化工热力学模拟试题(1)及参考答案

第二篇 模拟试题与参考答案

化工热力学模拟试题(1)及参考答案

一（共18分） 判断题（每题3分）

1 纯物质的饱和液体的摩尔体积随着温度升高而增大，饱和蒸气的摩尔体积随着温度的升高而减小。

( )

2 若某系统在相同的始态和终态间，分别进行可逆与不可逆过程，则?S不可逆>?S可逆。

4 热量总是由?TdS给出。

5 不可逆过程孤立系统的熵是增加的，但过程的有效能是减少的。 6 物质的偏心因子?是由蒸气压定义的，因此?具有压力的单位。 二（共16分） 简答题（每小题8分） 1 Virial方程Z? Z?( ) ( ) ( ) ( )

3 由三种不反应的化学物质组成的三相pVT系统，达平衡时，仅一个自由度。 ( )

pV?1?B?p?C?p2???????RT?1?

pVBC?1??2???????RTVV?2?

C?B2B 如何证明： B?? C??

RT(RT)22 水蒸气和液态水的混合物在505K下呈平衡态存在，如果已知该混合物的比容为

3-141cm?g，根据蒸气表的数据计算混合物的焓和熵。已知在该温度下的饱和水蒸气性质

为：

比容/cm3?g-1 焓/J?g-1 熵/J?g-1?K-1 饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气 1.2129 69.22 999.56 2803.96 2.6282 6.2004 三（15分） 用泵以756kg?h?1的速度把水从45m深的井底打到离地10m高的开口储槽中，冬天为了防冻，在运送过程中用一加热器，将31650kJ?h-1的热量加到水中，整个系统散热速度为26375kJ?h-1，假设井水为2℃，那么水进入水槽时，温度上升还是下降？其值若干？假设动能变化可忽略，泵的功率为2马力，其效率为55％（1马力＝735W）（视为稳流系统）。 四（20分） 一个Rankine循环蒸气动力装置的锅炉，供给2000kPa，400℃的过热蒸气透平，其流量25200kg?h-1，乏气在15kPa压力下排至冷凝器，假定透平是绝热可逆操作的，冷凝器出口为饱和液体，循环水泵将水打回锅炉也是绝热可逆，求：（1）透平所做的功？（2）水泵所做的功？（3）每千克蒸气从锅炉获得的热量？已知2000kPa，400℃过热蒸气的热力学性质为：H?2945.2J?g-1，S?7.1271J?g-1?K-1；15kPa压力下的乏气热力学性质为： 温度/℃ 53.9 比容/cm3?g-1 焓/J?g-1 熵/J?g-1?K-1 饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气 1.0151 10117.2 225.57 2598.9 0.7536 8.0102 五（14分） 远程输送天然气采用压缩液化法，若天然气按甲烷计，现将1kg天然气自压缩到68kg?cm?2，并经级间冷却到27℃，设压缩实际功率224kcal?kg?1，1kg?cm?2、27℃

求级间冷却器应移走的热量，压缩过程的理想功、损耗功与热力学效率，设环境温度为27℃。已知甲烷的焓和熵数据如下：

119

?2t/℃ H/kcal?kg?1 S/kcal?kg?1?K?1 P/kg?cm

1 27 227.8 1.6890 68 27 211.8 1.1273

SS六（17分）纯液体A与B在90℃时蒸气压力为PA?1000mmHg，PB?700mmHg，液相活22度系数ln?A?xB，ln?B?xA，气相为理想气体，问：（1）与50％(mol) A及50％(mol) B的

液相混合物平衡的蒸气总压为多少？（2）能否生成共沸物？若能，恒沸组成、恒沸压力为多少？恒沸点是最高点还是最低点？

参考答案

一、 (1)T (2)F (3)F (4)F (5)T (6)F 二、 1将 P?Z=RTBC(1??2?VVV ) 代入式（1）得

)2?

PVB'RTBCRT2BC?1?（1+?2?）+C'（）（?1+?2?RTVVVVVVRTRT?1?B'?BB'2(1?C'RT)?VV2（3）

1+C'RT）将式（3）与式（2）比较同类项，得：B=B'RT；C=BB'（

C?BB即B'?；C'? 得证

RT(RT)22 查水蒸气表知：505K下

?HV?2804.0 kJ?kg-1?HL?999.54 kJ?kg-1???V?L-1-1-1-1饱和蒸气性质：?S?6.2004 kJ?kg?K；饱和液体性质：?S?2.6283 kJ?kg?K

?V?L3?13-1V?0.06923 m?kgV?0.0012 m?kg????按题意，设饱和湿蒸气中气相分率为x，则

Vx?V(1?x)?0.041

VL或 0.06923x?0.0012(1?x)?0.041，解得：x?0.585

VL-1??H=Hx?H(1?x)?2804.0?0.585?999.54?(1?0.585)?2055.1 kJ?kg则：?

VL-1-1??S?Sx?S(1?x)?6.2004?0.585?2.6283?(1?0.585)?4.718 kJ?kg?K三、 以单位质量流体为计算基准，则输入功率为：

WS?(?2.0)?735??12727.3J?kg?1??12.73kJ?kg?1

756/3600?0.55?1?1?1g?Z?9.81?(10?45)?540J?kg?0.54kJ?kg

Qt??Qi?Q入?Q散?31650?26375?5275kJ?h

iQ?Qt5275??6.98kJ?kg?1 m756由热力学第一定律知：?H?Q?Ws?g??Z?6.98?(?12.73)?0.54?19.17kJ?kg?1?0，

所以水槽的温度是升高的，又由于?H?CP(T2?T1)，CP?4.184kJ?kg?1?K?1，代入得：4.184(T2?2)?19.17，解得T2?279.73K(6.58℃)。

四、如附图所示，查水蒸气表知：

120

点1 H1?3247.6kJ?kg?1，S1?7.127kJ?kg?1?K?1

点2 对应的气相性质为：HV?2599.1kJ?kg?1，SV?8.0085kJ?kg?1?K?1

点3 液相性质：HL?225.94kJ?kg?1，SL?0.7549kJ?kg?1?K?1，VL?0.001014m3?kg?1 1?2为等熵膨胀过程，设点2的湿蒸气湿度为x，则SV?x?SL(1?x)?S1，即： 8.005x?0.7549(1?x)?7.1271，解得：x?0.8785

点4 H4?H3?VL??P?225.94?0.001014?(2000?15)?227.95kJ?kg?1

WS,pump?m(H4?H3)?25200?0.001014?(2000?15)?14.09kJ?s?1，即为水泵消耗的功。 3600VL?1H2?H?x?H?(1?x)?2599.1?0.8785?225.94?(1?0.8785)?2310.8kJ?kg

透平所作的功

25200WS?m(H1?H2)??(3247.6?2310.8)?6557.6kJ3600?1Q?H1?H4?3247.6?227.95?3019.65kJ?kg 五、T0?27?273?300K 依题意：WS??224kcal?kg

?1?H?H2?H1?211.8?227.8??16kcal?kg

?1?1?S?S2?S1?1.1273?1.6890??0.5617kcal?kg?K

?1① 2000kPaT

400℃ ④ H LS ③ S

模拟试题(1)-试题四附图

LH VS ② V由热力学第一定律知：?H?Q?WS，

?1Q??H?WS??16?224??240kcal?kg

?1Wid???H?T0??S?16?300?(?0.5617)??152.51kcal?kg

?1WL?Wid?WS??152.51?(?224)?71.49kcal?kg

六、(1) 当xA?xB?0.5时，?A??B?exp(0.025)?1.284，因此：

P?PAxA?A?PBxB?B?0.5?1.284?(1000?700)?1091.4mmHg (2) 假设生成恒沸物，则有xA?yA，xB?yB

SS根据气液平衡关系Piyi?PiSxi?i(i=A、B)有：PA?A?PB?B，该式两边取对数得： S?PA????100022ln?S??ln?A??xA?xB?1?2xB，即1?2xB?ln?0.3567，解得xB?0.322， ?P??700?B??B?SSxA?1?xB?0.678，该混合物存在恒沸点。

所以：?A?exp(0.3222)?1.109，?B?exp(0.6782)?1.584

P?PAxA?A?PBxB?B?1000?0.678?1.584?700?0.322?1.109?1108.9mmHg

SS 121

化工热力学模拟试题(2)及参考答案

一（14分） 根据下列甲烷和己烷的物理性质，可以得出液化石油气中的主要成份不可能是甲烷及己烷的结论。请问此结论正确否？并说明原因。 物质 甲烷 正己烷

二（20分） 求其内能变化？

（2）初态同(1)，经恒容过程加热到150℃(状态3)，需热量95kJ，问此过程内能变化如何？ （3）（2）中处于状态3的气体经等温压缩到1.0m3 (状态2)，同时移走185kJ热量，问内能变化如何？需功若干？(本题按封闭体系计算)

三（20分） 一可逆热机用某种比热不变的理想气体为工质，按下述循环操作，自状态1恒容加热到状态2，由状态2绝热膨胀到状态3，然后由状态3经恒压过程回到状态1，证明

TC , ℃

-82.62

234．4

pC, atm

45.36 29.80

TB, ℃

-161.45 68.75

燃烧值, kJ/g 55.6 48.4

（1）气体由20℃，2.0m3（状态1）经绝热过程到150℃，1m3 （状态2），输入功为100kJ，

?pp??1W?1???21此循环中净功与所吸热量之比为 其中??CpCV Qp2p1?1四（24分） 有一理想Rankine循环，在4000kPa 和8kPa的压力之间操作，锅炉产生的是400℃的过热蒸气，冷凝器所用的冷却水的温度为25℃。求（1）过热蒸气从锅炉中的吸热量Q1 ，乏气在冷凝器中放出的热量Q2 ;（2）透平作的理论功和水泵消耗的理论功；（3）热效率?。已知4000kPa，400℃下过热水蒸气的热力学性质为：H?3213.6J?g-1，

-1-1S?6.7690J?g?K；8kPa压力下乏气的热力学性质为：

1?温度/℃ 41.4 比容/cm3?g-1 焓/J?g-1 熵/J?g-1?K-1 饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气 1.0084 18333.7 173.4 2403.4 0.5910 8.2313 五 (22分) 一蒸气透平可逆绝热操作，进入透平的过热蒸气压力为1000kPa, 乏气的压力为40kPa，如果要求乏气为干蒸气，则进气的过热度最小应为多大？透平每小时耗气为408kg，问该情况下，透平理论上可输出多少功？ 40kPa压力下的乏气热力学性质为： 温度/℃ 75.8 比容/cm3?g-1 饱和蒸气 4014 焓/J?g-1 饱和水 317.3 焓/J?g-1 2778.1 3263.9 3349.3 3478.5

饱和蒸气 2636.7 熵/J?g-1?K-1 饱和水 1.0251 饱和蒸气 7.6711 饱和水 1.0264 1000kPa过热蒸气表为： 温度/℃ 194.4 (饱和蒸气)

400 440 500

熵/J?g-1?K-1 6.5865 7.4651 7.5883 7.7622

参考答案

一、结论正确。理由如下：作为石油液化气组分，基本要求是沸点不宜太高，也不宜太低，大至范围为-15℃~10℃以内。(1)甲烷因其常压沸点为-161.45℃，通常情况下只能以气态形

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