理工類專業(yè)課復習資料-化工熱力學模擬試題

化工熱力學模擬試題第一套模擬試題、判斷題：試判斷對錯，并寫出原因或相應的*t(Z分X5=10分)炳増原理的表達式為：AS^O():階舍頂淮里方程口『用于計算純物質的逸度系數(shù)()RK方程中，常數(shù)8由的混合規(guī)則分別為 1 ( )取=Xy^x無論以Hemy定律為基準，還是以Lewis-Randall規(guī)則為基準定義活僅，活度和逸度的值不變?()燉類物系汽液平衡計算可以使用K值法* ( )二、 簡答題(5分X7=35分)寫出隱也流動系統(tǒng)熱力學笫定律的■般形式，井對流體流經泵和流經換熱器的系統(tǒng)進行適當?shù)暮喕懗鏊谝欢囟认碌娘柡驼魵鈮旱墨@得方法，有人提出用卜冽方程組來表示恒溫、恒壓下簡單二元體系的偏摩爾體積M—司=a+(b—a)為一b為

V-V=a+(b-a)x,-bx;式中：無利Vj是純組分的摩爾體積，a、b只是t,P的函數(shù).試從熱力學的免度分析這些方程是否合理？寫出局部組成的概念*并說Bl]Wilson方程和NRTL方程的適用條件，請寫出中低壓下汽液相平衡的關系式.(Jt中：液相用活度系數(shù)表示，以Lewis-Randall規(guī)則為基準，汽相用逸度系數(shù)表示M&說明基團貢獻法的出發(fā)點、優(yōu)點及扁限性簡述估算沸方下蒸發(fā)姑的方法三、 計算題(共55分)(1)已知某飽和液體在273K時,1^,5,飽和蒸氣壓為I27Xltfl*a,若求478K.689Xl。5^時該物質蒸汽的Hm和清設計出計算路徑，并畫出圖&E)請寫出各步驟的嬉和炳的計算公式：已知：該物質的飽和蒸氣壓方程為：hiP*=A—狀態(tài)方程為：p*=RT+q＞」理想氣體熱容為：C^m=D+ET.式中各物理帶均為國際單位制標準單位，A.B、6D、E為常數(shù).某：兀溶液，Lewis-Randall規(guī)則標準態(tài)的超額Gtbbsf|ili能可由下式給出：Ge/BT=陸匝式中"P為常數(shù)，兩純組元逸度分別為f]*和f；,單位為gGE：J?inolT,T:K求；（1）以Lewis^Randall規(guī)則為標準態(tài)I：J活度系數(shù)%與為的表達式.（2）以H^iy定律為標準態(tài)的活度系數(shù)匕與久的表達式低壓下丙酮（1）-乙脯（2）二元體系的汽液平衡中，汽液兩相假定均可視為理想體系，査得両酮、乙膳的飽和蒸氣壓方程如下"lee.門2940.46hi[7.502pJ=16.6513- T-35.93p，p：的單位為KPa*T的単.位為K°試求：994547 1hi[7.502p：]=16.2874- …2 T-49.15（D當p為85KP%t為55%,該體系的汽液平衡組成丸為（2） 溶液中總組成為對=。&當p為85KPa,t為55%,該體系的液相分率以及汽液相組成丸為（3） 當t為5+6汽相組成yi=0.5時相平衡壓力與液相組成為（4） 當匕為55七，液相組成蹈=0,35時的相平衡壓力與汽相組成咒某蒸汽壓縮制冷裝置,采用氨作制冷劑，制冷能力為lO^/h,蒸發(fā)溫度為一15C,冷凝溫度為30nC,設壓縮機作訶逆絕熱壓縮，試求：（1） 壓縮*位制冷劑所消耗的功。（2） 制冷劑每小時的循環(huán)昂"（3） 該制冷裝置所提供的單理制冷（4） 循環(huán)的制冷系數(shù)，寫出已知壓力（p）和液相組成（習冉宀2,求泡點溫度（T）及與之相平衡的汽相組成*1，為，???*為）的計算過程（可以寫計算框圖，也可以敘述汁鈕過程九第一套模擬試題答案一、判斷題，淺判斷對錯，井"出虹因或相應的公式（3分X5=15分）1,崎増原理的表達式為：ASN0（X）加増原理的&達式應該為：AS/為*>0或者寫為]AS、泓+AS壞*20?（其中等號在可逆條件下成立）丄二階舍項維里方程可用F計算純物質的逸度系數(shù)（J）一.階命項維里方程可以適用于壓力不高的氣體的pVT關系計算，由于逸度系數(shù)的計算需要使用相應條件下的狀態(tài)方程?因此二階舍項維里方程可以用于壓力不高（小于L5MP&）情況下的純物質逸度系數(shù)的計算&，”程中,常數(shù)"的混合規(guī)則分別為&二￡他q）1習慣上，用于RK方程中常數(shù)a,b的混合規(guī)則分別為aM y，Vj氣1>無論以Hairy定律為基準，還是以Lewis-Randall規(guī)則為基準定義活度'活度和逸度的值不變，(X)以Henry定律為基準和以Lewis-Randall規(guī)則為基推定義的活度選用的逸度標準態(tài)不同，因此相應的活度和活度系數(shù)值會發(fā)生相應的變化’但是逸度值不變，煌類物系汽液平衡計算可以使用K值法性( )燈類物系可以近似為理想混合物，因此權相平衡常數(shù)虬=21二也幻，式中的變量均只為溫\ P奴度n壓力P的函數(shù)，與汽相組成和液相組成均無關,可以使用P-T-K圖進行計算,簡稱K值法，二、簡答題(5分X5=25分)L寫出穩(wěn)定流動系統(tǒng)熱力學第一定律的一般形式，并對流體流經泵和流經換熱器的系統(tǒng)進行適當?shù)暮喕蓫懛€(wěn)定流動系統(tǒng)的熱力學第一定律表達式為*AH+-Air+gAz=Q+W；2流體流經換熱器傳質設備W5；另外，考慮動能項和勢能項與恰變之冋的數(shù)技級差別.動能項和勢能項可以忽略，即1 r-Air-gAz-O：因此，穏流系統(tǒng)熱力學第一定律可化簡為：AH=Q流體流經泉、壓縮機、透平等設備i數(shù)倡軼泌囲L必能頊和樸能丄!不彿”增變相比較，叫以忽略，即-Air-0.印，”￡即：AH=Q+W若這些設備可視為與環(huán)境絕熱，或傳熱鼠與所做功的數(shù)值相比可忽略不計，那么進一步可化簡為:AH=W丄出水在-定溫度下的飽和蒸氣壓的獲得方法：在一定溫度下水的蒸氣壓狹得方法可以有以下兒種：(D通過實驗進行測屆通過數(shù)據(jù)手冊查找到相應的Antoine常數(shù)，使用Antoine方程進行計算通過飽和水蒸氣表査找3.有人提出用卜列方程組來表示恒溫、怕壓下簡單二元體系的偏摩爾體積

Y=a+(b-a)Xj-b￡V,-V.=a+(b-a)x2-bx;式中：Vi和陽是純組分的摩爾體積.a、b只是「p的函數(shù)，試從熱力學的角度分析這些方程是否合理？根據(jù)Gibbs-Duhem力程得恒溫、恒圧下由本題所給的方程得到dxjdxjdTVj ,(A)(B)X] =(b-時呵一2bzf(A)(B)同樣可得實也=*b_fdxidxsd訊 、Kt-_—=(b—a)Xi—2bXj比較上述結果.式(A)=(B)得：(b-a)^-21>x[=(b-a)x5-2bxJ整理此式徂：a+b=O或缶=入己=0.5根據(jù)題意，所給出的方程組只有在a+b=0時才灑足Gibbs-Duhem方程，方程才介理°4寫出局部組成的槪念，并說明WilsonA'程和NRTL方程的話用條件，答：局部組成的概念，在某個中心分子i的近鄰，出現(xiàn)「分子和出現(xiàn)j分子的幾率不僅與分子的組成K利呵有關，而11與分子間相互作用的強弱有關，Wilson方程：Wilson方程的突出優(yōu)點是(I)可以準確地描述極性和非極性混合物的活度系數(shù)，例如它訂以很好地回歸炷醇類物系，而用其它方程回歸時效果卻很差.(2)WilsonhU對元溶液是一個兩參數(shù)方程，且對多元體系的描述也僅用二元參數(shù)即可。啊1汕力一樣也存在?些缺點’(】)當活度系數(shù)小丁1時,Wilsg方-程冇多個根,在fl動計算機.程序屮進行根的選擇比較困(2)而且它不能用于液相分層體系.gL方程：也可以用：兀溶液的數(shù)據(jù)推算多元溶液的性質，但它最突出的優(yōu)點是能用于部分互溶體系，因而特別適用于液液分層物系的計算電5請寫出中低圧下汽液相平衝的關系式.(H中：液相用活度系數(shù)表不.以Lewis-Randall規(guī)朋為基準'汽相用逸度系數(shù)表示L

答r中低J5答r中低J5下汽液平衝的關系式為，py&「=Mp-p：0RT式中.P為相平衡的Hv力「％為丨組份在汽相中的摩爾分率：。「為1組份在汽相混合物中逸度系數(shù);P；為相平衡溫度T下純物質1的飽和蒸氣壓&宥為1組份做為純氣體時?在和平衡溫度T1S和蒸氣壓P；下的逸度系數(shù)；L為蛆份1的活度系數(shù)：&為】組份在液相中的摩爾分率；寸為純物質1的液相摩爾體枳命R是摩爾通用氣體蒂數(shù)；T是相平衡混度-6說明基團貢獻法的出發(fā)點,優(yōu)點及局限性答，基團貢獻法是假定每個基團在不同分子中對某一物性具有同一貢獻值，例如臨界體積.只要由各個基團的臨界體積貢獻值之和加上某一常數(shù)即可。優(yōu)點，更大的通用性及不需要臨界參數(shù)局限性：分子交互作用難于校正發(fā)展，冃前加上基團交互作用項,但愈來愈復雜,減少通用性7.簡述估算沸點下蒸發(fā)靖的方法S1：(1)從Clausis—Clapeyion方程出發(fā)dps AVH 十小綃土 / 京11J1'—=—_可化簡為dhip=— d一dTI^vV r RTAVZ(I；J冇一個p‘?T方程,就有一套A『H~T關系雅一點：要itS?AVZ［即pVT關系半經驗關系式例如Giacalone式'Chen式、Vetere式不而要與Z蒸發(fā)埔法最成功的是桂閉法.例如△餌=86.9178+云△島計算更加準確四、算題(共60分)(1)已知某地和液體在T73K時，飽和蒸氣圧為1HXlO^a,若求478K,68.9Xg時該物質蒸汽的Hm和％清設計出計算路徑，并畫出圖?以)請寫出各歩驟的焙和炳的計算公式?已知：該物質的飽和蒸氣壓方程為：lnPs=A--.T狀態(tài)方程為pYn=RT+Cp,理想氣體熱容為：C嘉=D+ET,式中務物理量均為國際単位制標準單位，A.B.C、D.E為常數(shù)。解:<1)相應的il算路徑為*273K.273K273K；飽和液體1.27X10^3飽和蒸氣27X10^3A._S-理理想氣體、"I:?■-_AH,ASAHienAS，c478^689X10^3理想H體478^68-9X10^(A)AH=Hm=A,H—Hf+曲項+11：AS=S=AS-S^+AS^+S?(A)in 1 s⑴mas由方橋dh由方橋dh】P'_AR

d(l/T)RAZBlnP==A-—T故；迎土=_B=—域d(l/T) RAZ則；AH=B*R*AZ則；AH=B*R*AZ=S314BVJ?tnol"身=矣=車=0.0"T273JukT】K(b)Hf哥Hf,分別為T=273K.p-1.27xlO5Pa的剰余靖七剰余矯,p*=PT+Cp故:RPRT故:RP則書 ~(RT+Op)，P=~CPHiR1.27*10-0R+C=T*—c^=C*1.27x10PJ?indtAH16C：dT=ijD+ET)dT=205D+76977SE J,mol1AS1*=AS?+AS16=RhiA+f&dT

pprT=8314h127x10+|*7fi(D+ET)—68.9x105 T=-33+0.56D+205E Jmd'1-K'1(d)H?,S^分別為47&K、68.9xlO-pa的制余炳與剩余炮C*68.9xlO分別為47&K、68.9xlO-pa的制余炳與剩余炮C*68.9xlO5J-nid_1-K_1J，1114T將各步驟的結果代入式（A）和（B）即可"某二元溶液，Lewis-Randall規(guī)則標準態(tài)的超額Gibbs（］由能可由下式給出+ge/bt=肉七式中"/?為常數(shù)，兩純組元逸度分別為f「和f；*單位為ggejiwr1,Kf求書(D(2)以Lewis^Randdl規(guī)則為標準態(tài)的活度系數(shù)茨與茨j的表達式。(D(2)f f以Herny定律為標準態(tài)的活度系數(shù)兒與為的表達式.'a|nGE（RT）"T.p門故：對丁一?無混合物，可以使用】元截定公式計算活度系數(shù)

:兀截炬公式為:JZ]=M-旳一djiLj:兀截炬公式為:M3=M-xl—曲*G/Rr),GeInyY= x.1RT3,GemXi— ■Xidx3或爲)PTdi】將GE/RT=/klx3代入上式'粧理得言In=/3x;hi7/街（2）山活度的定義：￡=一§1f中因此，以Lewis-Randall規(guī)則為標準態(tài):4沽吧系數(shù)為與尤分別為I同理可得：k同理可得：k2=f；/則依據(jù)定義式以Henry定律為標準態(tài)的活度系數(shù)外的表達式為:低壓下丙酮（1）一乙睛（2）:元體系的汽液平衡中,汽液兩相假定均可視為理想體系,査得內St乙肪的泡和蒸氣壓方程如下，

hi[7.502p；]-16.6513-2940.46T-35.93hi[7.502p；]-16.6513-2940.46T-35.93ki[Z502p；]=16.2874-2945.47T-49.15Pi,p；的單位為kPa,T的單位為K*試求:當p為85KPa,t55°C,該體系的汽液平衡組成丸為溶液中總組成為zi=08.當p為85KPa,t為對C，該體系的液相分率以及汽液相組成乳由當匕為5g汽相組成yj=0.5時相平衡壓力與液相組成為當t為55°C＞液相組成xi-0.35時的相平衡壓力與汽相組成刀解：使用的汽液平衡關系式為:\py』=p；%E氣=1或=i(I)/p為85KP*t為55的『P|J32815K時pj="89?p；=41X)5kPa_p^=^5-4E0^=0787ipj-p；96.89-41.05X]pj0.7871x96.8985y.=nTL= .=0.897285P當p為85KP以為55%L即32815K時.上題求得］而一。'新'為=0/8972當總組成寫=08時，體系中液相分率山物料平衡得:耳=e耳+Q-e)*=ex0.7871+Q—卷)x0.8972=O.8解得：e=0883,照澈相分率為0883.⑶t為⑶t為55°Cfpj=96.89kPap；=41.05kPaWi=Pi%

Wi=Pi%

py2=p。：故.py】.pixiP；Xzpy2將己知代入上式.解出：改=0.2975p=p：玉+p>2=96.89x0.2975+41.05x(1-0.2975)=57.65kPa(4)t為55“C*p；=96t89kPa=41.05kPap= +p'x,=96.89x035+41.05x(1-0.35)=60.59kPapi\ 96,89x035ny.= = =0.5596p60.59某蒸汽塵縮制冷裝置，釆用國作制冷剤"制冷能力為ICta,蒸發(fā)溫度為一15°C,冷凝溫度為30C,設壓縮機作可逆絕熱壓縮.試求：壓縮單位制冷劑所消耗的功。該制冷裝置所提供的單位制冷晴，⑶制冷劑每小時的循環(huán)量。(4)循環(huán)的制冷系數(shù)，解：由附圖査出各狀態(tài)點的值；3)狀態(tài)點1：蒸發(fā)溫度為一15C時，制冷剤為飽和蒸汽的飲值、炳值H]=1664kJ/kg§=9.02kJ/(kg-K_l)狀態(tài)點2：由氨的熱力學圖中找到溫度為30X：時相應的飽和圧力為117NG>a(在氨—的p—H圖上.找到1點位置，沿恒惆線與p?=l17MPa的定川.線的交點，圖上讀出：珥=1880H/kg狀態(tài)點4：溫度為30C時的飽和液體的魅值為H4=560.53kJ/kg狀態(tài)點5：H5=H[=560.53k_T/kg進仃計算：(1)壓縮單位制冷劑所消耗的功=H2-H1=1880-1664=216kJ/kg所提供的單位制冷量為：q,=H]—%=1664—560.53=1093.47kJ/kgQ in5制冷劑的循環(huán)h〔為;G= = =90,62kJ/hH1-H41664-560.53制冷系數(shù)jL=1093=5.10Ws216寫由巳知壓力(p)和液相組成(為,乂半…,％),求泡點溫度(T)及與之相平衡的汽相組成(yi，yM--,y"的計算過程(可以寫計算框圖，也可以敘述計算過程九解:只體的計算步驟為、I.假設匸因為0：與y「行關，第一次試算時，先令所有組分的J「=i；II用Antonie/j程計算p：:選擇適當?shù)腅OSil算#:選擇活度系數(shù)方程計算;VIII用式(5-18)計算所有的兇，進而計算￡北：IV若是第■次迭代，則歸一化所有計算得到的無并以此值、設定溫度T和已知壓丿JPJ5]計算?。若不是第一次迭代，跳到（VI）】V將最新的頒、P：、再、尤和已知壓力p及我代入式（5-18）,計算所仃的無進而計聳VI比較最近兩次計算的￡乂是否和等’如果不相等，則歸一化所有計算得到的貝，并以此值、設定溫度T和已知壓力P共同計算我,返回V*如果相等，進入（VII）；vn.考察是否等于1?若hi，蛔重新給定溫度t值，返回若￡乂=1，則計算結束，最新給定的溫度就是相平衡溫度t,最后一次歸一化的梵即為汽相組成.如果￡免＞1，更新設定溫度T時，應該有所降低，相反-￡乂＜1時.成提高溫度更泡點溫度組成計算框圖第二套模擬試題?、筒答題（共8題，共40分，每題5分）寫岀封閉系統(tǒng)和穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熱力學第一定律，寫出維里方程中維里系數(shù)B、C的物理意義，并寫出舍項維里方程的混合規(guī)則，靖分別以水溶解度和辛博/水分配系數(shù)為例，簡述環(huán)境熱力學中相關的關系和特點。寫出混合物中i組元逸度和逸度系數(shù)的定義式?請寫出剩余性質及超額性質的定義及定義式口為什么K值法可以用「妗類混合物的汽液平衡計算?寫出局部組成的概念及Wilson方程和NRTL方程的優(yōu)缺點口8一汽相和液相均用逸度系數(shù)計算的困離是什么？二、 推導題（共2題，共15分，其中第■題8分，第二題7分）請推導出汽液相平衡的關系式.（其中：液相用活度系數(shù)表示，以Lewis-Randdl規(guī)則為基準；汽相用逸度系數(shù)表示。）從上式出發(fā)，進行適當?shù)募僭O和簡化，推導出拉鳥爾定律，三、 計算題（共4題*共45分，其中第一題15分，第二題15分，第三題5分,第四題10分）1.求某7體在473K,30x10,Pa時，Ha=?」知：p%>=RTH0"b其中：p單位Pa,%單位in3-mol4,Cptd=7.0+1.Ox10*T（Jmol1K4）aik該飽和液體在：273K時.（Jinol1）"其屮安托尼常數(shù)A=20.7,B=2219.2*C=-31.13O（安托尼方程中壓力p：Pa,T：K,壓力用自然對數(shù)表示）（設A2=1）E二元溶液中組元I的逸度￡為方=4OX]-60x：+30x：,求：（1）純組元1的逸度f「G）組元1在溶液中的Henry常數(shù)蚯（3） 用Xi表示的為表達式（基于Lewis-Randell規(guī)則）（4） 用為表示的「表達式（基于Henry定律）有人提出用下列方程組來表示拒溫恒壓下簡單二元體系的偏摩爾體枳：V-Y=a+（b—a）Xj-bXj2X"1— —a+（b-■H）Xr■-bx;其中：％和耳是純組分的摩爾體積，b只是「p的函數(shù)，試從熱力學伯度分析這些方程是否合理？寫出已知汽相組成（yi,巧,…寸電）及溫度T,求膚點壓力p及與之相平衡的液相組成（Xi,0…&）的計算過程。第二套模擬試題答案

一、簡答題（共8題，共40分，每題5分）寫出封閉系統(tǒng)和穏定流動系統(tǒng)的熱力學第?定律〃答：封閉系統(tǒng)的熱力學第一定律：AU-Q4-W穏流系統(tǒng)的熱力學第一定律：AH+|au:+gAZ=Q+W寫出維里方程中維里系數(shù)B、C的物理意義，并寫岀舍項維里方程的混合規(guī)則②答:第二維里系數(shù)B代表兩分子間的相互作用，第三維里系數(shù)C代表三分子間相互作用，B和C的數(shù)值都僅僅與溫度T有關；舍項維里方程的混合規(guī)則為：i-l)■! Peij 丄mB"0』39-卷，T/卜，烏5-KJVE尸，P/半巡，1pr 丄河 VcijV/b.5（V宀財）L4/0.5（l+4）吒=0.5（做+嗎）請分別以水溶解廈和辛醉/水分配系數(shù)為例，簡述環(huán)境熱力學屮相關的關系和特點。答，水溶解度和辛醇/水分配系數(shù)是環(huán)境熱力學中最特征的內容（1）水溶解度：典型的液液平衡、因液平衡和氣液平衡，只是在環(huán)境問題中，平衡體系中的溶劑是水，而不是其他的冇機溶劑。Q）辛醇/水分配系數(shù)：實質上是固體和液體在部分用溶系統(tǒng)中的溶解度。它的特點是：溶解度極?。簲?shù)據(jù)的可靠性很差；佔算方法不準；常用碎片基團法.寫出混合物中i組元逸度和逸度系數(shù)的定義式阜答：逸度定義：＜V＜（T.p,yJ=RTdli）fx〈T恒定）1i11fi1i11fipx=1逸度系數(shù)的定義：PM請寫出剩余性質及超額性質的定義及定義式.答，剩余性而是指同溫同壓下的理想氣體與真實流體的摩爾廣度性質之差，即,△M'=M%T,p）-M（T,p）；超額性質：是指真實混合物與同溫同壓和相同組成的凱—甘=M：u—為什么K值法可以用于姪類混合物的汽液平衡計算?

答：姪類混合物可以近似看作是理想混合物，于是在汽液平衡基本表達式中的厶=1，在=小在壓力不高的情況下，Ponding因子近似為1,「是，汽液平衡表達式化筒為：Kf=X=業(yè)。由該式可以看出，K值僅僅與溫度和壓力仃關，而與組\P?成無關，因此，可以永K值法計算姪類系統(tǒng)的汽液平衡，寫岀局部組成的概念及Wilson方程和NRTL方程的優(yōu)缺點』答：局部組成：混合物屮的不同組分i物質和j物質，由于分子間的相互作用力不同,同種分了間的作用力與異類分子間的相互作用力的大小不同，因此，在某一局部,某種分子周圍的組成與混合物中的總體組成冇所不同。這種局部的濃度就叫做局部組成dWilson活度系數(shù)方程不適用于液液分層體系的il?算，而NRTL方程沒有此限制，但該方程是3參數(shù)的活度系數(shù)方程，略復雜。汽相和液相均用逸度系數(shù)計算的困難是什么？答：根據(jù)逸度系數(shù)的計算方程，需要選擇一個同時適用于汽相和液相的狀態(tài)方程，且計算精度相汽°這種方程的形式復雜，參數(shù)角度，計算比較困難°二、推導題（其2題，共15分，其中第一題8分，第二題？分）請推導出汽液和平衡的關系式.（其中：液相用活度系數(shù)表示，以Lewis-Randdl規(guī)則為基準：汽相用逸度系數(shù)表示口）答：根據(jù)和平衡準則，有尸=名其中，等式左邊項可以根據(jù)逸度系數(shù)的定義式變形為：ff=pyx＜；等式的右邊項可以根據(jù)活度系數(shù)的定義式變形為：《=二改乙，而標準態(tài)取為同溫同壓下的純液體，于是有f】=p誠啓p