天津工業(yè)大學(xué)2012

天津工業(yè)大學(xué)2012-2013學(xué)年1學(xué)期

化工專業(yè)化工熱力學(xué)課程期末試卷入一、判斷題（2X10=20分）得分[ ]1、熵增原理的表達(dá)式為：A5>0（X）2、3、二階舍項(xiàng)維里方程可用于計(jì)算純物質(zhì)的逸度系數(shù)2、3、RK方程中，常數(shù)a,b的混合規(guī)則分別為aM=^ya （x）i4、無論以Henry定律為基準(zhǔn)，還是以Lewis-Randall規(guī)則為基準(zhǔn)定義活度，活度和逸度的值不變。（X）5、 不可逆過程一定是自發(fā)的，自發(fā)過程一定是不可逆的。（X）6、 當(dāng)壓力大于臨界壓力時(shí)，純物質(zhì)就以液態(tài)存在。（X）7、 一定壓力下，純物質(zhì)的泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度是相同的，且等于沸點(diǎn)。（”）8、 在T-S圖上，空氣和水蒸氣一樣，在兩相區(qū)內(nèi)，等壓線和等溫線是重合的。（X）9、 剩余性質(zhì)是指理想混合物與同溫同壓和相同組成的真實(shí)混合物的摩爾性質(zhì)之差，即Me=Mid-M。（X）10、理想溶液各組分的活度系數(shù)丫和活度為1。（X）二、名詞解釋［18分］得分［］（3分）偏心因子：3=—log（p）T_07-1.00,（2分）反映物質(zhì)分子形狀和物質(zhì)極性大小的量度。（1分）（3分）對(duì)比態(tài)原理：一種物質(zhì)的物性參數(shù)是和它的狀態(tài)（如溫度、壓力等）有關(guān)的。當(dāng)不同物質(zhì)在所處狀態(tài)下的Tr,pr,*相同時(shí)，則稱這些物質(zhì)所處的狀態(tài)相同（處于對(duì)應(yīng)狀態(tài)）。當(dāng)以對(duì)比值來表示這些參數(shù)時(shí)，認(rèn)為它們之間具有相同的函數(shù)關(guān)系。（3分）（4分）逆向現(xiàn)象：逆向現(xiàn)象（包括逆向冷凝和逆向蒸發(fā)）是高壓汽液相平衡的特殊現(xiàn)象。其產(chǎn)生區(qū)域：并不是在全部高壓相平衡區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)，而在小部分區(qū)域出現(xiàn)；產(chǎn)生原因：混合物臨界點(diǎn)不是最高溫度點(diǎn)和最高壓力點(diǎn)；產(chǎn)生條件：由于等溫線或等壓線與露點(diǎn)線或泡點(diǎn)線兩次相交。（4分）（3分）偏摩爾性質(zhì)：凡=［腎L,p%.,在T、P和其它組分量當(dāng)均不變情況下，向無限多的溶液中加入1mol的組分i所引起的一系列熱力學(xué)性質(zhì)的變化。（3分）超額性質(zhì)：是指真實(shí)混合物與同溫同壓和相同組成的理想混合物的摩爾廣度性質(zhì)之差，即：

Me=M-Mid （3分）（3分）理想混合物：（1） 分子結(jié)構(gòu)相似，分子之間作用力相等，分子體積相等（2） 混合時(shí)沒有熱效應(yīng)（3） 混合時(shí)沒有體積效應(yīng)（4） 符合Lewis-randall規(guī)則三、簡答題：總分［20分］得分［］1. （5分）寫出穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律的一般形式及其四種簡化形式。答：（1）穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為：AH+1Au2+gAz=Q+W（1分）2 s八（2） 流體流經(jīng)泵、壓縮機(jī)、透平等設(shè)備在數(shù)量級(jí)的角度上，動(dòng)能項(xiàng)和勢能項(xiàng)不能與焓變相比較，可以忽略，即Au2R0，gAzR0；即：AH=Q+W若這些設(shè)備可視為與環(huán)境絕熱，或傳熱s量與所做功的數(shù)值相比可忽略不計(jì)，那么進(jìn)一步可化簡為：AH=Ws（1分）（3） 流體流經(jīng)換熱器、反應(yīng)器等傳質(zhì)設(shè)備W=0；另外，考慮動(dòng)能項(xiàng)和勢能項(xiàng)與焓變之間的數(shù)量級(jí)差別，動(dòng)能項(xiàng)和勢能項(xiàng)s可以忽略，即1Au2R0，gAzR0；因此，穩(wěn)流系統(tǒng)熱力學(xué)第一定律可化簡為：（4） 流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，AH=0（5（4） 流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，AH=0（5） 流體通過噴管獲得高速氣體AH=-1Ar22如節(jié)流膨脹過程或絕熱閃蒸過程（1分）（超音速），或者通過擴(kuò)壓管（1分）

（5分）為什么K值法可以用于烴類混合物的汽液平衡計(jì)算？并用文字或框圖簡述其用于露點(diǎn)計(jì)算的過程。p叩邛p叩邛expiiiV（p一p；）-RT烴類系統(tǒng)的混合物答：根據(jù)相平衡關(guān)系式:烴類系統(tǒng)的混合物接近理想混合物，Yi=1同時(shí)根據(jù)Lewis-Randall接近理想混合物，Yi=1ii另外，石油化工涉及的汽液平衡絕大多數(shù)壓力不太高，因此，有：k=X=』坐，i i可見，烴類系統(tǒng)的K值僅與T，p有關(guān)，而與組成乃，X,.無關(guān)，可根據(jù)T，p在德-普列斯特（De-Priester）的p-T-K圖上查出K的數(shù)值。（2分）（2）K值法用于露點(diǎn)計(jì)算的框圖及注意事項(xiàng)（3分）調(diào)整T（或p）Z片＞1所設(shè)溫度偏低（或壓力偏高）Z斗＜1所設(shè)溫度偏高（或壓力偏低）K-（5分）活度系數(shù)模型的種類及其適用范圍。答：活度系數(shù)模型有正規(guī)溶液模型、無熱混合物模型、隨機(jī)溶液模型和局部組成型活度系數(shù)模型。（1分）各活度系數(shù)模型的適用范圍：1） 正規(guī)溶液模型適用于分子大小和形狀相似的組分組成的正偏差物系。（1分）2） 無熱混合物模型適用于組分之間的相互作用力相近的體系，如高聚物與其單體組成的溶液。（1分）3） 隨機(jī)溶液模型只適用于二元體系的計(jì)算，對(duì)于那些分子間作用力相差太大，特別是多組元復(fù)雜混合物的計(jì)算使用受到限制。（1分）4）局部組成型活度系數(shù)模型可用于多元體系的計(jì)算，其中Wilson活度系數(shù)方程不適用于液液分層體系的計(jì)算，而NRTL方程沒有此限制。（1分）寫出局部組成的概念及Wilson方程和NRTL方程的優(yōu)缺點(diǎn)。（5分）答：局部組成：混合物中的不同組分i物質(zhì)和j物質(zhì)，由于分子間的相互作用力不同，同種分子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有所不同。這種局部的濃度就叫做局部組成。（3分）Wilson活度系數(shù)方程不適用于液液分層體系的計(jì)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(fù)雜。（2分）四、計(jì)算題：［42分］得分［］1. （13分）某二組元液體混合物在恒定T及p下的焓可用下式表示：H=300氣+450x2+%%（25氣+10x2）式中H單位為J?mol-1。試確定在該溫度、壓力狀態(tài)下（1） 用％］表示的H］和H2；（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H-和H-的數(shù)值。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"解：（1）因H=300x+450x+xx（25x+10x） （A）1 2 12 1 2且氣=1-x2故H=300x+450x+xx（25x+10x）1 2 12 1 2=300x+450（1-x）+x（1-x）［25x+10（1-x）］1 1111 1=450-140x1+5x：-15x; （B）（1分）

根據(jù)H-H+（1-x）（—）1dxTPiH2=H-X1（若）TP1TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"其中 （咀） =-140+10x-45x2 （2分）dxt.p 1 11則：H=450-140氣+5x2-15x3+（1-氣）（-140+10氣-45x：）\o"CurrentDocument"=310+10氣-50x2+30x3 （C） （2分）H2=450-140氣+5x2-15x3-氣（-140+10氣-45x;）=450-5x2+30x3 （D） （2分）（2）將氣=1及氣=0分別代入式（B）,得純組元的H1和H2H1=300J-mol-1 （2分）\o"CurrentDocument"H2=450J-mo1-1 （2分）⑶H⑶H1°和H是指在x1=0及x=】時(shí)的H1和H2的極限值。將x1=0代入式（0將x1=0代入式（0中得Hr=310J-mol-1 （2分）將x1=1代入式（D）中得H2°=475J-mo1-1（2分）2.（14分）高壓水蒸氣作為動(dòng)力源，可驅(qū)動(dòng)透平機(jī)做功。753K,1520kPa的過熱蒸汽進(jìn)入透平機(jī)，在推動(dòng)透平機(jī)做功的同時(shí)，每kg蒸汽向環(huán)境散熱7.1kJ。環(huán)境溫度293K。由于過程不可逆，實(shí)際輸出的功等于可逆絕熱膨脹時(shí)軸功的85%。做功后，排出的乏汽為71kPa。求此過程的（1） 理想功（2） 損失功（3） 熱力學(xué)效率已知：753K，1520kPa過熱蒸汽性質(zhì)：氣=3426.7kJ/kg、=7.5182J/kg可逆絕熱膨脹后的焓值：H』=2663.1kJ/kg實(shí)際膨脹后的熵值：S2=7.7735kJ/kg解：計(jì)算相同的始末狀態(tài)下，可逆絕熱膨脹過程的軸功Ws,revW =AH=H2-H1=2663.1-3426.7=-763.6kJ/kg（2分）實(shí)際過程的輸出功為：W=85%W =-649.1kJ/kg（2分）由于同時(shí)向環(huán)境散熱，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，實(shí)際過程的焓變?yōu)椋篈H=Q+W=-7.1-649.1=—656.2kJ/kg（2分）水蒸氣系統(tǒng)的熵變?yōu)椋篈S=S2-§=7.7735-7.5182=0.2553kJ?kg-1?K-1（2分）損失功：、=TAS-Q=293x0.2553-（-7.1）=81.9kJ?kg-1（2分）理想功：W^=W—、=-656.2—293x0.2553=-730.0kJ?kg-1（2分）該過程的熱力學(xué)效率門t匕=冬=88.8%（2分）該過程的熱力學(xué)效率門tW-731.0id

Ge3.（15分）乙醇（1）-氯苯（2）二元汽液平衡體系在80°C時(shí)，有rt=2.2氣x2問該體系可否在80°C下出現(xiàn)共沸？如果可以，試求共沸壓力和相應(yīng)的共沸組成，并確定該體系為最高壓力共沸還是最低壓力共沸？已知兩組分的飽和蒸汽壓表達(dá)式分別如下:解：按照題意，根據(jù)lnyi（lglg=7.23710- 1592-864t/C+226.184=6.07963-⑷如45解：按照題意，根據(jù)lnyi（lglg=7.23710- 1592-864t/C+226.184=6.07963-⑷如45t/°C+216.633首先計(jì)算80°C時(shí)兩物質(zhì)的飽和蒸汽壓，得ps=108.34kPa1ps=19.76kPa2（1分）Ge—得RTlny1GeRTIny2GeG—x）dGe/鬲）］1dx1d^GE/（RT）］（A）RTdx1（B）（2分）Ge將RT表達(dá)式化簡，得Ge… …（C）（1分） =2.2x一2.2x2（C）（1分）RT1將式（0代入（A）、⑻得Iny=2.2Iny=2.2x21 2（D）（1分）Iny2=Iny2=2.2x2>0假設(shè)該汽液平衡屬于低壓汽液平衡，則汽液平衡符合（i=1,2）(E)py=psyx.（2分）若有恒沸現(xiàn)象，則在恒沸點(diǎn)處y廣=x廣，于是上一步可以進(jìn)一步寫成TOC\o"1-5"\h\zp=p；ya (F)p=psyaz22即 叩廣P2y2 （2分）Inyaz-lnyaz+lnps-lnp2=02 1 2 1將值代入，得［、/、］［19.76八

2.2￥Xaz)2一(xaz)24In10834=0Xaz—Xaz=0.7735所以 xaz=0.887Xg=0.113 (2分)（