化工熱力學習題.doc

2-1 使用下述三種方法計算1kmol的甲烷貯存在容積為0.1246m3、溫度為50的容器中所產(chǎn)生的壓力是多少？ （1）理想氣體方程； （2）Redlich-Kwong方程； （3）普遍化關系式。2-2 欲將25kg，289K的乙烯裝入0.1m3的剛性容器中，試問需加多大壓力？2-3 分別使用理想氣體方程和Pitzer普遍化方法，計算510K，2.5MPa下正丁烷的摩爾體積。已知實驗值為1480.7cm3mol-1.2-4 試用下列方法求算473K，1MPa時甲醇蒸氣的Z值和V值：（1）三項截尾維里方程式（2-6），式中第二、第三維里系數(shù)的實驗值為： B= -219cm3mol-1 C= -17300 cm6mol-2（2） Redlich-Kwong方程；（3）普遍化維里系數(shù)法。2-5 某氣體的p v T行為可用下述在狀態(tài)方程式來描述： 式中b為常數(shù)，只是T的函數(shù)。試證明此氣體的等溫壓縮系數(shù)的關系式為 2-6 試計算含有30%（摩爾）氮氣（1）和70%（摩爾）正丁烷（2）的氣體混合物7g，在188和6.888MPa條件下的體積。已知：B11=14 cm3mol-1, B22= -265 cm3mol-1, B12= -9.5 cm3mol-1。2-7分別使用下述方法計算171，13.78MPa下二氧化碳和丙烷的等分子混合物的摩爾體積。已知實驗值為0.199m3kmol-1（1）普遍化壓縮因子關系式；（2）Redlich-Kwong方程。2-8 有一氣體的狀態(tài)方程式，a及b是不為零的常數(shù)，則此氣體是否有臨界點呢？如果有，用a、b表示。如果沒有，解釋為什么沒有。2-9 在體積為58.75ml的容器中，裝有組成為66.9%（摩爾比）H2和33.1%CH4混合氣1mol。若氣體溫度為273K,試求混合氣體的壓力。2-10 液氨在-153和2.537MPa條件下的密度為600kgm-3,試用Lyderson的普遍化方法計算在-168和1.084MPa下的密度。2-11 試編制下列電子計算機程序：（1）用RK方程求純物質(zhì)的飽和蒸氣和飽和液體的摩爾體積；（2）采用Prausnitz提出的混合規(guī)則和RK方程求混合氣體的摩爾體積。3-1 試推導方程式中T、V為獨立變量。3-2 一理想氣體借活塞之助裝于鋼瓶中，壓力為34.45MPa，溫度為366K，反抗一恒定的外壓力3.45MPa而等溫膨脹，直到兩倍于其初始容積為止，試計算此過程之U 、H、S、A、G、Q和W。3-3假定氮氣服從理想氣體定律，試計算1kmol氮氣在溫度為500，壓力為10.13MPa下的內(nèi)能、焓、熵、和自由焓之值。已知：（1）在0.1013MPa時氮的與溫度的關系為： Jmol-1K-1（2）假定在0 及0.1013MPa時氮的焓為零；（3）在25及0.1013MPa時氮的熵為191.76 Jmol-1K-1。3-4 試證明由Van der Waals 方程推得的剩余焓，熵的計算表達式分別為： 提示： Vdp=d(pV)- pdV (T一定)3-5 將10kg水在100、0.1013MPa的恒定壓力下氣化，試計算此過程U、H、S、A、G之值。3-7 試用普遍化方法計算丙烷氣體從378K、0.507MPa的初態(tài)到463K、2.535MPa的終態(tài)時過程的H、S值。已知丙烷在理想氣體狀態(tài)下的摩爾恒壓熱容為 始終T用K表示，用Jmol-1K-1表示。3-8 試估算93、2.02MPa條件下，1mol乙烷的體積、焓、熵與內(nèi)能。設0.1013MPa，-18 時乙烷的焓、熵為零。已知乙烷在理想氣體狀態(tài)下的摩爾恒壓熱容 Jmol-1K-13-9 試用普遍化關系求算1-丁烯在473K積7.0MPa下的逸度。3-10 試估算正丁烷在393K、4.0MPa下的逸度。在393K時，正丁烷的飽和蒸氣壓為2.238MPa，其飽和液體的摩爾體積為137cm3mol-1。3-11 260、1.0336MPa的過熱蒸氣通過噴嘴膨脹，出口壓力為0.2067MPa,如果過程為可逆絕熱且達到平衡，試問蒸氣在噴嘴出口的狀態(tài)如何？3-12 有人用A和B兩股水蒸氣通過絕熱混合獲得0.5MPa的飽和蒸氣，其中A股是干度為98%的是蒸氣，壓力為0.5MPa，流量為1kgs-1；而B股是473.15K，0.5MPa的過熱蒸氣，試求B股過熱蒸氣的流量該為多少？3-13 在T-S圖上描述下列過程的特點及畫出所經(jīng)途徑： （1）飽和液體的連續(xù)節(jié)流； （2）將過熱蒸氣定壓冷凝為過冷液體； （3）飽和蒸氣的可逆絕熱壓縮； （4）處于p1,T1的過熱蒸氣的絕熱節(jié)流； （5）出于某壓力p下飽和液體的絕熱節(jié)流； （6）定容加熱飽和蒸氣； （7）定容加熱飽和液體；4-1 某二組元液體混合物在固定T及p下的焓可用下式表示： H=400x1+600x2+x1x2(40x1+x2)式中H單位為Jmol-1。試確定在該溫度、壓力狀態(tài)下（1） 用x1表示的和；（2） 純組分焓H1和H2的數(shù)值；（3） 無限稀釋下液體的偏摩爾焓和的數(shù)值。4-2 在固定T、P下，某二元液體混合物的摩爾體積為： V=90x1+50x2+(6x1+9x2)x1x2式中V的單位為cm3mol-1。試確定在該溫度、壓力狀態(tài)下（1） 用x1表示的和；（2） 無限稀釋下液體的偏摩爾體積和的值，根據(jù)（1）所導出的方程式及V，計算、和V值，然后對x1作圖，標出V1、V2、和之點。4-3 試推導服從Van der Waals方程的氣體的逸度表達式。4-4 試計算甲乙酮（1）和甲苯（2）的等分子混合物在323K和2.5104 Pa下的、和f。4-5 式為氣-液兩相平衡的一個基本限制，試問平衡時下式是否成立： 也就是說，當混合系處于平衡時其氣相混合物的逸度是否等于液相混合物的逸度？4-6 環(huán)己烷（1）和四氯化碳（2）所組成的二元溶液，在1.01310 5 Pa、333K時的摩爾體積值如下表所示：x1V/(cm3mol-1)x1V/(cm3mol-1)x1V/(cm3mol-1)0.000.020.040.060.080.100.15101.460101.717101.973102.228102.483102.737103.3710.200.300.400.500.600.700.80 104.002 105.253 106.490 107.715 108.926 110.125 111.310 0.850.90 0.92 0.94 0.96 0.98 1.00 111.897 112.481 112.714 112.946 113.178 113.409 113.640試由上述數(shù)據(jù)，確定給定溫度及壓力下的（1）V1; (2)V2; (3) ;(4) ; 再由以上數(shù)據(jù)，分別用下列四個標準狀態(tài)，求出V，并給出V對x1的曲線：（5）組分1，2均用Lewis-Randall規(guī)則標準狀態(tài)；（6）組分1，2均用Henry定律標準態(tài)；（7）組分1用Lewis-Randall規(guī)則標準狀態(tài)，組分2用Henry定律標準態(tài)；（8）組分1用Henry定律標準態(tài)，組分2用Lewis-Randall規(guī)則標準狀態(tài)。 上述四個標準狀態(tài)，意指不同類型的理想溶液。試問對組分1的稀溶液來說，哪一個能更好的表示實際的體積變化？對組分1的濃溶液呢？4-7 在一固定的T，p下，測的某二元體系的活度系數(shù)值可用下列方程表示： = (a) (b)試求出的表達式；并問(a)、(b)是否滿足Gibbs-Duhem方程？若用(c)、(d)方程式 (c) (d)表示該二元體系的活度系數(shù)值時，則是否也滿足Gibbs-Duhem方程？4-8 在473K、5MPa下兩氣體混合物的逸度系數(shù)可用下式表示： 式中、為組分1和2的摩爾分率，試求、的表達式，并求出當=0.5時、各為多少？4-9 在一定溫度和壓力下，測得某二元體系的活度系數(shù)方成為 試問上述方程式是否滿足Gibbs-Duhem方程？4-10 試應用UNIFAC基團貢獻法計算丙酮（1）正戊烷（2）二元體系在T307K和時的活度系數(shù)和。已知實測的活度系數(shù)值為和5-1 設有一臺鍋爐，水流入鍋爐時之焓為62.7 kJkg-1,蒸汽流出時的焓為2717 kJkg-1,鍋爐效率為70%，每千克煤可發(fā)生29260kJ的熱量，鍋爐蒸發(fā)量為4.5 th-1，試計算每小時的煤消耗量？5-2 水流過一個水平安裝的蛇管式加熱器，用蒸氣加熱，蒸氣在蛇管外側(cè)冷凝成水。進、出口處水的各參數(shù)如下：狀態(tài)P/MPat/u/(ms-1)H/(kJkg-1)進口水0.196702292.98出口蒸氣0.09811052002683.8 試求對每kg水應供給多少熱量？5-3 一臺透平機每小時消耗水蒸氣4540kg。水蒸氣在4.482MPa、728K下以61ms-1的速度進入機內(nèi)，出口管道比進口管道低3m，排氣速度366ms-1。透平機產(chǎn)生的軸功為703.2 kW，熱損失為1.055105 kJh-1。乏氣中的一部分經(jīng)節(jié)流閥降壓至大氣壓力，節(jié)流閥前后的速度變化可忽略不計。試求經(jīng)節(jié)流閥后水蒸氣的溫度及其過熱度。5-4 一臺功率為2.0kW的泵將363K的水從貯水罐送到換熱器，水流量為3.2kgs-1,在換熱器中以697.3kJs-1的速率將水冷卻后，送入比第一貯水罐高20m的第二貯水罐，求送入第二貯水罐的水溫。5-5壓力為1.62MPa、溫度為593K的過熱蒸氣以24ms-1的流速進入噴嘴，流出噴嘴的蒸氣為0.1013MPa的飽和蒸氣，試求噴嘴出口處蒸氣的流速。設蒸氣流動過程近似為絕熱過程。5-6 試求在恒壓下將2kg ,90的液態(tài)水和3kg,10的液態(tài)水絕熱混合工程所引起的總熵變。為簡化起見，將水的熱容取作常數(shù)，Cp=4181JkgK-1。5-7 求算流動過程中，溫度為813K、壓力為5106Pa的1kmol氮所能給出的理想功為多少？取環(huán)境溫度為288K，環(huán)境壓力為1105Pa，氮的壓力熱容kJkmolK-1。5-8 有一鍋爐，燃燒器的壓力為1.013105Pa，傳熱前后溫度為1127及537。水在6.890105Pa、260的過熱蒸氣送出。設燃燒器的Cp為4.56kJkgK-1，試求該傳熱過程的損失功。5-9 某工廠有一輸送90熱水的管道，由于保溫不良，到使用單位，水溫降至70，試計算熱水由于散熱而引起的有效能損失。5-10 1kg水在1.368MPa下，由30升溫至沸點，而后全部氣化。設環(huán)境的可能最低溫度為20，問如將水所吸收之熱通過可逆機轉(zhuǎn)化為功，則排給環(huán)境的無效能最少應為多少？若傳給水的熱量系由1100的燃燒爐氣供給，問由于不可逆?zhèn)鳠崾篃o效能增加多少？在上述條件下，試比較利用水的狀態(tài)變化和直接用燃燒爐 氣將熱量傳給熱機做功，兩者的熱效率。5-11 1kg甲烷氣由27、9.80104Pa壓縮后冷卻至27、6.666106Pa，若是技壓縮功耗為1021.6kJ，t0為27，試求：（1）冷卻器中需移走的熱量；（2）壓縮與冷卻過程的損耗功；（3）該過程的理想功；（4）該過程的熱力學效率。5-12 某換熱器完全保溫。熱流體的流量為0.042kgs-1，進、出換熱器時的溫度分別為150、35，其等壓熱容為4.36kJkgK-1。冷流體進、出換熱器時的溫度分別為25、110，其等壓熱容為4.69kJkgK-1。試計算冷熱流體有效能的變化、損失功和有效能效率。5-13 有人設計出一套復雜的產(chǎn)生熱的過程，可在高溫下產(chǎn)生連續(xù)可用的熱量。該過程的能量來自于423K的飽和蒸氣，當系統(tǒng)流過1千克的蒸氣時，將有1100kJ的熱量生成。已知環(huán)境為300K的冷水，問最高溫度可為多少？6-1 試求使20105Pa的干飽和蒸氣膨脹到終壓為0.5105Pa的Rankine循環(huán)的熱效率，并與同樣溫度范圍內(nèi)工作的卡諾循環(huán)的熱效率相比較。6-2 （1）影響Rankine循環(huán)效率的主要因素是什么？ （2）回熱是什么意義？為什么回熱能提高循環(huán)的熱效率？6-3 某蒸氣動力裝置按Rankine循環(huán)工作，其蒸氣參數(shù)：進氣輪機的蒸氣壓力p1=2.5MPa，蒸氣溫度t1=500，冷凝器中蒸氣壓力p2隨冷凝水的溫度而變化，設夏天p2=0.006MPa，冬天p2=0.002MPa，試計算這兩種情況下的循環(huán)熱效率，并分析計算結(jié)果說明什么問題。6-5 采用簡單的林德（Linde）循環(huán)使空氣液化，空氣初溫為300K，膨脹前的初壓為10.13MPa(絕壓)，節(jié)流后的壓力為0.1013MPa，空氣流量（標準狀態(tài)）為15Lmin-1，試求：（1）在理想操作下，空氣的液化百分數(shù)與每小時的液化量；（2）若換熱器熱端溫差是5，由外界轉(zhuǎn)入的熱量為3.34kJkg-1。問對液化量的影響如何。6-6 采用克勞特（Claude）循環(huán)使空氣液化，壓縮機的消耗效率為110kW，將0.1013MPa、25的空氣定溫壓縮到3.35MPa，被處理的空氣有80%送入膨脹機，空氣進入膨脹機前的溫度-110，不完全熱交換器的傳熱溫差為5，由于絕熱不良而引起的冷損失為3344kJh-1，假定膨脹機回收的功為理論焓值的一半，壓縮機的定溫效率T=0.59。問此液化裝置每小時能制取多少kg的液態(tài)空氣？6-7 某一理想蒸氣壓縮制冷，于535間操作。干飽和蒸氣離開壓縮機，飽和液體進入節(jié)流閥，對20kJs-1的制冷量，若制冷劑為：（1）氨；（2）R-12；（3）水。試計算所需要的輸入功率。6-8 某蒸氣壓縮制冷循環(huán)，制冷量Q0=2104kJh-1,冷藏室溫度-12，冷藏器用冷卻水冷卻，冷卻水進口溫度為8，按以下條件進行操作，計算制冷循環(huán)消耗的最小功量。(1)供給循環(huán)的冷卻水量是無限量。(2)供給循環(huán)的冷卻水最大流量為200kgh -1。6-9 動力-熱泵聯(lián)合體系中熱泵工作于100和20之間，熱機工作于1000和20之間，假設熱機熱泵均為可逆的，試問在1000下供給單位熱量所生產(chǎn)的加工工藝用熱量（100下得到的熱量）是多少？6-10 吸收式制冷機以氨作為制冷劑以水做吸收劑，由常壓下冷凝的蒸汽來供給再生設備所需的熱量。設再生設備溫度是79，可利用的冷卻水其溫度為16，冷卻器和吸收器的溫度是21，氨在制冷劑中蒸發(fā)時的溫度是-12。假設操作時絕熱的（除了那些有目的的加熱或放熱的地方），并且忽略由于流體摩擦所造成的壓降（除膨脹閥外），試計算：（1） 該系統(tǒng)每一部分的壓力；（2） 強的和弱的氨溶液的組成；（3） 對每噸制冷機所消耗的最小功；（4） 在再生器、冷凝器及吸收器中對每噸制冷機傳遞的熱量。7-1 已知氣液平衡的判別式，（i=1,2,3N），i表示組分數(shù)。那么，液相混合物的逸度與其相平衡的氣相混合物的逸度是否相等？為什么？7-2 （1）試推導遵守Raoult（拉烏爾）定律體系的泡點壓力pb與露點壓力pd的表達式。設混合物的總組成為zi（2）假設Raoult（拉烏爾）定律適用于以下的混合物，試求在110時含有摩爾分率為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）混合物的泡點壓力pb與露點壓力pd。 已知在110下純組分的飽和蒸氣壓： ， 7-3 某蒸餾塔的操作壓力為0.1066MPa，釜液含苯、甲苯的混合物。其組成（摩爾分率）苯（1）0.2，甲苯（2）0.8。試求此溶液的泡點及其平衡的氣相組成。假設苯-甲苯混合物可作理想體系處理，該兩組分的Antoine方程如下 單位kPa，T單位K7-4 正戊烷（1）-正庚烷（2）組成的溶液可近似于理想溶液，查得組分的Antoine方程如下 單位kPa，T單位K試求：（1）65與95kPa下該體系互呈平衡的氣液相組成；（2）55，液相組成x1為0.48時的平衡壓力與氣相組成；（3）95kPa，液相組成x1為0.35時的平衡溫度與氣相組成；（4）85kPa，氣相組成y1為0.86時的平衡溫度與液相組成；（5）70 ，氣相組成y1為0.15時的平衡壓力與液相組成。7-5 化工設計需要乙醇（1）-環(huán)己烷（2）二元體系在0.1013kPa下的氣液平衡數(shù)據(jù)。試問：（1）進行計算需要查閱那些基礎數(shù)據(jù)。（2）計算該體系在0.1013kPa下的氣液平衡數(shù)據(jù)（即T-x-y），要求畫出計算框圖并上機計算。7-6 丙酮（1）-甲醇（2）二元溶液超額自由焓的表達式為，純物質(zhì)的Antoine方程表示如下： 單位kPa，T單位試求：（1）假如氣相可看作理想氣體，B=0.75，溫度為60下的p-x-y數(shù)據(jù)。（2）氣相可看作理想氣體，B=0.64，壓力為75KPa下的t-x-y數(shù)據(jù)。7-7 已知丙酮（1）-水（2）二元體系的一組組成與活度系數(shù)的數(shù)據(jù)，即x1=0.22，g1=2.90，g2=1.17，請采用以下兩種方法計算總壓0.1013MPa下與液相相平衡的氣相組成。（1）用迭代法解；（2）采用公式，計算中將的比值作為定值的直接代入法。（計算中所需的蒸氣壓數(shù)據(jù)自行查閱）7-8 苯（1）-環(huán)己烷（2）體系在溫度為77.6與101.3kPa時形成恒沸物，恒沸組成x1=0.525。已知77.6時苯的飽和蒸氣壓為與99.3kPa，環(huán)己烷的飽和蒸氣壓為與98.0kPa。試求：（1）采用Van laar方程計算全濃度范圍內(nèi)苯與環(huán)己烷的活度系數(shù)。并繪制曲線。（2）計算77.6時該體系的氣液平衡數(shù)據(jù)，繪制px曲線與yx曲線。7-9 有組分A與B組成的溶液，液相活度系數(shù)與組成的關聯(lián)式如下： ； 已知90oC時純物質(zhì)A，B的飽和蒸氣壓分別為，。假定該體系符合低壓氣液平衡的關系式。試求：（1）判斷此體系在90時的氣液平衡能否形成恒沸物？如有，屬哪一類型。（2）溫度為90時，液相組成x1為0.5時的平衡壓力。7-10 已知乙醇（1）-甲苯（2）二元體系的NRTL方程的能量參數(shù)： g12-g11=2982.72Jmol -1 g21-g22=4798.05Jmol -1溶液的特征參數(shù)12=0.529純組分的摩爾體積與Antoine方程如下： V1=58.68cm3mol-1,V2=106.85 cm3mol-1 ；單位kPa，T單位試求：（1）x1=0.310，t=105時的泡點壓力與氣相組成；（2）y1=0.310，t=105時的露點壓力與液相組成；（3）x1=0.680，p=101.3kPa時的泡點溫度與氣相組成；（4）y1=0.790，p=101.3kPa時的露點溫度與液相組成。7-11 采用狀態(tài)方程計算二元體系的高壓氣液平衡。現(xiàn)已知壓力p和液相組成xi，要求計算泡點溫度T與氣相組成yi。請列出計算機框圖及所需要的計算公式（狀態(tài)方程式自行選定）。8-1 對于下述氣相反應 2H2S(g)+3O2(g)2H2O(g)+2SO2(g)設各物質(zhì)的初始含量H2S為2mol，O2為4mol，而H2O和SO2的初含量為零。試找出各摩爾數(shù)和摩爾分率對的函數(shù)表達式。8-2 設一體系，下述兩個反應同時發(fā)生： C2H4(g)+0.5O2(g)C2H4O(g) (1) C2H4(g)+3O2(g)2CO2(g)+2H2O(g) (2)如果各物質(zhì)的初始量為5mol C2H4和2mol O2，而C2H4O、CO2和H2O的初始量為零。試用反應度1和2來表示反應中各組成的摩爾分率。8-3 氨合成反應式如下： 0.5 N2(g)+1.5H2(g)NH3(g)若反應開始時N2為0.5mol ，H2為1.5mol，且假設平衡之混合物為理想氣體，試證明反映達平衡時： 式中K為反應平衡常數(shù)。8-4 求算反應NH4Cl(s)+NH3(g) HCl (g)在1000K時的平衡常數(shù)。已知： 化合物H(18)/(kjmol-1)(25oC)/(Jmol-1K-1)/(Jmol-1K-1)NH4Cl(s)NH3(g)HCl(g)-313.82-46.06-92.37133.15 192.73 187.00 140.68 47.27 30.368-5 水蒸氣的分解反應式為 H2OH2+0.5O2試證明平衡常數(shù)，式中為該分解反應的反應度。8-6 制造合成氣的方法之一，是使甲烷與水蒸氣按以下反應式進行氣相催化反應 CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)通常出現(xiàn)的副反應為水煤氣變換反應：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)假設上述兩個反應，在下列所規(guī)定的條件下均達到平衡，試問（1） 制造合成氣時，反應器中達到的最高溫度是600K還是1300K合適？為什么？（2） 制造合成氣應該在0.1013MPa還是在10.13MPa下較好？為什么？已知下列生成熱和生成自由焓數(shù)據(jù)（單位Jmol-1）：組分，600K，1300K，600K，1300KCH4H2OCOCO2-83279-244898-110244-394080-91779-249629-113928-395504-22987-214165-164800-39542052338-175938-227103-3964258-7 1-丁烯脫氫成1，3-丁二烯的反應在627，1.01