999.562803.962.62826.2004三（15分） 用泵以的速度把水从45m深的井底打到离地10m高的开口储槽中，冬天为了防冻，在运送过程中用一加热器，将的热量加到水中，整个系统散热速度为，假设井水为2，那么水进入水槽时，温度上升还是下降？其值若干？假设动能变化可忽略，泵的功率为2马力，其效率为55（1马力735W）（视为稳流系统）。四（20分） 一个Rankine循环蒸气动力装置的锅炉，供给，

3、400的过热蒸气透平，其流量，乏气在压力下排至冷凝器，假定透平是绝热可逆操作的，冷凝器出口为饱和液体，循环水泵将水打回锅炉也是绝热可逆，求：（1）透平所做的功？（2）水泵所做的功？（3）每千克蒸气从锅炉获得的热量？已知2000kPa，400过热蒸气的热力学性质为：，；15kPa压力下的乏气热力学性质为：温度/比容/焓/熵/53.9饱和水饱和蒸气饱和水饱和蒸气饱和水饱和蒸气1.015110117.2225.572598.90.75368.0102五（14分） 远程输送天然气采用压缩液化法，若天然气按甲烷计，现将1kg天然气自、27压缩到，并经级间冷却到27，设压缩实际功率，求级间冷却器应移走的热

4、量，压缩过程的理想功、损耗功与热力学效率，设环境温度为27。已知甲烷的焓和熵数据如下：/H/S/127227.81.68906827211.81.1273六（17分）纯液体A与B在90时蒸气压力为，液相活度系数，气相为理想气体，问：（1）与50(mol) A及50(mol) B的液相混合物平衡的蒸气总压为多少？（2）能否生成共沸物？若能，恒沸组成、恒沸压力为多少？恒沸点是最高点还是最低点？参考答案一、 (1)T (2)F (3)F (4)F (5)T (6)F二、 1将 代入式（1）得 （3）将式（3）与式（2）比较同类项，得：；即； 得证2 查水蒸气表知：505K下饱和蒸气性质：；饱和液体性

5、质：按题意，设饱和湿蒸气中气相分率为x，则或 ，解得：则：三、 以单位质量流体为计算基准，则输入功率为：由热力学第一定律知：，所以水槽的温度是升高的，又由于，代入得：，解得(6.58)。四、如附图所示，查水蒸气表知：点1 ，点2 对应的气相性质为：， 点3 液相性质：，为等熵膨胀过程，设点2的湿蒸气湿度为x，则，即：，解得：点4 ，即为水泵消耗的功。ST模拟试题(1)-试题四附图2000kPa400透平所作的功五、依题意： 由热力学第一定律知：，六、(1) 当时，因此：(2) 假设生成恒沸物，则有根据气液平衡关系(i=A、B)有：，该式两边取对数得：，即，解得，该混合物存在恒沸点。所以：，化工

6、热力学模拟试题(2)及参考答案一（14分） 根据下列甲烷和己烷的物理性质，可以得出液化石油气中的主要成份不可能是甲烷及己烷的结论。请问此结论正确否？并说明原因。 物质 , , atm, 燃烧值,甲烷-82.6245.36-161.4555.6正己烷234429.8068.7548.4二（20分） （1）气体由20，2.0m3（状态1）经绝热过程到150，1m3 （状态2），输入功为100kJ，求其内能变化？（2）初态同(1)，经恒容过程加热到150(状态3)，需热量95kJ，问此过程内能变化如何？（3）（2）中处于状态3的气体经等温压缩到1.0m3 (状态2)，同时移走185kJ热量，问内能变

7、化如何？需功若干？(本题按封闭体系计算)三（20分） 一可逆热机用某种比热不变的理想气体为工质，按下述循环操作，自状态1恒容加热到状态2，由状态2绝热膨胀到状态3，然后由状态3经恒压过程回到状态1，证明此循环中净功与所吸热量之比为 其中四（24分） 有一理想Rankine循环，在4000kPa 和8kPa的压力之间操作，锅炉产生的是400的过热蒸气，冷凝器所用的冷却水的温度为25。求（1）过热蒸气从锅炉中的吸热量 ，乏气在冷凝器中放出的热量 ;（2）透平作的理论功和水泵消耗的理论功；（3）热效率。已知4000kPa，400下过热水蒸气的热力学性质为：，；8kPa压力下乏气的热力学性质为：温度/

8、比容/焓/熵/41.4饱和水饱和蒸气饱和水饱和蒸气饱和水饱和蒸气1.008418333.7173.42403.40.59108.2313五 (22分) 一蒸气透平可逆绝热操作，进入透平的过热蒸气压力为1000kPa, 乏气的压力为40kPa，如果要求乏气为干蒸气，则进气的过热度最小应为多大？透平每小时耗气为408kg，问该情况下，透平理论上可输出多少功？ 40kPa压力下的乏气热力学性质为：温度/比容/焓/熵/75.8饱和水饱和蒸气饱和水饱和蒸气饱和水饱和蒸气1.02644014317.32636.71.02517.67111000kPa过热蒸气表为：温度/焓/熵/194.4 (饱和蒸气)27

9、78.16.58654003263.97.46514403349.37.58835003478.57.7622参考答案一、结论正确。理由如下：作为石油液化气组分，基本要求是沸点不宜太高，也不宜太低，大至范围为-1510以内。(1)甲烷因其常压沸点为-161.45，通常情况下只能以气态形式存在，难以液化，所以不可能是石油液化气的组分。(2)正己烷常压沸点为68.7，以液态形式存在，也不必加压使之成为液体，所以也不是石油液化气的组分。15015020模拟试题(2)试题二附图二、设计的状态过程变化如图所示。(1) 过程，因此(2) 过程，因此(3) 过程，为状态函数变化量，因此：，又三、循环过程如图

10、所示，气体为理想气体，满足关系。各过程特征为：PV，过程，；过程，；过程，。取整个循环过程为系统，则，又，因此：将代入得：模拟试题(2)试题三附图ST4000kPa400。根据理想气体状态方程有如下关系式：，又，所以代入前式得到：模拟试题(2)试题四附图四、查水蒸气表知：状态点：，；状态点对应的饱和蒸气和饱和液体性质为：，；，。设点的干度为x，则过程(1)(2)为等熵膨胀，有：，解得。TS模拟试题(2)试题五附图五、查水蒸气表知：40kPa饱和蒸气的。以该与条件由过热蒸气表查得其温度为。与相对应的饱和蒸气温度为179.91，所以蒸气的过热度为：，即蒸气的最小过热度为289。从气耗率定义知：，则

11、，即透平理论上可输出的功率为8.82kW。化工热力学模拟试题(3)及参考答案一（共60分）是非题（每题3分）1 气液两相平衡的条件是气液两相的逸度相等。 （ ）2 偏离函数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。（ ）3 纯物质的三相点温度随着所处压力的不同而改变。 （ ）4 正规溶液混合焓变为零，混合体积为零。 （ ）5 可逆过程的有效能守恒。 （ ）6 稳定流动过程的能量积累为零，熵的积累为零。 （ ）7 对于理想溶液，i组分在溶液中的逸度系数和i纯组分的逸度系数相等。（ ）8 某二元系有，则必有。（ ）9 Gibbs函数与逸度系数的关系是。 （ ）10 合理用能的总则是按质用

12、能，按需供能。 （ ）11 纯物质由液体变成蒸气，必须经过气化的相变化过程。 （ ）12 在同一温度下，纯物质的饱和蒸气与饱和液体的Gibbs函数相等。 （ ）13 纯物质的Virial系数，如B ，C等，仅是温度和压力的函数。 （ ）14 T温度下过热纯蒸气的压力大于。 （ ）15 当压力趋于零时，（M是摩尔容量性质）。（ ）16 对于混合系统，偏离函数中的参考态是与研究态同温、同组成的理想气体混合物。（ ）17 一般情况下，经绝热可逆膨胀后，流体的温度下降。 （ ）18 二元理想稀溶液，1组分符合Lewis-Randall规则，则2组分必符合Henry规则。 （ ）19 对于正偏差系统，液

13、相中组分的活度系数总是大于1。 （ ）20 某封闭系统经一可逆过程，作功500kJ且放热1000kJ，则系统的熵变大于零。（ ）二（15分）某二元混合物，在T，P时，其摩尔体积度表达式为其中V的单位是cm3 /mol。试确定在该温度压力下：(1) 用x1 表示，；(2) 无限稀释下，的值；(3) 作图V ,在图上标出，的点。三（15分） 低压下丙酮(1)-乙腈(2)组成的二元系统的气液平衡可近似为理想系统，查得组分的Antoine方程如下：P单位为kPa，T单位为K。试求：（1）该系统互成平衡的气液相组成；（2）55时，液相组成为 =0.35时的平衡压力与气相组成；（3）溶液中总组成为，当P为

14、85kPa下55时的液相分率以及气液相组成。四（10分） 说明蒸气动力循环的工作原理（画出工作示意图并在相应的TS图上标示循环过程）。并据此提出提高蒸气效率的举措。参考答案一、1 错；2 对；3 错；4 错；5 对；6 对；7 对；8 错；9 错；10 对；11错；12 对；13 错；14 错；15 错；16 对；17 对；18 对；19 对；20 错二、，则：三、当T=328K时。(1) 当时，；当时，；同理其他数据点计算结果如下表所示：/kPa040.830.00.146.390.2080.251.950.3710.357.50.5030.463.060.6120.568.620.7020

15、.674.180.7800.779.740.8460.885.290.9040.990.850.9551.096.411.0(2) 当时，(3) 以1mol混合物为计算基准，设液相分率为，则有：，解得，解得四、 蒸气动力循环是以水蒸气为工质，将热能连续不断地转换成机械能的热力循环。现代化的大型化工厂，蒸气动力循环为全厂供给动力、供热及供应工艺用蒸气。分析动力循环的目的是研究循环中热、功转换的效果及其影响因素，提高能量转换的效率。Rankine循环是最简单的蒸气动力循环，它由锅炉、气轮机、冷凝器和水泵组成，如附图所示。气轮机冷凝器水泵锅炉 Rankine循环的示意图和T-S图12 的过程：过热蒸

16、气在气轮机中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功23 的过程：乏气在冷凝器中的等温等压冷凝过程，工质放出的热量34 的过程：冷凝水通过水泵由P3升压至P4的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功将水看作是不可压缩流体，则41 的过程：水在锅炉中等压升温和等压气化，成为过热蒸气的过程。工质在锅炉中吸收的热量理想Rankine循环的热效率蒸气动力循环中，水泵的耗功量远小于气轮机的做功量提高蒸气效率的举措主要为通过改变蒸气参数提高Rankine循环的热效率。（1） 提高蒸气的过热温度在相同的蒸气压力下，提高蒸气的过热温度时, 可提高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并且可以降低气耗率。同时乏气的干度

17、增加，使透平机的相对内部效率也可提高。但是蒸气的最高温度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸气的最高温度以不超873K为宜。（2） 提高蒸气的压力当蒸气压力提高时，热效率提高、而气耗率下降。但是随着压力的提高，乏气的干度下降，即湿含量增加，因而会引起透乎机相对内部效率的降低还会使透平中最后几级的叶片受到磨蚀，缩短寿命。乏气的干度一般不应低于0.88。另外，蒸气压力的提高，不能超过水的临界压力，设备制造费用也会因蒸气压力的提高而大幅上升。(3) 其次在工艺上可采用引出蒸气再热循环、回热循环和热电循环等。化工热力学模拟试题(4)及参考答案一（共30分）基本概念题（每小题或每空1分）1

18、 纯物质由蒸气变成液体，必须经历经冷凝的相变化过程。 A、True B、False （ ）2 在相同的温度下，纯物质的饱和液体的Gibbs函数与饱和蒸气的Gibbs函数相等。 A、True B、False （ ）3 气体混合物的Virial系数，如B，C，D，等是温度与组成的函数。 A、True B、False （ ）4 Gibbs函数与逸度的关系满足。 A、True B、False （ ）5 气液相平衡的条件是气液两相的逸度相等，即。 A、True B、False （ ）6 Gibbs-Duhem方程是严格的热力学方程，它可以用来检验热力学数据的一致性（或正确性）。 A、True B、Fal

19、se （ ）7 在一定的压力下，气体的溶解度随温度的升高而降低。 A、True B、False （ ）8 Wilson活度系数关联式对部分的互溶系统不适用。 A、True B、False （ ）9 偏摩尔量的定义可写为：。 A、True B、False （ ）10 在恒T，P下，对二元系统而言，Gibbs-Duhem方程可写作。A、True B、False （ ）11 稳流过程的能量是守恒的，熵的累积量可能大于零，也可能小于零。 A、True B、False （ ）12 可逆过程的有效能守恒。 A、True B、False （ ）13 能量平衡关系式对任何系统、任何过程都适用。 A、True

20、B、False （ ）14 具有状态函数的属性，而普通的则是过程函数。 A、True B、False （ ）15 有效能实际上就是理想功，即。 A、True B、False （ ）16 过热蒸气通过绝热可逆膨胀，对外做功为，经过计算此过程的理想功为，则（ ）。 A、大于； B、小于； C、相等； D、不确定。17 某流体在稳态稳流装置内经历了一个不可逆绝热过程，所产生的功为25kW,试问流体的熵变（ ）。 A、大于零； B、小于零； C、可正可负。18 从工程实际角度出发，合理用能的实质是（ ） A、过程是否经济；B、功耗大小； C、能耗大小；D、理想功大小。19 对于理想溶液： ， = ，

21、， ， 。20 写出下列偏摩尔量的关系式： ；= ；_。21 Rankine循环的四个过程是 ；_；_； 。二 （12分） 有一个总体积为0.65m3 的压力容器，其极限压力为2.85MPa，出于安全的考虑，要求操作压力不得超过极限压力的一半。试问该容器在150条件下最多能装入多少 kg丙烷？已知：丙烷的物性参数为，=369.8K，=0.152，要求采用Peng-Robinson状态方程计算。其形式为：式中：；三 （12分）某蒸气压缩制冷循环，制冷量、蒸发室温度为 -12，若冷凝器用水冷却，进口温度为8，循环水量为无限大，请设计一套功耗最小的循环装置，并计算制冷循环消耗的最小功。若用空气来冷却

22、冷凝，室温为28，消耗的最小功为多少？四 （12分） 某厂有输送90热水的管道，由于保温不良，到使用单位时，水温已降至70。试求水温降低过程中的热损失与损耗功。设大气温度为25，已知水的热容为。五 （15分） 在200和5.0MPa下，二元气体混合物逸度系数可以用下表示：，其中，为组分1、2的摩尔分率，求 ，的表达式，并求等摩尔混合物的组分1、2逸度各为多少？六（12分）乙醇(1)甲苯(2)二元系统的气液平衡态的实验测定给定下列结果： 另外，已知318.15K时纯组分的饱和蒸气压为：，。作通常低压气液平衡的假设，确定给定的状态：（1）液相的活度系数和；（2）液相的的值；（3）液相的，并注明答案

23、的符号；（4）液相与理想溶液性质相比，是具有正偏差还是负偏差？气液平衡与Lewis-Randall规则相比是正偏差还是负偏差？七（7分） 从热力学基本方程出发证明下列关系：参考答案一、1 B；2 A；3 A；4 A；5 B；6 A；7 B；8 A；9 B；10 A；11 B；12 A；13 B；14 A；15 B；16 C；17 A；18 A；19；，；20 ，；21等压加热蒸发过程、绝热膨胀做功过程、等压冷凝冷却过程、绝热压缩过程二、，取为初值，经若干次试差得：；收敛三、由题意得 ，用水来冷却时：用空气来冷却时：四、取1水为计算基准，由热力学第一定律知，根据热力学第二定律知：五、，则：，又，

24、则：当P=5MPa，时，六、(1) ；(2) (3) ，)15 对于任何实际过程，总有效能必 ，总无效能必_。(A. 减少； B. 增加； C. 守恒)16 对于指定的环境状态(，)，流体经历一个实际的热力过程后，其理想功的计算_。(A. 需要依赖实际过程； B. 只取决于状态变化)17 设某制冷循环的制冷量为，需要功量，则该循环向周围环境的排热量_。二(10分) 某容器装丙烷，其容积，耐压极限为2.7MPa，出于安全考虑，规定充进容器的丙烷在400K下，其压力不得超过耐压极限的，试求在该规定条件下，充进该容器的丙烷为多少kg？已知：丙烷的摩尔质量，。供参考的状态方程为：； 三(10分) 某压

25、缩机对某种气体进行压缩，该气体压缩前后的状态为：压缩前：，；压缩后：，。并已知，及。试求该压缩过程气体的焓变(以1kmol为计算基准)。四(14分)某换热器内，冷、热两种流体进行换热，热流体的流率为，温度从500K降为350K，冷流体的流率也是，热容也是，温度从300K进入热换器，该换热器表面的热损失，求该换热过程的损耗功。设。五(8分) 已知P=2MPa，T=298K时二元系中组分1的逸度表达式为： MPa，试求上述温度、压力下，(1) 纯组分1的逸度；(2) 纯组分1的Henry系数。六(18分) 已知某二元系在T=64.3，P=0.10133MPa时形成恒沸，其恒沸组成为。设该二元系可采

26、用Van Laar活度系数关联式，(1) 试用上述信息求Van Laar式常数A、B。 (2) 试求T=64.3及时的泡点压力P及与之平衡气相组成。已知64.3时，。参考公式：，七(6分) 今有1 kmol空气，温度为300K，压力为0.10133MPa，其组成为79%和21%(摩尔分率)。(1) 今欲把它们分离为300K及0.10133MPa下纯态的和，求最小分离功(即理想功)。(2) 如果把该1 kmol空气分离为300K，0.10133MPa下的两股物流，A股含98%和2%；B股含50%和50%，求总的理想功。设参考公式：理想功计算式为：参考答案一、1 错；2 对；3 对；4 对；5 对

27、；6 错；7 错；8 对；9 错；10 对；11 对；12 错；13 对；14 ，；15 A，B；16 B；17 二、的物性为：、，使用Virial方程进行计算：三、以1kmol气体为计算基准，则四、取整个热交换器为研究对象，根据热力学第一定律知：，因此有，代入数据解得根据热力学第二定律：得到：五、六、，当时，则有，七、取1mol空气为计算基准(1) (2) 设被分离的两股富含、富含氧气的流量分别为、()，则有分别对和进行物料衡算：；解得：，为计算该过程的理想功，可设计如下的路径：则因此：化工热力学模拟试题(6)及参考答案一（35分）判断、选择、填空题（前21小题每题1分）1 理想气体的焓、熵

28、及Gibbs函数仅仅是温度的函数。 （ ）2 由于分子间相互作用力的存在，实际气体的摩尔体积小于同温同压下的理想气体摩尔体积。所以，理想气体的压缩因子Z=1，实际气体的压缩因子ZU；C. H=U；D. 不能确定。 ( )14 下列关系不成立的是：A.；B.；C. ( )15 一气体符合的状态方程，从等温可逆膨胀至，则系统的为：A. ；B. 0；C. ；D. ( )16 由混合物的逸度的表达式知，的状态为：A. 系统温度、P=1的纯组分i的理想气体状态；B. 系统温度、系统压力的纯组分i的理想气体状态；C. 系统温度、p=1的纯组分i；D. 系统温度、系统压力、系统组成y的理想气体混合物。( )

29、17 某封闭系统经历一不可逆过程。系统对外界作功和排热分别为15kJ和5kJ，试问系统的熵变：A.为正；B.为负；C.可正可负 ( )18 某流体在稳流装置内经历一不可逆过程，加给装置的功为25kJ，从装置带走的热量(即流体吸热)是10kJ。试问流体的熵变：A. 为正；B. 为负；C. 可正可负( )19 从合理用能角度出发，在流体输送过程中，同样物质的高温物体比低温物体的流速要：A 大；B.小；C.相等；D.可大可小( )20 合理地评价化工过程能量综合利用所采用的方法是：A. 热力学第一定律；B. 热力学第二定律；C. 热力学第一与第二定律 ( )21 二元气体混合物的摩尔分数，在一定的T，P下，则此时混合物的逸度系数为： A. 0.9097；B. 0.8979；C. 0.8982；D. 0.9092。( )22 (2分)纯物质的临界点关系