化工热力学习题解答五～七章10级

习题解答第五章

1.

今有94℃的热水连续地从一储桶以0.2273M3/min的速度泵送，泵用电机的功率为1.492kw，热水在途中流经一热交换器，以10080kcal/min的速度放出热量，并输送到比第一储桶高15米的第二储桶中去，试求输往第二储桶的水温。已知：94℃热水的密度为962.8kg/m3习题解答解：以1kg水为计算基准，注意单位一致（5-13）习题解答也可以一分钟为计算基准t2=48℃习题解答也可以一分钟为计算基准END习题解答

2.

设有10kg水被下述热流体加热，从288K加热到333K，计算热流体的熵变，被加热的水的熵变以及总熵变。（1）3.4×105Pa的饱和蒸汽；（2）3.4×105Pa，450K的过热蒸汽；

(3)与10kg,333K的热水完全逆流换热；

(4)与最小量的370K热水完全顺流换热。假如（1）、（2）两种情况下蒸汽冷凝但不过冷。

解：（1）热流体是3.4×105Pa的饱和蒸汽水的平均恒压热容习题解答3.4×105Pa的饱和蒸汽的冷凝温度为137.84℃（411K）水吸收的热习题解答查水蒸汽表，3.4×105Pa时，饱和蒸汽另一种解法习题解答根据能量衡算，确定蒸汽用量（2）热流体是3.4×105Pa，450K的过热蒸汽3.4×105Pa450K的过热蒸汽3.4×105Pa饱和液体3.4×105Pa饱和蒸汽习题解答习题解答

由于冷、热水量相等，平均恒压热容也相等，所以热水终温为288K，是可逆传热过程。(3)

与10kg,333K的热水完全逆流换热热水冷水换热器习题解答

根据能量衡算，所需热水量为(4)与最小量的370K热水完全顺流换热热水冷水换热器习题解答END习题解答

3.

1摩尔理想气体在400K由105Pa经等温不可逆压缩至10×105Pa，压缩过程的热被移至300K的储热器。实际压缩功比可逆压缩功多20%，计算气体的熵变，储热器的熵变及总熵变，计算该过程损失功。解：因为是理想气体，等温过程按稳流过程考虑习题解答或习题解答另一种算法END注意：可逆等温压缩过 热习题解答

4.

今有773K，100×105Pa的过热蒸汽进入高压汽轮机绝热膨胀做功，设冷凝器的压力为0.04×105Pa

，试求：(1)可逆绝热膨胀（乏汽为湿蒸汽）(2)不可逆绝热膨胀（乏汽为饱和蒸汽）时体系与环境总用和总无的变化。解：状态1状态2（1）可逆绝热膨胀湿蒸汽习题解答解得习题解答可逆过程总用守恒。总无的变化，因为是可逆绝热过程可逆过程总无也守恒。习题解答（2）不可逆绝热膨胀状态1状态2‘饱和蒸汽习题解答总无的变化，因为是绝热过程，不可逆过程总用减少。不可逆过程总无增加。END习题解答5、某化肥厂用废热锅炉回收二段转化气的热量，转化气进、出废热锅炉的温度为1000℃和380℃，废热锅炉进口水温55℃，产生40×105，440℃的过热蒸汽，若不计散热损失，问废热锅炉产汽量为多少公斤？求这一回收余热过程的损失功和热力学效率。已知转化气在1000℃和380℃间平均恒压热容为36kJ/kmol·k，转化气的流量为5160NM3/吨氨。现若令产生的过热蒸汽通过汽轮机作功，作功后的乏汽为1.0×105的饱和蒸汽，试求此过程的理想功，损失功和热力学效率。习题解答解：以1吨氨为计算基准（1）产汽量的计算根据能量衡算55℃的水440℃的过热蒸汽1000℃转化气380℃（2）传热过程的损失功和热力学效率习题解答转化气的用变化蒸汽的用变化

另一种算法习题解答习题解答此传热过程热力学效率另一种算法习题解答（3）对外作功过程的理想功和热力学效率饱和蒸汽以1公斤蒸汽为计算基准440℃的过热蒸汽

只要始、终态一定（T0、p0基本是常数），则过程的理想功就一定。理想功的大小与完成相同状态变化的实际过程作的功无关，也与实际过程是否作功无关。习题解答另一种算法该作功过程的热力学效率END习题解答6.

蒸汽常因管路保温不善，在输送过程中冷凝，试计算1kg，

4.5×105Pa的饱和蒸汽冷凝成同压下的水时的散热损失和损失功，假定环境温度为25℃。并说明为何两者的数值不同？解：查水蒸汽表，4.5×105Pa的饱和蒸汽（421.05K）习题解答损失功习题解答

热损失表示的是由于管道保温不良而散失到大气中的热量，其本质是热，是低质量的能量。损失功表示的是由于保温不良使蒸汽冷凝而丧失的作功能力，而作功能力是高质量的能量。将散失的热量用卡诺循环的热效率折算成热的用，其值就等于这个过程的损失功。END习题解答7.

一车间要利用300K、8.1×105Pa（8大气压）的空气和－195.95℃的液氮来产生20kg/s、－162.15℃、1.55×105Pa的低温空气。拟采取的方案有两个：（1）空气先经节流阀节流膨胀到1.55×105Pa，再经冷却器，用液氮冷却至所需温度－162.15℃（111K）;

（2）不采用节流膨胀，而是使空气先在等熵效率为80％的透平机中膨胀做功，然后进入换热器冷却至－162.15℃。试求（1）、（2）两方案中冷却器的热负荷以及过程的总熵增，两种方案的损失功，将它们进行比较并分析原因。液氮的汽化潜热自查。T0=298K习题解答以1秒钟为计算基准解：过程（1）空气8.1×105Pa300K1.55×105PaT2=?1.55×105Pa-162.15℃(111K)液氮-195.95℃77.2K节流根据p2=1.55×105Pa，H1=H2，查空气的T-S图汽氮-195.95℃冷却器习题解答冷却器的热负荷根据能量衡算，计算液氮的蒸发量：－195.95℃时液氮的汽化潜热为199.2kJ/kg（查表）另一种算法习题解答空气在1.55×105Pa，-162.15℃(111K)时，S3=0.63kcal/kg·K习题解答过程（2）空气8.1×105Pa300K1.55×105PaT2=?1.55×105Pa-162.15℃(111K)液氮-195.95℃77.2K透平机

根据p2=1.55×105Pa，S1=S2，查空气的T-S图，可逆绝热膨胀至1.55×105Pa时，冷却器汽氮195.95℃习题解答

根据p2=1.55×105Pa，H2=100.16kcal/kg，查空气的T-S图，不可逆绝热膨胀至1.55×105Pa时，可回收的功为习题解答而⊿S空气不变冷却器的热负荷：习题解答将此两种过程进行比较如下：

由于空气通过透平机膨胀过程的不可逆程度小，产生的温度降大，可回收功；冷却器的热负荷减小，氮气的熵变明显降低；且空气与液氮的传热过程温差减小，传热过程的不可逆程度小；所以过程（2）的损失功小得多。过程膨胀后的温度(K)冷却器的降温幅度冷却器的热负荷(kJ/s)⊿S总（kJ/K·s）回收的功（kJ/s）WL(kJ/s)12298208298～111208～1113758.71949.737.38513.9501828.4411140.734157.15END习题解答8.某换热器完全保温。热流体的流量为0.042kg/s，进、出换热器时的温度分别为150℃、35℃，其等压热容为4.36kJ/kg.K。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。试计算冷、热流体用的变化、过程的损失功和热力学效率。若将热流体进口温度改为287℃，其余条件不变，计算此时冷、热流体用的变化、过程的损失功和热力学效率，比较计算结果并分析原因。

习题解答

根据能量衡算，热流体放出热＝冷流体吸收热，以1秒钟为计算基准热流体冷流体解：逆流换热器（1）第一步习题解答习题解答另一种算法习题解答

根据能量衡算，热流体放出热＝冷流体吸收热，以1秒钟为计算基准热流体冷流体逆流换热器（2）第二步习题解答习题解答另一种算法习题解答将以上计算结果进行比较如下：热流体进口温度（℃）热流体用变化（kJ/s）冷流体用变化（kJ/s）总熵增（kJ/K·s）损失功WL（kJ/s）热力学效率(%)第一步第二步150287-3.745-13.5222.5305.5510.004040.026791.2157.97167.5641.05

由于第二步热流体进口温度高，使传热温差加大，传热过程的不可逆程度增大，因此第二步的损失功大，过程的热力学效率低。END第五章完习题解答1、一蒸汽动力装置的锅炉供应30×105Pa，430℃的过热蒸汽给汽轮机，汽轮机的额定功率为15×104KW。乏汽在0.10×105Pa的压力下排至冷凝器，假定汽轮机的等熵效率为80％，冷凝器出口的是饱和液体，循环水泵将水打回锅炉是可逆绝热过程，求：

(1)每公斤蒸汽对外所做的功;(2)此动力循环中蒸汽的质量流量

；

(3)蒸汽从锅炉吸收的热量;(4)水泵消耗的功;(5)循环的热效率。

第六章习题解答0.10×105Pa时解：1点：30×105Pa,430℃的过热蒸汽,查过热水蒸汽表，内插得作出此动力循环T-S图习题解答每公斤蒸汽通过汽轮机所作的功习题解答蒸汽的质量流量

水泵消耗的功对外所作净功习题解答循环热效率蒸汽从锅炉吸收的热量END习题解答2、

1kg273K,6MPa的空气，通过节流阀减压至1MPa，求减压后空气的温度。如果通过膨胀机也减压至1MPa，膨胀机的效率是80%，则空气膨胀后的温度是多少？设环境温度是298K，计算这两个过程的损失功。

习题解答

这题的解法与第五章习题第7题很相似。也与教材146页例6-6的解法相似。这题的错误也与例6-6的错误相似。解：习题解答3、某氨蒸汽压缩制冷循环蒸发温度为－15℃（Hg=1423.24kJ/kg），冷凝温度为27℃(Hl=305.58kJ/kg)，离开蒸发器的蒸汽为饱和蒸汽，压缩为不可逆绝热过程，其定熵效率为0.85，已知可逆绝热压缩终态的焓为1657.66kJ/kg,计算冷冻系数及冷冻量为1.4×104kJ/h时压缩所需的功率。

习题解答解：查氨的T-S图（教材上氨的饱和蒸汽表与氨的P-H图数据不符，说明不同来源的数据最好不要混用）－15℃时：27℃时：作出此制冷循环的T-S图习题解答

冷冻系数：膨胀前后压力相同时：习题解答制冷剂循环量：

压缩所需功率：END习题解答4.

试用T-S图求空气初温分别为300K及230K时，下列条件等焓及等熵膨胀过程的终温，以及产生的温度降ΔTH及ΔTs，列表比较两种情况的降温效果。（1）从80atm膨胀至20atm（2）从20atm膨胀至5atm习题解答解：习题6-4习题解答等焓及等熵膨胀过程产生的温度降ΔTH及ΔTs比较温度等焓膨胀ΔTH℃等熵膨胀ΔTs℃80atm20atm20atm5atm80atm20atm20atm5atm300K-12-3-101-98230K-21-6-79-76END条件相同时，等熵膨胀比等焓膨胀产生的温度降大得多。等焓膨胀初温低降温效果好，而等熵膨胀初温高好。习题解答1.丙酮（1）—甲醇（2）二元溶液超额自由焓的表达形式为，纯物质的Antoine（安妥因）方程表示如下：

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-x-y数据。（2）气相可看作理想气体，B=0.64，压力为75kPa下的t-x-y数据。第七章（1）假如气相可看作理想气体，B=0.75，温度为60℃下的p-x-y数据。因为ln

i是GE/RT的偏摩尔性质(4-83)（1）同理（2）习题解答解：习题解答设x1=0.5时

可认为该体系汽相是理想气体，液相是非理想溶液：习题解答习题解答用不同xi值代入（1）（2），可得温度为60℃下的p-x-y数据，该体系在60℃时汽液平衡是形成最大压力的恒沸物。x100.10.30.50.70.710.80.91.0

1

2P/kPay12.1171.00084.4901.8361.00897.890.2171.4441.070113.400.4421.2061.206120.700.5781.0701.444123.20.7031.06511.4595123.240.711.0301.616122.60.7781.00751.8358120.400.8711.0002.117115.681.000若已知

t

、yi

，求p、xi，试差方法如下：输入t、yi所有参数假设p，令所有γi=1计算Σxi是否计算所有的xi计算pis归一化所有的xi计算所有的γi打印结果p，xi是否调整p是否第一次迭代Σxi=1？

（2）气相可看作理想气体，B=0.64，压力为75kPa下的t-x-y数据。

需用试差法求解，设t=50℃，x1=0.3时，习题解答若Σyi≠1，则重新假设温度进行试算。不同xi值时，压力为75kPa下的t-x-y数据：ENDx10.10.30.50.80.9

1

2t/℃y11.6791.00653.90.2111.3681.05950.10.4501.0701.59145.80.8521.0171.72746.80.924习题解答习题解答

2.（1）混合物的组成（摩尔分率）如下：甲烷0.05，乙烷0.10，丙烷0.30，异丁烷0.55。试确定该混合物在26.7℃时的泡点压力和露点压力。（2）确定上述混合物在26.7℃与1.033MPa时汽相所占的比率及汽相组成。①

该混合物在26.7℃时的泡点压力。试差方法如下：已知t、xi由p-T-K列线图求Ki是否设p调整p露点压力泡点压力yi26.7℃xi解：p即是泡点压力求出泡点压力为18.5绝对大气压（1.911MPa）。假设压力（绝对大气压）19.018.5组分xiKiyi=KixiKiyi=KixiCH4C2H6C3H8i-C4H100.050.100.300.558.91.880.630.280.4450.1880.1890.1549.11.90.640.290.4550.1900.1920.1595

1.000.9760.9965习题解答②该混合物在26.7℃时的露点压力。试差方法如下：已知t、yi由p-T-K列线图求Ki否设p调整p是习题解答P即是露点压力求出露点压力为5.7绝对大气压（0.5888MPa）。假设压力（绝对大气压）7.05.7组分yiKixi=yi/KiKixi=yi/KiCH4C2H6C3H8i-C4H100.050.100.300.55275.01.660.720.00180.0200.18070.785726.84.951.650.690.00180.02020.18180.7971

1.000.98821.0009习题解答

③确定上述混合物在26.7℃