化工热力学详细答案

化工热力学第二章作业解答

2.1试用下述三种方法计算673K ，4.053MPa 下甲烷气体的摩尔体积，（1）用理想气体方程；（2）用R-K 方程；（3）用普遍化关系式

解 （1）用理想气体方程（2-4）

V ＝RT P ＝68.3146734.05310

⨯⨯＝1.381×10-3m 3·mol -1 （2）用R-K 方程（2-6）

从附录二查的甲烷的临界参数和偏心因子为

Tc ＝190.6K ，Pc ＝4.600Mpa ，ω＝0.008

将Tc ，Pc 值代入式（2-7a ）式（2-7b ）

2 2.50.42748c c

R T a p ==2 2.5

60.42748(8.314)(190.6)4.610⨯⨯⨯＝3.224Pa ·m 6·K 0.5·mol -2 0.0867c c RT b p ==60.08678.314190.64.610

⨯⨯⨯＝2.987×10-5 m 3·mol -1 将有关的已知值代入式（2-6）

4.053×106＝ 58.3146732.98710V -⨯-⨯－0.553.224(673)( 2.98710)

V V -+⨯ 迭代解得

V ＝1.390×10-3 m 3·mol -1

(注：用式2-22和式2-25迭代得Z 然后用PV=ZRT 求V 也可)

（3）用普遍化关系式

673 3.53190.6

r T T Tc === 664.053100.8814.610r P P Pc ⨯===⨯ 因为该状态点落在图2-9曲线上方，故采用普遍化第二维里系数法。

由式（2-44a ）、式（2-44b ）求出B 0和B 1

B 0＝0.083－0.422/Tr 1.6＝0.083-0.422/(3.53)1.6＝0.0269

B 1＝0.139－0.172/Tr 4.2＝0.139－0.172/(3.53)4.2＝0.138

代入式（2-43）

010.02690.0080.1380.0281BPc B B RTc

ω=+=+⨯= 由式（2-42）得

Pr 0.881110.0281 1.0073.53BPc Z RTc Tr ⎛⎫⎛⎫=+=+⨯= ⎪⎪⎝⎭⎝⎭

V ＝1.390×10-3 m 3·mol -1

2.2试分别用（1）Van der Waals,（2）R-K ，（3）S-R-K 方程计算27

3.15K 时将CO 2压缩到比体积为

550.1cm 3·mol －1所需要的压力。实验值为3.090MPa 。

解： 从附录二查得CO 2得临界参数和偏心因子为

Tc ＝304.2K Pc ＝7.376MPa ω＝0.225

（1）Van der Waals 方程

2RT a P V b V

=-- 式中 222764c c

R T a p =22

27(8.314)(304.2)647.376⨯⨯=⨯＝3.658×105 MPa ·cm 6·mol -2 8c c RT b p =＝8.314304.287.376

⨯⨯＝42.86 cm 3·mol -1 则得 8.314273.15550.142.86

P ⨯=-－5

23.65810(550.1)⨯＝3.268 Mpa 误差％＝3.090 3.2683.090

-×100％＝－5.76％ （2）R-K 方程

0.5()

RT a p V b T V V b =--+ 2 2.50.42748c c

R T a p =＝2 2.5

0.42748(8.314)(304.2)7.376⨯⨯ ＝6.466×106MPa ·cm 6·K 0.5·mol -2

0.0867c c RT b p =＝0.08678.314304.27.376

⨯⨯＝29.71cm 3·mol -1 则得 8.314273.15550.129.71

P ⨯=-－60.5 6.46610(273.15)(550.1)(550.129.71)⨯⨯⨯+＝3.137Mpa 误差％＝3.090 3.1373.090

-×100％＝－1.52％ （3）S-R-K 方程

()()

RT a T P V b V V b =--+ 式中 ()()()220.42748c c c

R T a T a T T p αα== 2

0.5()1'(1-)T m Tr α⎡⎤=+⎣⎦ 2

2'0.480 1.5740.176 =0.480+1.5740.225-0.1760.2250.8252m ωω=+-⨯⨯=

得 2273.15()10.82521- 1.088304.2T α⎧⎫⎡⎤⎛⎫=+=⎨⎬ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎩

⎭ ()22

50.42748(8.314)(304.2) 1.088 4.033107.376

a T ⨯⨯=⨯=⨯ MPa ·cm 6·mol -2 又 0.0867c c RT

b p =＝0.08678.314304.27.376

⨯⨯＝29.71cm 3·mol -1 将有关的值代入S-R-K 程，得

8.314273.15550.129.71P ⨯=-－54.03310550.1(550.129.71)

⨯+＝3.099 Mpa 误差％＝3.090 3.0993.090

-×100％＝－0.291％ 比较（1）、（2）与（3）结果，说明Van der waals 方程计算误差较大，S-R-K 方程的计算精度较R-K 方程高。

2.3试用下列各种方法计算水蒸气在10.3MPa 和643K 下的摩尔体积，并与水蒸气表查出的数据

（V=0.0232m 3·kg -1）进行比较。已知水的临界常数及偏心因子为：Tc=647.3K ，Pc=22.05MPa ，ω＝0.344。 （a ）理想气体方程；（b ）R-K 方程；（c ）普遍化关系式。

解: （a ）理想气体方程

V=RT/P=8.314×10-3×643/10.3=0.519 m 3·kmol -1=0.0288 m 3·kg -1 误差％＝0.02320.0288100%0.0232

-⨯＝－24.1％ （b ）R-K 方程

为便于迭代，采用下列形式的R-K 方程：

1.5111a h Z h bRT h ⎛⎫=- ⎪-+⎝⎭

--------(A) 式中 b bp h V ZRT

== ---------(B) 2 2.50.42748R Tc a Pc ==32 2.5

0.42748(8.31410)(647.3)22.05

-⨯⨯=14.29 MPa ·m 6·K 0.5kmol -2 0.08664RTc b Pc

==30.086648.31410647.322.05-⨯⨯⨯=0.02115 m 3·kmol -1

1.5a bRT =3 1.514.290.02115(8.31410)(643)-⨯⨯⨯=4.984 b RT =30.021158.31410643

-⨯⨯=3.956×10-3 MPa -1 将上述有关值分别代入式（A ）和（B ）得：