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化工热力学第三版答案陈钟秀

化工热力学第三版答案

陈钟秀

Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】

2-1.使用下述方法计算1kmol 甲烷贮存在体积为、温度为50℃的容器中产生的压力:(1)理想气体方程;(2)R-K 方程;(3)普遍化关系式。

解:甲烷的摩尔体积V = m 3/1kmol= cm 3/mol

查附录二得甲烷的临界参数:T c = P c = V c =99 cm 3/mol ω=

(1) 理想气体方程

P=RT/V=××10-6=

(2) R-K

方程

2 2.52 2.5

60.526

8.314190.60.427480.42748 3.2224.610

c c R T a Pa m K mol P -?===???? 53168.314190.6

0.08664

0.08664 2.985104.610

c c RT b m mol P --?===??? ∴()

0.5RT a P V b T V V b =

--+

()()50.555

8.314323.15 3.222

12.46 2.98510323.1512.461012.46 2.98510---?=

-

-???+?

=

(3) 普遍化关系式

323.15190.6 1.695r c T T T === 124.699 1.259r c V V V ===<2 ∴利用普压法计算,01Z Z Z ω=+

∵ c r ZRT

P P P V =

= ∴ c r PV

Z P RT

=

654.61012.46100.21338.314323.15

c

r r r PV Z P P P RT -???===?

迭代:令Z 0=1→P r0= 又Tr=,查附录三得:Z 0= Z 1

= 01Z Z Z ω=+=+×=

此时,P=P c P r =×=

同理,取Z 1= 依上述过程计算,直至计算出的相邻的两个Z 值相差很小,迭代结束,得Z 和P 的值。

∴ P=

2-2.分别使用理想气体方程和Pitzer 普遍化关系式计算510K 、正丁烷的摩尔体积。已知实验值为mol 。

解:查附录二得正丁烷的临界参数:T c = P c = V c =99 cm 3/mol ω= (1)理想气体方程

V=RT/P =×510/×106=×10-3m 3/mol

误差:

1.696 1.4807

100%14.54%1.4807

-?=

(2)Pitzer 普遍化关系式

对比参数:510425.2 1.199r c T T T === 2.53.80.6579r c P P P ===—普维法

∴ 0 1.6 1.6

0.4220.422

0.0830.0830.23261.199r B T =-

=-=- 1 4.2 4.2

0.1720.1720.1390.1390.058741.199

r B T =-

=-=- 01c

c BP B B RT ω=+=+×= 11c r c r

BP BP P

Z RT RT T =+

=+=×= ∴ PV=ZRT→V= ZRT/P=××510/×106=×10-3 m 3/mol

误差:

1.49 1.4807

100%0.63%1.4807

-?=

2-3.生产半水煤气时,煤气发生炉在吹风阶段的某种情况下,76%(摩尔分数)的碳生成二氧化碳,其余的生成一氧化碳。试计算:(1)含碳量为%的100kg 的焦炭能生成、303K 的吹风气若干立方米(2)所得吹风气的组成和各气体分压。

解:查附录二得混合气中各组分的临界参数:

一氧化碳(1):T c = P c = V c = cm 3/mol ω= Z c = 二氧化碳(2):T c = P c = V c = cm 3/mol ω= Z c = 又y 1=,y 2=

∴(1)由Kay 规则计算得:

0.24132.90.76304.2263.1cm i ci i

T y T K ==?+?=∑

0.24 3.4960.767.376 6.445cm i ci i

P y P MPa ==?+?=∑

303263.1 1.15rm cm T T T === 0.1011.4450.0157rm cm P P P ===—普维法

利用真实气体混合物的第二维里系数法进行计算

()01 1.61.6

10.4220.422

0.0830.0830.029********.9r B T =-

=-=- ()

1

1 4.24.2

10.1720.172

0.1390.1390.1336303132.9r B T =-

=-= ()()01

6111111618.314132.90.029890.0490.13367.378103.49610

c c RT B B B P ω-?=

+=-+?=-?? ()0

2 1.61.6

20.4220.422

0.0830.0830.3417303r B T =-

=-=- ()1

2 4.2

4.22

0.1720.172

0.1390.1390.03588303r B T =-

=-=-

()()01

6222222628.314304.20.34170.2250.03588119.93107.37610

c c RT B B B P ω-?=

+=--?=-?? 又()()0.5

0.5

132.9304.2201.068cij ci cj T T T K ==?=

3

3

131131331293.194.093.55/22c c cij V V V cm mol ????

++=== ? ?????

120.2950.274

0.284522c c cij Z Z Z ++=

==

120.2950.2250.13722cij ωωω++===

()6/0.28458.314201.068/93.5510 5.0838cij cij cij cij P Z RT V MPa -==???=

∴ 303201.068 1.507rij cij T T === 0.10130.0199rij cij P P P ===

12 1.6 1.6

120.4220.422

0.0830.0830.1361.507r B T =-

=-=- 1

12 4.2 4.2

120.1720.172

0.1390.1390.10831.507

r B T =-

=-= ∴()()01

612121212126

128.314201.0680.1360.1370.108339.84105.083810

c c RT B B B P ω-?=

+=-+?=-?? 22

1111212222

2m B y B y y B y B =++

()()()26626630.247.3781020.240.7639.84100.76119.931084.2710/cm mol

----=?-?+???-?+?-?=-?∴1m m B P PV

Z RT RT

=+

=

→V=mol ∴V 总=n V=100×103×%/12×= (2) 1110.2950.240.10130.0250.2845

c m Z P y P

MPa Z ==?= 2220.2740.760.10130.0740.2845

c m Z P y P

MPa Z ==?= 2-4.将压力为、温度为477K 条件下的压缩到 m 3,若压缩后温度,则其压力为若干分别用下述方法计算:(1)Vander Waals 方程;(2)Redlich-Kwang 方程;(3)Peng-Robinson 方程;(4)普遍化关系式。

解:查附录二得NH 3的临界参数:T c = P c = V c = cm 3

/mol ω=

(1) 求取气体的摩尔体积

对于状态Ⅰ:P= MPa 、T=447K 、V= m 3

477405.6 1.176r c T T T === 2.0311.280.18r c P P P ===—普维法

∴0 1.6 1.6

0.4220.422

0.0830.0830.24261.176r B T =-

=-=- 1 4.2 4.2

0.1720.172

0.1390.1390.051941.176

r B T =-

=-= 010.24260.250.051940.2296c

c BP B B RT ω=+=-+?=- 11c r c r

BP PV BP P Z RT RT RT T =+

==+→V=×10-3m 3

/mol ∴n=×10-3m 3/mol=1501mol

对于状态Ⅱ:摩尔体积V= m 3/1501mol=×10-5m 3/mol T=

(2) Vander Waals

方程

2222

626

27278.314405.60.4253646411.2810

c c R T a Pa m mol P -??===???? 5316

8.314405.6 3.737108811.2810

c c RT b m mol P --?=

==???? ()()

22558.314448.60.4253

17.659.458 3.73710 3.73710RT a P MPa V b V --?=

-=-=--?? (3) Redlich-Kwang 方程

2 2.52 2.5

60.526

8.314405.60.427480.427488.67911.2810

c c R T a Pa m K mol P -?===???? 53168.314405.60.08664

0.08664 2.591011.2810

c c RT b m mol P --?===???

()()()0.550.555

8.314448.68.679

18.349.458 2.5910448.69.458109.458 2.5910

RT a P MPa V b T V V b ---?=

-=-=-+-???+? (4) Peng-Robinson 方程

∵448.6405.6 1.106r c T T T ===

∴220.3746 1.542260.269920.3746 1.542260.250.269920.250.7433k ωω=+-=+?-?=

()()()2

2

0.5

0.51110.74331 1.1060.9247r T k T α????=+-=+?-=????

()()()2222

626

8.314405.60.457240.457240.92470.426211.2810

c c c R T a T a T T Pa m mol P αα-?===??=??? 531

68.314405.60.07780

0.07780 2.3261011.2810

c c RT b m mol P --?==?=??? ∴()()()

a T RT

P V b V V b b V b =

-

-++- ()()()51010

8.314448.60.4262

9.458 2.326109.4589.458 2.32610 2.3269.458 2.32610---?=

-

-??+?+?+? 19.00MPa = (5) 普遍化关系式

∵ 559.458107.2510 1.305r c V V V --==??=<2 适用普压法,迭代进行计算,方法同1-1(3)

2-6.试计算含有30%(摩尔分数)氮气(1)和70%(摩尔分数)正丁烷(2)气体混合物7g,在188℃、条件下的体积。已知B 11=14cm 3/mol ,B 22=-265cm 3/mol ,B 12=mol 。

解:22

11112122

222m B y B y y B y B =++ ()()2230.31420.30.79.50.7265132.58/cm mol =?+???-+?-=-

1m m B P PV

Z RT RT

=+

=→V(摩尔体积)=×10-4m 3/mol 假设气体混合物总的摩尔数为n ,则

×28+×58=7→n=

∴V= n×V(摩尔体积)=××10-4= cm 3

2-8.试用R-K 方程和SRK 方程计算273K 、下氮的压缩因子。已知实验值为

解:适用EOS 的普遍化形式

查附录二得NH 3的临界参数:T c = P c = ω= (1)R-K 方程的普遍化

2 2.52 2.5

60.526

8.314126.20.427480.42748 1.55773.39410

c c R T a Pa m K mol P -?===???? 53168.314126.20.08664

0.08664 2.678103.39410

c c RT b m mol P --?===??? 2 2.5

aP

A R T =

bP B RT

=

1.55 1.5

1.5577 1.551

2.678108.314273A a B bRT -===??? ∴562.67810101.310 1.1952

8.314273B b bP h Z V ZRT Z Z -???=====?? ①

11 1.5511111A h h Z h B h h h ????

=

-=- ? ?-+-+????

② ①、②两式联立,迭代求解压缩因子Z (2)SRK 方程的普遍化

273126.2 2.163

r c T T T ===220.480 1.5740.1760.480 1.5740.040.1760.040.5427m ωω=+-=+?-?=

()()()220.50.5

111110.54271 2.1630.25632.163r r T m T T α????=+-=+?-=???

? ()222 2.5

60.526

8.314126.20.427480.427480.25630.39923.39410

c c R T a T Pa m K mol P α-?=?=?=???? 53168.314126.20.08664

0.08664 2.678103.39410

c c RT b m mol P --?===???

1.55 1.5

0.39920.39752.678108.314273A a B bRT -===??? ∴562.67810101.310 1.1952

8.314273B b bP h Z V ZRT Z Z -???=====?? ①

110.39751111A h h Z h B h h h ????

=

-=- ? ?-+-+????

② ①、②两式联立,迭代求解压缩因子Z 第三章

3-1. 物质的体积膨胀系数β和等温压缩系数k 的定义分别为:

1P

V V T β???=

????,1T

V k V P ???=- ????。试导出服从Vander Waals 状态方程的β和k 的表达

式。

解:Van der waals 方程2RT a

P V b V

=

-- 由Z=f(x,y)的性质1y x

z z x y x y z ???????????=- ?

? ??????????得 1

T P V P V T V T P ???????????=- ? ? ?????????? 又 ()2

32T

P a RT

V V V b ??

?=

-

?

???- V

P R T V b

???=

?

?-??

所以 ()2

3

21P a RT

V V b V

T R V b ???-??-

??

=-?? ????-????

()()

323

2P RV V b V T RTV a V b -???= ????--

故 ()()

22

3

12P

RV V b V V T RTV a V b β-???==

?

???--

()()2

22

312T V V b V k V P RTV a V b -???=-=

????-- 3-2. 某理想气体借活塞之助装于钢瓶中,压力为,温度为93℃,反抗一恒定的外压力 MPa 而等温膨胀,直到两倍于其初始容积为止,试计算此过程之U ?、H ?、S ?、A ?、G ?、TdS ?、pdV ?、Q 和W 。 解:理想气体等温过程,U ?=0、H ?=0 ∴ Q =-W =2

1

11

2ln 2V V V V RT

pdV pdV dV RT V

===???

= J/mol

∴ W = J/mol

又 P P

dT V dS C dP T

T ???

=- ???? 理想气体等温膨胀过程dT =0、

P V R T P

???

= ?

???

∴ R dS dP P

=-

∴ 22

21

1

1

ln ln ln2S P P P S P

S dS R d P R P

R ?==-=-=??=(mol·K)

A U T S ?=?-?=-366×= J/(mol·K)

G H T S A ?=?-?=?= J/(mol·K)

TdS T S A =?=??= J/(mol·K)

21

1

1

2ln 2V V V V RT

pdV pdV dV RT V

===???

= J/mol 3-3. 试求算1kmol 氮气在压力为、温度为773K 下的内能、焓、熵、

V C 、p C 和自由焓之值。假设氮气服从理想气体定律。已知:

(1)在 MPa 时氮的p C 与温度的关系为()27.220.004187J /mol K p C T =+?; (2)假定在0℃及 MPa 时氮的焓为零; (3)在298K 及 MPa 时氮的熵为(mol·K)。

3-4. 设氯在27℃、 MPa 下的焓、熵值为零,试求227℃、10 MPa 下氯的焓、熵值。已知氯在理想气体状态下的定压摩尔热容为

()362

31.69610.14410 4.03810J /mol K ig p

C T T --=+?-?? 解:分析热力学过程

300K 0.1 MPa H=0S=0

, 真实气体,

H S

??????→、 500K 10 MPa ,

真实气体

-H 1R H 2R

-S 1R S 2R

300K 0.1 MPa , 理想气体

11

H S ??????→、

500K 10 MPa , 理想气体

查附录二得氯的临界参数为:T c =417K 、P c =、ω=

∴(1)300K 、的真实气体转换为理想气体的剩余焓和剩余熵

T r = T 1/ T c =300/417= P r = P 1/ P c ==—利用普维法计算

1.60.4220.0830.6324r B T =-=- 0

2.60.675 1.592

r r

dB dT ==

1

4.20.1720.1390.5485r B T =-=- 1

5.20.722 4.014

r r

dB dT ==

又 0101R r r r c r r H dB dB P B T B T RT dT dT ω??

??=-+-??

????? 01R r r r S dB dB P R dT dT ω??=-+ ???

代入数据计算得1

R

H =mol 、1R

S = J/( mol ·K )

(2)理想气体由300K 、到500K 、10MPa 过程的焓变和熵变

2

150********

31.69610.14410 4.03810T ig p T H C dT T T dT

--?==+?-???

=mol

2

1

50036213001

10

ln

31.69610.14410 4.03810ln 0.1ig T p T C P S dT R T TdT R T

P --?=-=+?-?-?

? = J/( mol ·K )

(3) 500K 、10MPa 的理想气体转换为真实气体的剩余焓和剩余熵

T r = T 2/ T c =500/417= P r = P 2/ P c =10/=—利用普维法计算

0 1.60.422

0.0830.2326

r

B T =-=- 0

2.60.6750.4211r r dB T dT == 1

4.20.172

0.1390.05874

r

B T =-=- 1

5.20.7220.281r r

dB T dT ==

又 0101R r r r c r r H dB dB P B T B T RT dT dT ω??

??=-+-??

????? 01R r r r S dB dB P R dT dT ω??=-+ ???

代入数据计算得2R

H =mol 、2

R

S = J/( mol ·K )

∴H

?=H 2-H 1= H 2=-

1R

H +

1

H ?+

2R

H =+7020-3410=mol

S

?= S 2-S 1= S 2=-1R S +1S ?+2R

S = J/( mol ·K )

3-5. 试用普遍化方法计算二氧化碳在、30 MPa 下的焓与熵。已知在相同条件下,二氧化碳处于理想状态的焓为8377 J/mol ,熵为 J/(mol·K). 解:查附录二得二氧化碳的临界参数为:T c =、P c =、ω= ∴ T r = T/ T c == P r = P/ P c =30/=—利用普压法计算 查表,由线性内插法计算得出:

()

1.741

R c

H RT =-

()

1

0.04662

R c

H RT =

()

0.8517

R S R

=-

()

1

0.296

R S R

=-

∴由()()0

1

R R R

c

c

c

H H H RT RT RT ω

=

+、()()0

1

R R R

S S S

R

R

R

ω

=

+计算得:

H R = KJ/mol S R = J/( mol ·K )

∴H= H R + H ig =+=4 KJ/mol S= S R + S ig = J/( mol ·K )

3-6. 试确定21℃时,1mol 乙炔的饱和蒸汽与饱和液体的U 、V 、H 和S 的近似值。乙炔在、0℃的理想气体状态的H 、S 定为零。乙炔的正常沸点为-84℃,21℃时的蒸汽压为。

3-7. 将10kg 水在、 MPa 的恒定压力下汽化,试计算此过程中U ?、

H ?、S ?、A ?和G ?之值。

3-8. 试估算纯苯由 MPa 、80℃的饱和液体变为 MPa 、180℃的饱和蒸汽时该过程的V ?、H ?和S ?。已知纯苯在正常沸点时的汽化潜热为

J/mol ;饱和液体

在正常沸点下的体积为 cm 3

/mol ;定压摩尔热容

()16.0360.2357J /mol K ig p C T =+?;第二维里系数 2.4

3

10/mol ??? ???

3

1B=-78cm T

。 解:1.查苯的物性参数:T c =、P c =、ω= 2.求ΔV

由两项维里方程

2.4321117810PV BP P Z RT RT RT T ????==+=+-??? ???????

2.4

636

1.013101178100.85978.31410453453?????=+-?=?? ?????????

3.计算每一过程焓变和熵变

(1)饱和液体(恒T 、P 汽化)→饱和蒸汽

()

R

2R

1)(-H H H H H H id T

id P V +?+?++?=?()

R

R

2

1)(S S S S S S id T

id P V +?+?+-+?=?2

1V V V -=?mol

cm P ZRT V 3

216.3196013

.1453314.88597.0=??==cm

V V V 3

125.31007.9516.3196=-=-=?

ΔH V =30733KJ/Kmol

ΔS V =ΔH V /T=30733/353= KJ/Kmol·K

(2)饱和蒸汽(353K 、)→理想气体

点(T r 、P r )落在图2-8图曲线左上方,所以,用普遍化维里系数法进行计算。

由式(3-61)、(3-62)计算

(3)理想气体(353K 、)→理想气体(453K 、)

628.01

.562353

===C

r T T T 0207.0894

.41013

.0===C

r P P

P 00111r c -T R

r r

r r r H dB B dB B P RT dT T dT T ω??????=-+-?? ? ???????()()-0.02070.628 2.2626 1.28240.2718.1124 1.7112=??+++????

=-0.0807

10.08078.314562.1

R H =-??-377.13KJ Kmol

=011-R r r r S dB dB P R dT dT ω??

=+????

()

-0.02072.26260.2718.1124=+?-0.09234

=1-0.092348.314

R S =?0.7677KJ Kmol K

=?()()()2

1453

353

2216.0360.2350.2357

16.0364533534533532

11102.31T id id P P T H C dT

T dT

KJ Kmol

?==+=-+-=??

()2

1

21

453

35316.036 1.0130.23578.3140.1013453

16.0360.235745335319.1

353

8.47id T id

P T C P S dT Rln T P dT ln T ln KJ Kmol K

?=-??=+- ???=+--=???

(4)理想气体(453K 、)→真实气体(453K 、)

点(T r 、P r )落在图2-8图曲线左上方,所以,用普遍化维里系数法进行计算。

由式(3-61)、(3-62)计算

∴ 4.求

3-9. 有A 和B 两个容器,A 容器充满饱和液态水,B 容器充满饱和蒸气。两个容器的体积均为1L ,压力都为1MPa 。如果这两个容器爆炸,试问哪一个容器被破坏的更严重假定A 、B 容器内物质做可逆绝热膨胀,快

806.01

.562453

==

r T 2070.0894

.4013

.1==

r P R

0011r c -T r r r r r H dB B dB B P RT dT T dT T ω??????=-+-?? ? ???

????()-0.8060.20701.18260.51290.2712.21610.2863=?+++????-0.3961

=R 01-r r

r S dB dB P R dT dT ω??

=+????[]

-0.20701.18260.271 2.2161=+?-0.3691

=21850.73R H KJ Kmol =2 3.0687R S KJ Kmol K

=?S

H ??,()Kmol

KJ H H H H H H id T

id

P V 7.40361)(R

R

21=+?+?+-+?=?()

R 2

R

1)(S S S S S S id

T

id P V +?+?+-+?=?K

Kmol KJ ?=269.93

速绝热膨胀到 MPa 。

3-10. 一容器内的液体水和蒸汽在1MPa 压力下处于平衡状态,质量为1kg 。假如容器内液体和蒸汽各占一半体积,试求容器内的液体水和蒸汽的总焓。

解:查按压力排列的饱和水蒸汽表,1MPa 时,

根据题意液体和蒸汽各占一半体积,设干度为x 则

解之得: 所以

3-11. 过热蒸汽的状态为533Khe ,通过喷嘴膨胀,出口压力为,如果过程为可逆绝热且达到平衡,试问蒸汽在喷嘴出口的状态如何

3-12. 试求算366K 、 下1mol 乙烷的体积、焓、熵与内能。设255K 、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

()362

10.038239.3041073.35810J /mol K ig p

C T T --=+?-?? 3-13. 试采用RK 方程求算在227℃、5 MPa 下气相正丁烷的剩余焓和剩余熵。

解:查附录得正丁烷的临界参数:T c =、P c =、ω= 又R-K 方程:()

0.5RT a

P V b T V V b =

--+

33762.81/2778.1/1.1273/194.4/l g l g H kJ kg H kJ kg V cm g

V cm g

====()1g l

x V x V ?=-()194.41 1.1273

x x ?=-?0.577%

x =()()10.005772778.110.00577672.81774.44/g l

H xH x H kJ kg

=+-=?+-?=

∴ 2 2.50.42748c c

R T a P = 2 2.560.52

6

8.314425.20.4274829.043.810Pa m K mol -?==???? 0.08664

c c RT b P = 53168.314425.2

0.086648.06103.810

m mol --?==??? ∴ ()

650.558.314500.1529.04

5108.0610500.158.0610V V V --??=

-

-?+? 试差求得:V =×10-4m 3/mol

∴ 5

5

8.06100.143856.110

b h V --?===? 1.55 1.5

29.04 3.8748.06108.314500.15A a B bRT -===??? ∴110.14383.8740.6811110.143810.1438A h Z h B h ????=

-=-= ? ?-+-+????

∴()1.51.51ln 11 1.5ln 1 1.0997R H a b A Z Z h RT bRT V B

??=--+=--+=- ??? 1.09978.314500.154573/R H J mol =-??=- () 1.5ln ln 10.8092R P V b S a b R RT bRT V -??=-+=- ???

()0.8098.314 6.726/R S J mol K =-?=-?

3-14. 假设二氧化碳服从RK 状态方程,试计算50℃、 MPa 时二氧化碳的逸度。

解:查附录得二氧化碳的临界参数:T c =、P c =

∴ 2 2.52 2.560.526

8.314304.20.427480.42748 6.46617.37610

c c R T a Pa m K mol P -?===???? 63168.314304.20.08664

0.0866429.71107.37610

c c RT b m mol P --?===??? 又()

0.5RT a P V b T V V b =

--+

∴()

660.56

8.314323.15 6.4661

10.131029.7110323.1529.7110V V V --??=

--?+? 迭代求得:V =mol ∴ 29.710.1007294.9b h V =

== 1.56 1.5

6.466 4.50629.71108.314323.15A a B bRT -===??? ∴110.10074.5060.69971110.100710.1007A h Z h B h ????=

-=-= ? ?-+-+???? ∴ () 1.5ln 1ln ln 10.7326P V b f a b Z P RT bRT V -??=---+=- ???

∴f =

3-15. 试计算液态水在30℃下,压力分别为(a )饱和蒸汽压、(b )100×105Pa 下的逸度和逸度系数。已知:(1)水在30℃时饱和蒸汽压

p S =×105Pa ;(2)30℃,0~100×105Pa 范围内将液态水的摩尔体积视为

常数,其值为kmol ;(3)1×105

Pa 以下的水蒸气可以视为理想气体。 解:(a )30℃,P s =×105Pa ∵汽液平衡时,L V S i i i f f f ==

又1×105Pa 以下的水蒸气可以视为理想气体,P s =×105Pa <1×105Pa ∴30℃、×105Pa 下的水蒸气可以视为理想气体。 又 理想气体的f i =P ∴50.042410S S i i f P Pa ==?

1S S S i i i f P φ==

(b )30℃,100×105Pa ∵exp S

i L

P

L

S S

i i i i

P

V f P dP RT

φ=? S S S i i i f P φ=

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