化工热力学习题

1、2-1使用下述三种方法计算Ikmol的甲烷贮存在容积为0.1246m3、温度为50的容器中所产生的压 力是多少？（1）理想气体方程；（2）Redlich-Kwong 方程；（3）普遍化关系式。2-2欲将25kg，289K的乙烯装入0.1m3的刚性容器中，试问需加多大压力？2-3分别使用理想气体方程和Pitzer普遍化方法，计算510K，2.5MPa下正丁烷的摩尔体积。已知实 验值为 1480.7cm3 , mol-1.2-4试用下列方法求算473K, 1MPa时甲醇蒸气的Z值和V值：（1）三项截尾维里方程式（2-6）,式中第二、第三维里系数的实验值为：B = -219cm3 , mol-1C

2、= -17300 cm6 , mol-2（2） Redlich-Kwong 方程；（3）普遍化维里系数法。2-5某气体的p vT行为可用下述在状态方程式来描述：RT )式中b为常数，e只是t的函数。一 ，1的关系式为试证明此气体的等温压缩系数k = - vRTp RT+(b-2-6试计算含有30% （摩尔）氮气（1）和70% （摩尔）正丁烷（2）的气体混合物7g,在188和 6.888MPa 条件下的体积。已知：B11=14 cm3 , mol-1, B22 = -265 cm3 , mol-1, B12 = -9.5 cm3 , mol-1。2-7分别使用下述方法计算171 , 13.78M

3、Pa下二氧化碳和丙烷的等分子混合物的摩尔体积。已知 实验值为 0.199m3 kmol-1（1）普遍化压缩因子关系式；（2） Redlich-Kwong 方程。RT a2-8有一气体的状态方程式P-, a及b是不为零的常数，则此气体是否有临界点呢？如V - b V果有，用a、b表示。如果没有，解释为什么没有。2-9在体积为58.75ml的容器中，装有组成为66.9% （摩尔比）H2和33.1%CH4混合气1mol。若气 体温度为273K,试求混合气体的压力。2-10液氨在-153和2.537MPa条件下的密度为600kg-m-3,试用Lyderson的普遍化方法计算在-168 和1.084MP

4、a下的密度。2-11试编制下列电子计算机程序：（1）用R-K方程求纯物质的饱和蒸气和饱和液体的摩尔体积；（2）采用Prausnitz提出的混合规则和R-K方程求混合气体的摩尔体积。(dU )3-1试推导方程-S V )T-P式中T、V为独立变量。3-2 一理想气体借活塞之助装于钢瓶中，压力为34.45MPa,温度为366K,反抗一恒定的外压力3.45MPa而等温膨胀，直到两倍于其初始容积为止，试计算此过程之4 U、4 H、4 S、4 A、4 G、TdS、 pdV、Q 和 Wo 3-3假定氮气服从理想气体定律，试计算Ikmol氮气在温度为500,压力为10.13MPa下的内能、焓、熵、0V、0P

5、和自由焓之值。已知： (1)在0.1013MPa时氮的Cp与温度的关系为:C = 27.22 + 0.004187TJ - mol一i - K一1(2)假定在0 及0.1013MPa时氮的焓为零；(3)在 25及 0.1013MPa 时氮的熵为 191.76 J mol-1 - KA3-4试证明由Van der Waals方程推得的剩余焓，熵的计算表达式分别为:caHr=-RT+pV-VSr 二 Rln P(V - b)RT提示：Vdp=d(pV) - pdVdp =-dV(T 一定)3-5将10kg水在100、0.1013MPa的恒定压力下气化，试计算此过程4 U、4 H、4 S、4 A、4

6、 G 之值。3-7试用普遍化方法计算丙烷气体从378K、0.507MPa的初态到463K、2.535MPa的终态时过程的AH、4 S值。已知丙烷在理想气体状态下的摩尔恒压热容为C* = 22.99 + 0.1775T p始终T用K表示，C*用J - mol-1 K-1表示。 p3-8试估算93、2.02MPa条件下，1mol乙烷的体积、焓、熵与内能。设0.1013MPa, -18 时乙 烷的焓、熵为零。已知乙烷在理想气体状态下的摩尔恒压热容C* = 10.083 + 239.304x 10-3T - 73.358 x 10-6T2 j mol-1 K-1 p3-9试用普遍化关系求算1-丁烯在4

7、73K积7.0MPa下的逸度。3-10试估算正丁烷在393K、4.0MPa下的逸度。在393K时，正丁烷的饱和蒸气压为2.238MPa,其 饱和液体的摩尔体积为137cm3 mol-1 o3-11 260、1.0336MPa的过热蒸气通过喷嘴膨胀，出口压力为0.2067MPa,如果过程为可逆绝热且 达到平衡，试问蒸气在喷嘴出口的状态如何？3-12有人用A和B两股水蒸气通过绝热混合获得0.5MPa的饱和蒸气，其中A股是千度为98%的是 蒸气，压力为0.5MPa,流量为1kg-s-1；而B股是473.15K, 0.5MPa的过热蒸气，试求B股过热蒸 气的流量该为多少？3-13在T-S图上描述下列过

8、程的特点及画出所经途径：(1)饱和液体的连续节流；(2)将过热蒸气定压冷凝为过冷液体；(3)饱和蒸气的可逆绝热压缩；(4)处于p 1 T1的过热蒸气的绝热节流；(5)出于某压力p下饱和液体的绝热节流；(6)定容加热饱和蒸气；(7)定容加热饱和液体；4-1某二组元液体混合物在固定T及p下的焓可用下式表示:H=400% 1+600x2+% 1 x 2(40% 1+ %)式中H单位为J-mol-i。试确定在该温度、压力状态下(1)用x 1表示的H1和H2 ；(2) 纯组分焓%和H2的数值；(3) 无限稀释下液体的偏摩尔焓H8和H8的数值。124-2在固定T、P下，某二元液体混合物的摩尔体积为:丫=9

9、0x1+50x2+(6x1+9x2) x 1式中丫的单位为cm3-mol-1。试确定在该温度、压力状态下(4) 用阳表示的V和V ； 112(2)无限稀释下液体的偏摩尔体积V18和V28的值，根据(1)所导出的方程式及V,计算V、V2和V值，然后对x 1作图，标出V1、V2、V18和V28之点。4-3试推导服从Van der Waals方程的气体的逸度表达式。人人4-4试计算甲乙酮(1)和甲苯(2)的等分子混合物在323K和2.5x 104Pa下的。、。和f。 12人人4-5式fv = f为气-液两相平衡的一个基本限制，试问平衡时下式是否成立： i ifv = fl也就是说，当混合系处于平衡时

10、其气相混合物的逸度是否等于液相混合物的逸度？4-6环己烷(1)和四氯化碳(2)所组成的二元溶液，在1.013x 10 5Pa、333K时的摩尔体积值如下 表所示:x 1V/(cm3 , mol-i)x 1V/(cm3 , mol-i)x 1V/(cm3 , mol-i)0.00101.4600.20104.0020.85111.8970.02101.7170.30105.2530.90112,4810.04101.9730.40106.4900.92112,7140.06102,2280.50107.7150.94112.9460.08102.4830.60108.9260.96113.178

11、0.10102.7370.70110.1250.98113.4090.15103.3710.80111.3101.00113.640试由上述数据，确定给定温度及压力下的(1) V; (2)匕;(3) V 8 ; (4) V 8 ;1212再由以上数据，分别用下列四个标准状态，求出 V,并给出 V对x 1的曲线：(5)组分1, 2 均用Lewis-Randall规则标准状态；(6)组分1,2均用Henry定律标准态；(7)组分1用Lewis-Randall 规则标准状态，组分2用Henry定律标准态;(8)组分1用Henry定律标准态，组分2用Lewis-Randall 规则标准状态。上述四个标

12、准状态，意指不同类型的理想溶液。试问对组分1的稀溶液来说，哪一个能更好的 表示实际的体积变化？对组分1的浓溶液呢？4-7在一固定的T, p下，测的某二元体系的活度系数值可用下列方程表示：lny = Ox2 + 0x2(3x - x )(a)Iny =ox2 + 0x2(x - 3x )(b)GE试求出"的表达式；并问(a)、(b)是否满足Gibbs-Duhem方程？若用(c)、(d)方程式 Rtln y = x (a + bx )(c)ln y = x (a + bx )(d)表示该二元体系的活度系数值时，则是否也满足Gibbs-Duhem方程？4-8在473K、5MPa下两气体混合

13、物的逸度系数可用下式表示：ln 0 = y 1y 2(1 + y 2)人人人人式中y、y为组分1和2的摩尔分率，试求f、f的表达式，并求出当y = y =0.5时f、f各 12121212为多少？4-9在一定温度和压力下，测得某二元体系的活度系数方成为lny = x2(0.5 + 2x )lny = x2(1.5 - 2x )试问上述方程式是否满足Gibbs-Duhem方程？4-10试应用UNIFAC基团贡献法计算丙酮(1)一正戊烷(2)二元体系在T =307K和5 = 0.047时的活度系数y 1 和y2。已知实测的活度系数值为Y1 = 4.41和y2 = 1.115-1设有一台锅炉，水流入

14、锅炉时之焓为62.7 kJ-kg-1,蒸汽流出时的焓为2717 kJ-kg-1,锅炉效率为70%,每千克煤可发生29260kJ的热量，锅炉蒸发量为4.5 t h-1,试计算每小时的煤消耗量？5-2水流过一个水平安装的蛇管式加热器，用蒸气加热，蒸气在蛇管外侧冷凝成水。进、出口处水 的各参数如下：状态P /MPat/u/(m , s-1)H/(kJ kg-1)进口水0.196702292.98出口蒸气0.09811052002683.8试求对每kg水应供给多少热量?5-3 一台透平机每小时消耗水蒸气4540kg。水蒸气在4.482MPa、728K下以61m - s-1的速度进入机 内，出口管道比进

15、口管道低3m,排气速度366m-s-1。透平机产生的轴功为703.2 kW,热损失 为1.055X105 kJ -h-1。乏气中的一部分经节流阀降压至大气压力，节流阀前后的速度变化可忽 略不计。试求经节流阀后水蒸气的温度及其过热度。5-4 一台功率为2.0kW的泵将363K的水从贮水罐送到换热器，水流量为3.2kg - s-1,在换热器中以 697.3kJ - s-1的速率将水冷却后，送入比第一贮水罐高20m的第二贮水罐，求送入第二贮水罐的 水温。5-5压力为1.62MPa、温度为593K的过热蒸气以24m - s-i的流速进入喷嘴，流出喷嘴的蒸气为 0.1013MPa的饱和蒸气，试求喷嘴出口

16、处蒸气的流速。设蒸气流动过程近似为绝热过程。5-6试求在恒压下将2kg ,90的液态水和3kg,10的液态水绝热混合工程所引起的总熵变。为简化 起见，将水的热容取作常数，Cp=4181J-kg-K-1。5-7求算流动过程中，温度为813K、p压力为5X106Pa的1kmol氮所能给出的理想功为多少？取环境温度为288K,环境压力为1X105Pa,氮的压力热容C = 27.86+4.27 x 10-3TkJkmolK-1。 p5-8有一锅炉，燃烧器的压力为1.013X105Pa,传热前后温度为1127c及537。水在6.890X105Pa、260的过热蒸气送出。设燃烧器的Cp为4.56kJ-kg

17、-K-1,试求该传热过程的损失功。5-9某工厂有一输送90热水的管道，由于保温不良，到使用单位，水温降至70,试计算热水由 于散热而引起的有效能损失。5-10 1kg水在1.368MPa下，由30升温至沸点，而后全部气化。设环境的可能最低温度为20, 问如将水所吸收之热通过可逆机转化为功，则排给环境的无效能最少应为多少？若传给水的热 量系由1100的燃烧炉气供给，问由于不可逆传热使无效能增加多少？在上述条件下，试比较 利用水的状态变化和直接用燃烧炉气将热量传给热机做功，两者的热效率。5-11 1kg甲烷气由27、9.80X 104Pa压缩后冷却至27、6.666X 106Pa,若是技压缩功耗为

18、1021.6kJ, 10为27,试求：（1）冷却器中需移走的热量；（2）压缩与冷却过程的损耗功；（3）该过程的 理想功；（4）该过程的热力学效率。5-12某换热器完全保温。热流体的流量为0.042kg s-1,进、出换热器时的温度分别为150、35, 其等压热容为4.36kJ-kg-K-1。冷流体进、出换热器时的温度分别为25、110,其等压热 容为4.69kJ - kg - K-1。试计算冷热流体有效能的变化、损失功和有效能效率。5-13有人设计出一套复杂的产生热的过程，可在高温下产生连续可用的热量。该过程的能量来自于 423K的饱和蒸气，当系统流过1千克的蒸气时，将有1100kJ的热量生成

19、。已知环境为300K的 冷水，问最高温度可为多少？6-1试求使20X 105Pa的干饱和蒸气膨胀到终压为0.5X 105Pa的Rankine循环的热效率，并与同样温度范围内工作的卡诺循环的热效率相比较。6-2 （1）影响Rankine循环效率的主要因素是什么？（2）回热是什么意义？为什么回热能提高循环的热效率?6-3某蒸气动力装置按Rankine循环工作，其蒸气参数：进气轮机的蒸气压力p2.5MPa,蒸气温度t500 ,冷凝器中蒸气压力p2随冷凝水的温度而变化，设夏天p2=0.006MPa,冬天p2=0.002MPa,试计算这两种情况下的循环热效率，并分析计算结果说明什么问题。6-5采用简单的

20、林德（Linde）循环使空气液化，空气初温为300K,膨胀前的初压为10.13MPa（绝压）， 节流后的压力为0.1013MPa,空气流量（标准状态）为15L-min-1,试求：（1）在理想操作 下，空气的液化百分数与每小时的液化量；（2）若换热器热端温差是5,由外界转入的热 量为3.34kJ-kg-1。问对液化量的影响如何。6-6采用克劳特（Claude）循环使空气液化，压缩机的消耗效率为110kW,# 0.1013MPa、25的 空气定温压缩到3.35MPa,被处理的空气有80%送入膨胀机，空气进入膨胀机前的温度 -110,不完全热交换器的传热温差为5,由于绝热不良而引起的冷损失为3344

21、kJ - h-1, 假定膨胀机回收的功为理论焓值的一半，压缩机的定温效率n T=0.59。问此液化装置每小时能 制取多少kg的液态空气？6-7某一理想蒸气压缩制冷，于535间操作。干饱和蒸气离开压缩机，饱和液体进入节流阀，对 20kJ - s-1的制冷量，若制冷剂为：（1）氨；（2） R-12； （3）水。试计算所需要的输入功率。6-8某蒸气压缩制冷循环，制冷量Q°=2X104kJ-h!冷藏室温度-12,冷藏器用冷却水冷却，冷 却水进口温度为8,按以下条件进行操作，计算制冷循环消耗的最小功量。（1）供给循环的冷却水量是无限量。（2）供给循环的冷却水最大流量为200kg-h -1。6-

22、9动力-热泵联合体系中热泵工作于100c和20之间，热机工作于1000c和20之间，假设热 机热泵均为可逆的，试问在1000下供给单位热量所生产的加工工艺用热量（100下得到 的热量）是多少？6-10吸收式制冷机以氨作为制冷剂以水做吸收剂，由常压下冷凝的蒸汽来供给再生设备所需的热 量。设再生设备温度是79,可利用的冷却水其温度为16,冷却器和吸收器的温度是21, 氨在制冷剂中蒸发时的温度是-12。假设操作时绝热的（除了那些有目的的加热或放热的地 方），并且忽略由于流体摩擦所造成的压降（除膨胀阀外），试计算：（1） 该系统每一部分的压力；（2） 强的和弱的氨溶液的组成；（3） 对每吨制冷机所消耗

23、的最小功；（4） 在再生器、冷凝器及吸收器中对每吨制冷机传递的热量。人人7-1已知气液平衡的判别式fv = fL , （i =1,2,3N）, i表示组分数。那么，液相混合物的逸度 i i与其相平衡的气相混合物的逸度是否相等？为什么？7-2 （1）试推导遵守Raoult （拉乌尔）定律体系的泡点压力pb与露点压力pd的表达式。设混合物 的总组成为z.i（2）假设Raoult （拉乌尔）定律适用于以下的混合物，试求在110时含有摩尔分率为0.45的正辛 烷（1）, 0.1的2、5二甲基己烷（2）, 0.45的2, 2, 4-三甲基戊烷（3）混合物的泡点压力pb与露 点压力pd。已知在110下纯组

24、分的饱和蒸气压：ps = 64.24kPa, ps = 104.06k Pa ps = 137.8 kPa 1237-3某蒸馏塔的操作压力为0.1066MPa,釜液含苯、甲苯的混合物。其组成（摩尔分率）苯（1） 0.2, 甲苯（2） 0.8。试求此溶液的泡点及其平衡的气相组成。假设苯-甲苯混合物可作理想体系处理，该两组分的Antoine方程如下2788.51T - 52.363096.52T 53.67ln 7.502psL 15.9008 1ln 7.502p.J= 16.0137 2ps单位kPa, T单位K7-4正戊烷（1）-正庚烷（2）组成的溶液可近似于理想溶液，查得组分的Antoin

25、e方程如下ln 7.502psL 15.8333 1ln502ps2L 15.8737 -2477.07T - 39.942911.32T - 56.51ps单位kPa, T单位K试求：（1） 65与95kPa下该体系互呈平衡的气液相组成；（2） 55,液相组成l 1为0.48时的平衡 压力与气相组成；（3） 95kPa,液相组成l 1为0.35时的平衡温度与气相组成；（4） 85kPa,气相组成 y 1为0.86时的平衡温度与液相组成；（5） 70 ,气相组成y 1为0.15时的平衡压力与液相组成。7-5化工设计需要乙醇（1）-环己烷（2）二元体系在0.1013kPa下的气液平衡数据。试问：

26、（1）进行计算需要查阅那些基础数据。（2）计算该体系在0.1013kPa下的气液平衡数据（即T-% -y），要求画 出计算框图并上机计算。7-6丙酮（1）-甲醇（2）二元溶液超额自由焓的表达式为Ge/RT = Bx2，纯物质的Antoine方程表示如下:ln psi=14.39155 2795.817t + 230.002ln ps2=16.59381 -3644.297t + 239.765ps单位kPa，T单位试求：（1）假如气相可看作理想气体，B=0.75,温度为60下的p -% -y数据。（2）气相可看作理想 气体，B=0.64,压力为75KPa下的t -% -y数据。7-7已知丙酮（

27、1）-水二元体系的一组组成与活度系数的数据，即%产0.22, 丫2.90，%=1.17, 请采用以下两种方法计算总压0.1013MPa下与液相相平衡的气相组成。（1）用迭代法解；（2）采用py =丫 ps公式，计算中将ps：;ps的比值作为定值的直接代入法。（计算中所需的蒸气压数据自 11 1 112行查阅）7-8苯（1）-环己烷（2）体系在温度为77.6与101.3kPa时形成恒沸物，恒沸组成%=0.525。已知77.6时苯的饱和蒸气压为与99.3kPa，环己烷的饱和蒸气压为与98.0kPa。试求：（1）采用Van laar方程计算全浓度范围内苯与环己烷的活度系数。并绘制丫，,曲线。（2）计

28、算77.6时该体系的气 液平衡数据，绘制px曲线与yx曲线。7-9有组分A与B组成的溶液，液相活度系数与组成的关联式如下：lny = %2 ； lny = %2已知90oC时纯物质A，B的饱和蒸气压分别为ps = 133.289kPa，ps = 93.303kPa。假定该体系 AB符合低压气液平衡的关系式。试求：（1）判断此体系在90时的气液平衡能否形成恒沸物？如有, 属哪一类型。（2）温度为90时，液相组成x1为0.5时的平衡压力。7-10已知乙醇（1）-甲苯（2）二元体系的NRTL方程的能量参数：g12-gu=2982.72J mol -1 g21-g22=4798.05J mol-1溶液

29、的特征参数a 12=0.529纯组分的摩尔体积与Antoine方程如下：V1=58.68cm3 , mol-1,V2=106.85 cm3 , mol-1ln p s1=16.67 5 8 -367491t + 226448；ln ps = 14.00976 -23103.00t + 219.787ps单位kPa, T单位试求：（1） % 1=0.310, t =105时的泡点压力与气相组成；（2） y0.310, t=105时的露点压力与液 相组成；（3） %1=0.680, p =101.3kPa时的泡点温度与气相组成；（4） y0.790, p =101.3kPa时的露点 温度与液相组成

30、。7-11采用状态方程计算二元体系的高压气液平衡。现已知压力p和液相组成,，要求计算泡点温度 T与气相组成y,。请列出计算机框图及所需要的计算公式（状态方程式自行选定）。8-1对于下述气相反应2H2s(g)+3O2(g)f 2H2O(g)+2SO2(g)设各物质的初始含量H2S为2mol, O2为4mol,而H2O和SO2的初含量为零。试找出各摩尔数和摩尔分率乙对&的函数表达式。8-2设一体系，下述两个反应同时发生：C2H4(g)+0.5O2(g)fC2H4O(g)(1)C2H4(g)+3O2(g)f2CO2(g)+2H2O(g)(2)如果各物质的初始量为5mol C2H4和2mol

31、O2，而C2H4O、CO2和H2O的初始量为零。试用反应度£ 1和£ 2来表示反应中各组成的摩尔分率。8-3氨合成反应式如下：0.5 N2(g)+1.5H2(g).NH3(g)若反应开始时N2为0.5mol，H2为1.5mol，且假设平衡之混合物为理想气体，试证明反映达平衡时：£ = 1 -(L +1.299KP >12e式中K为反应平衡常数。8-4求算反应NH4cl(s)+NH3(g) - HCl (g)在1000K时的平衡常数。已知：化合物AH(18)/(kj - mol-1)s。(25oC)/(J mol-1 K-1)C /(J mol-1 , K-1

32、)NH4cl(s)-313.82133.15140.68NH3(g)-46.06192.7347.27HCl(g)-92.37187.0030.368-5水蒸气的分解反应式为H200H2+0.5O2£ 2试证明平衡常数Kp = g+£);受£)p12，式中£为该分解反应的反应度。8-6制造合成气的方法之一，是使甲烷与水蒸气按以下反应式进行气相催化反应CH4(g)+H2O(g)-CO(g)+3H2(g)通常出现的副反应为水煤气变换反应：CO(g)+H2O(g)-CO2(g)+H2(g)假设上述两个反应，在下列所规定的条件下均达到平衡，试问(1) 制造合成气

33、时，反应器中达到的最高温度是600K还是1300K合适？为什么？(2) 制造合成气应该在0.1013MPa还是在10.13MPa下较好？为什么？已知下列生成热和生成自由焓数据(单位J-mol-1)：组分AH©, 600K fAH©, 1300K fAG © , 600K fAG© , 1300K fCH4-83279-91779-2298752338H2O-244898-249629-214165-175938CO-110244-113928-164800-227103CO2-394080-395504-395420-3964258-7 1-丁烯脱氢成1, 3-丁二烯的反应在627, 1.01