北京化工大学2013-2014学年《化工热力学》期末试卷

北京化工大学2013——2014学年第一学期

《化工热力学》期末考试试卷(参考答案附评分标准)

班级： 姓名： 学号： 任课教师： 分数：

一、（2⨯7=14分）正误题（正确的画○，错误的画×，标在[ ]中） ［ × ］方程dH=TdS+VdP 仅能用于可逆过程。

［ × ］对于理想溶液，混合过程的所有性质变化均为零。

［ ○ ］理想气体经绝热压缩后再冷却至初始温度，即使该过程不可逆，其取走的热量也等于压缩机所做的功（忽略流体动能与位能的变化）。

［ × ］混合物中组分的逸度系数值与其标准态的选取有关。 ［ ○ ］理想气体的混合物是理想溶液，符合Lewis-Randall 规则。 ［ ○ ］无论液态水的温度高于或低于环境温度，其值都大于零。

［ ○ ］化学反应平衡常数K 与压力无关。 [注] 用 √ 表示正确者暂不扣分

二、（5⨯3=15分）简答题（简明扼要，写在以下空白处） 1. 在热力学中为何要引入混合规则？列出两种常见的混合规则。

【解】将混合物视为虚拟纯物质，就可以沿用纯物质的状态方程，而其虚拟参数与组成有关，需要通过混合规则实现。（点出虚拟纯物质，语意通顺者给3分）

常见的混合规则如：m i j ij i

j

a y y a =∑∑，m i i i

b y b =∑（每项给1分，可不限于上述形式，为组

成和纯物质参数的函数即可。答Kay 规则中方程亦可。）

2. 下图示意了纯组分体系沿等压线发生汽液相变时的V-T 图，试画出对应的G-T 示意图，

注意斜率的正负与相对大小，并说明你的根据。

【解】图形正确并标出如下特征者给5分（特点1给1分，2-3各2分，未正确说明根据者扣1-2分；未标出特点4者不扣分，）： 1. 沸点处G 相等, （G l =G v ）

2. G 对T 的斜率为负，（0p

G S T ∂⎛⎫

=-< ⎪∂⎝⎭）

3. G 对T 的斜率气相较液相更陡, （在沸点处有：0v l

v l H H S S T

--=

>） 4. G 曲线为凸, （220p p

C G S

T T T ⎛⎫∂∂⎛⎫

=-=-< ⎪

⎪

∂∂⎝⎭

⎝⎭）

3. 绘制具有最低共沸压力的二元体系的汽液平衡T-x-y 相图。注意标出汽相区和液相区，并

说明该体系相对拉乌尔定律具有正偏差还是负偏差？

【解】因体系具有最低共沸压力，体

系压力低于对应理想溶液的压力，因此为负偏差。（2分，未说明原因者暂不扣分）

正确绘图给3分。画成最低共沸温度

或p-x-y 图（但图形正确）者扣2分。 未标注坐标、汽液区域、泡点/露点线者酌情扣不超过1分。

三、（20分）分析计算题

如下图所示的海水淡化装置，整个系统由等熵效率为75%的压缩机提供动力；忽略热交换器的热损失，而每生产1kg 纯水，蒸发器热损失为1.7kJ .

T

x 1,y 1

T,y 1

T,x 1

li

vap

T

T b

T

T b

现已知图示各状态点的数据如下：

点状态盐, ％

质量

T

℃

P

bar

流率m

kg/s

H

kJ/kg

S

kJ/kg/K

1 液体 3.45 25 1 2.0715 99.65 0.3342

2 液体 3.45 93.86 1 2.0715 376.6 1.1689

3 饱和液体 6.67 100.7 1 1.0715 388.1 1.2010

4 液体 6.67 38.4 1 1.071

5 146.2 0.4618

5 蒸汽0 100.7 1 1 2677.

6 7.3655

6 蒸汽0 159.2 1.6 1 2790.4 7.4319

7 饱和液体0 113.3 1.6 1 475.4 1.4550

8 液体0 38.4 1.6 1 160.9 0.5504

1) 在T-S图上示意5→6→7→8的过程线，并标出5、6、7和8各状态点在图中的位置.

2) 写出整个系统的平衡方程，并判断那些设备存在损失？

3）计算生产1kg纯水总的损失，以及整个过程的目的效率.（环境温度298.15K）【解】1) (10分) 状态5-8均为纯水，因此对应水的T-S图：

6、7、8状态点各2分，5状态点3分（详后），6→7过程1分；示意图不要求数值比例，但各点温度和熵的相对大小和饱和关系要正确示出。5→6为熵增加，因此S6>S5，标成等熵或熵减小者扣1分；7为饱和液体，明显偏离者不给分；8十分接近饱和液体，标在饱和液相处不扣分。题中状态点5是对应盐水的饱和蒸汽，对纯水应过热0.7℃，因此该点不应落在饱和线上，正确示出状态5这一特点并说明理由者给3分，标在饱和线上或未作任何说明者给2分。

2) (6分) 取整个系统作为控制体积，据题意知压缩机有功输入，蒸发器有热损失，则其㶲平衡方程为：m1ε1 - m4ε4 - m8ε8 - (1-T0/T)|Q| + |W s| - mI int = 0

（项目2分，正负号1分，部分错误扣1分。未加绝对值者暂不扣分。正确写出一般化平衡方程未针对本系统展开者给2分。）

只有等熵过程才没有㶲损失，显然该系统中三个设备都有㶲损失。（3*1分）

3) (4分) 对蒸发器，为便于分析，选则控制体积的界面，使得其为温度为T 0，即散热在环境温度下进行，T=T 0, 根据上述㶲平衡方程得： mI int = |W s | + (m 1ε1 - m 4ε4 - m 8ε8)

根据㶲的定义ε = H-H 0-T 0(S-S 0) = H-T 0S - (H 0-T 0S 0) 一旦选定环境，(H 0-T 0S 0)为常数，结合质量平衡方程 m 1 - m 4 - m 8 = 0

得：(m 1ε1 - m 4ε4 - m 8ε8) = m 1(H 1-T 0S 1) - m 4(H 4-T 0S 4) - m 8(H 8-T 0S 8) = 2.0715*0.00827-1.0715*8.5143-1*(-3.20176)

= -5.904 kW （1分）

该值为负说明海水淡化后㶲值升高，故实现该过程需要从外界输入功，其极小值即为理想功，即5.9 kW.

以压缩机为控制体积可计算功：

|W s | = m 6H 6 - m 5H 5 = 1*(2790.4-2677.6) = 112.8 kW （1分） 则mI int = 112.8 - 5.9 = 106.9 kW （1分）

该过程目的为海水淡化，输入㶲为压缩机的功，因此目的㶲效率为

T 5

T 7 T 6

T 8