最新化工热力学习题.docx

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最新化工热力学习题

化工热力学习题

2-1使用下述三种方法计算1kmol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=-17300cm6·mol-2

（2）Redlich-Kwong方程；

（3）普遍化维里系数法。

2-5某气体的pvT行为可用下述在状态方程式来描述：

式中b为常数，θ只是T的函数。

试证明此气体的等温压缩系数

的关系式为

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=14cm3·mol-1,B22=-265cm3·mol-1,B12=-9.5cm3·mol-1。

2-7分别使用下述方法计算171℃，13.78MPa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。

2-8有一气体的状态方程式

，a及b是不为零的常数，则此气体是否有临界点呢？

如果有，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1.084MPa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。

3-1试推导方程

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ΔU、ΔH、ΔS、ΔA、ΔG、

、

、Q和W。

3-3假定氮气服从理想气体定律，试计算1kmol氮气在温度为500℃，压力为10.13MPa下的内能、焓、熵、

、

和自由焓之值。

已知：

（1）在0.1013MPa时氮的

与温度的关系为：

J·mol-1·K-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191.76J·mol-1·K-1。

3-4试证明由VanderWaals方程推得的剩余焓，熵的计算表达式分别为：

提示：

Vdp=d（pV）-pdV

（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ΔU、ΔH、ΔS、ΔA、ΔG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ΔH、ΔS值。

已知丙烷在理想气体状态下的摩尔恒压热容为

始终T用K表示，

用J·mol-1·K-1表示。

3-8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

J·mol-1·K-1

3-9试用普遍化关系求算1-丁烯在473K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。

3-11260℃、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股是干度为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p1,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=400x1+600x2+x1x2（40x1+x2）

式中H单位为J·mol-1。

试确定在该温度、压力状态下

（1）用x1表示的

和

；

（2）纯组分焓H1和H2的数值；

（3）无限稀释下液体的偏摩尔焓

和

的数值。

4-2在固定T、P下，某二元液体混合物的摩尔体积为：

V=90x1+50x2+（6x1+9x2）x1x2

式中V的单位为cm3·mol-1。

试确定在该温度、压力状态下

（1）用x1表示的

和

；

（2）无限稀释下液体的偏摩尔体积

和

的值，根据

（1）所导出的方程式及V，计算

、

和V值，然后对x1作图，标出V1、V2、

和

之点。

4-3试推导服从VanderWaals方程的气体的逸度表达式。

4-4试计算甲乙酮

（1）和甲苯

（2）的等分子混合物在323K和2.5х104Pa下的

、

和f。

4-5式

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：

也就是说，当混合系处于平衡时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1.013х105Pa、333K时的摩尔体积值如下表所示：

x1

V/（cm3·mol-1）

x1

V/（cm3·mol-1）

x1

V/（cm3·mol-1）

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.15

101.460

101.717

101.973

102.228

102.483

102.737

103.371

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

104.002

105.253

106.490

107.715

108.926

110.125

111.310

0.85

0.90

0.92

0.94

0.96

0.98

1.00

111.897

112.481

112.714

112.946

113.178

113.409

113.640

试由上述数据，确定给定温度及压力下的

（1）V1;

（2）V2;（3）

;

（4）

;

再由以上数据，分别用下列四个标准状态，求出ΔV，并给出ΔV对x1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：

=

（a）

（b）

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

（c）

（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下两气体混合物的逸度系数可用下式表示：

式中

、

为组分1和2的摩尔分率，试求

、

的表达式，并求出当

=

=0.5时

、

各为多少？

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

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）—正戊烷

（2）二元体系在T＝307K和

时的活度系数

和

。

已知实测的活度系数值为

和

5-1设有一台锅炉，水流入锅炉时之焓为62.7kJ·kg-1,蒸汽流出时的焓为2717kJ·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4.5t·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/MPa

t/℃

u/（m·s-1）

H/（kJ·kg-1）

进口

水

0.196

70

2

292.98

出口

蒸气

0.0981

105

200

2683.8

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，出口管道比进口管道低3m，排气速度366m·s-1。

透平机产生的轴功为703.2kW，热损失为1.055×105kJ·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-1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、压力为5×106Pa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1×105Pa，氮的压力热容

kJ·kmol·K-1。

5-8有一锅炉，燃烧器的压力为1.013×105Pa，传热前后温度为1127℃及537℃。

水在6.890×105Pa、260℃的过热蒸气送出。

设燃烧器的Cp为4.56kJ·kg·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。

5-101kg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。

5-111kg甲烷气由27℃、9.80×104Pa压缩后冷却至27℃、6.666×106Pa，若是技压缩功耗为1021.6kJ，t0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。

已知环境为300K的冷水，问最高温度可为多少？

6-1试求使20×105Pa的干饱和蒸气膨胀到终压为0.5×105Pa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p1=2.5MPa，蒸气温度t1=500℃，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，将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3344kJ·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ηT=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5~35℃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Q0=2×104kJ·h-1,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。

6-9动力-热泵联合体系中热泵工作于100℃和20℃之间，热机工作于1000℃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。

7-1已知气液平衡的判别式

，（i=1,2,3···N），i表示组分数。

那么，液相混合物的逸度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zi

（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℃下纯组分的饱和蒸气压：

，

7-3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

单位kPa，T单位K

7-4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Antoine方程如下

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x1为0.48时的平衡压力与气相组成；（3）95kPa，液相组成x1为0.35时的平衡温度与气相组成；（4）85kPa，气相组成y1为0.86时的平衡温度与液相组成；（5）70℃，气相组成y1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：

（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-x-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

，纯物质的Antoine方程表示如下：

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-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。

7-7已知丙酮

（1）-水

（2）二元体系的一组组成与活度系数的数据，即x1=0.22，γ1=2.90，γ2=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

公式，计算中将

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x1=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Vanlaar方程计算全浓度范围内苯与环己烷的活度系数。

并绘制

~

曲线。

（2）计算77.6℃时该体系的气液平衡数据，绘制p~x曲线与y~x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：

；

已知90oC时纯物质A，B的饱和蒸气压分别为

，

。

假定该体系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-g11=2982.72J·mol-1g21-g22=4798.05J·mol-1

溶液的特征参数α12=0.529

纯组分的摩尔体积与Antoine方程如下：

V1=58.68cm3·mol-1,V2=106.85cm3·mol-1

；

单位kPa，T单位℃

试求：

（1）x1=0.310，t=105℃时的泡点压力与气相组成；

（2）y1=0.310，t=105℃时的露点压力与液相组成；（3）x1=0.680，p=101.3kPa时的泡点温度与气相组成；（4）y1=0.790，p=101.3kPa时的露点温度与液相组成。

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xi，要求计算泡点温度T与气相组成yi。

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）→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

对ε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）→C2H4O（g）

（1）

C2H4（g）+3O2（g）→2CO2（g）+2H2O（g）

（2）

如果各物质的初始量为5molC2H4和2molO2，而C2H4O、CO2和H2O的初始量为零。

试用反应度ε1和ε2来表示反应中各组成的摩尔分率。

8-3氨合成反应式如下：

0.5N2（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：

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

ΔH（18℃）/（kj·mol-1）

（25oC）/（J·mol-1·K-1）

/（J·mol-1·K-1）

NH4Cl（s）

NH3（g）

HCl（g）

-313.82

-46.06

-92.37

133.15

192.73

187.00

140.68

47.27

30.36

8-5水蒸气的分解反应式为

H2O⇔H2+0.5O2

试证明平衡常数

，式中ε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

，600K

，1300K

，600K

，1300K

CH4

H2O

CO

CO2

-83279

-244898

-110244

-394080

-91779

-249629

-113928

-395504

-22987

-214165

-164800

-395420

52338

-175938

-227103

-396425

8-71-丁烯脱氢成1，3-丁二烯的反应在627℃，1.013MPa下进行

C4H8（g）⇔C4H6（g）+H2（g）

试计算下列两种物料配比时的转化率，比较结果说明什么？

已知627℃时的平衡常数Kf=0.329.

（1）每1mol1-丁烯配10mol水蒸气；

（2）不配水蒸气。

8-8试在电子计算机上，运用Guass消元法确定化学反应体系

C2H6⇔C2H4+H2

C2H4⇔C2H2+H2

C2H2⇔2C+H2

C2H4⇔2C+2H2

C2H6⇔2C+3H2

的独立反应数，并写出表达此体系的主要反应。

8-9氧化银分解的反应式为

Ag2O→2Ag+0.5O2（g）

试求Ag2O在200℃时的分解压力。

已知该反应在298K时ΔH︒为29100J·mol-1，ΔG︒为9337J·mol-1。

各