化工热力学复习题及答案

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化工热力学复习题及答案
《化工热力学》课程模拟考试试卷 A
开课学院:化工学院,专业:材料化学工程 考试形式: ,所需时间: 分钟 考生姓名: 学号: 班级: 任课教师: 题 序 一
二 三
总分
1 2
3
4
5
1
2
得 分 评卷人
题对的写T ,错的写F)
1.理想气体的压缩因子1Z =,但由于分子间相互作用力的存在,实际气体的压缩因子 。

(A) 小于1 (B) 大于1 (C) 可能小于1也可能大于1 (D) 说不清楚 2.甲烷c 4.599MPa p =,处在r 0.3p =时,甲烷的压力为 。

(A) 15.33MPa (B) 2.7594 MPa ; (C) 1.3797 MPa (D) 1.1746 MPa 3.关于建立状态方程的作用,以下叙述不正确的是 。

(A) 可以解决由于实验的p -V -T 数据有限无法全面了解流体p -V -T 行为的问题。

(B) 可以解决实验的p -V -T 数据精确度不高的问题。

(C) 可以从容易获得的物性数据(p 、V 、T 、x )来推算较难测定的数据(H ,U ,S ,
G )。

(D) 可以解决由于p -V -T 数据离散不便于求导和积分,无法获得数据点以外的
p -V -T 的问题。

4.对于流体混合物,下面式子错误的是 。

(A)
lim i i i
x M M ∞→=(B)i i i H U pV =+
(C) 理想溶液的i i V V =,i i U U = (D) 理想溶液的i i S S =,i i G G =
5.剩余性质R
M 的概念是表示什么差别的 。

(A) 真实溶液与理想溶液 (B) 理想气体与真实气体 (C) 浓度与活度 (D) 压力与逸度
6.纯物质在临界点处的状态,通常都是 。

(A) 气体状态 (B) 液体状态 (C) 固体状态
(D) 气液不分状态
7.关于化工热力学研究内容,下列说法中不正确的是( )。

1.试用普遍化Virial 方程计算丙烷气体在378K 、0.507MPa 下的剩余焓和剩余熵。

已知丙烷的物性参数为:c 369.8K T =、c 4.246MPa p =、0.152ω=。

剩余焓与剩余熵的计算公式为:
R (0)(0)(1)(1)r r r r r d d d d H B B B B p RT T T T T ω⎡⎤⎛⎫⎛⎫=-+-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦;R (0)(1)r r r d d d d S B B p R T T ω⎡⎤=-+⎢⎥⎣⎦
其中:(0) 1.6r 0.4220.083B T =-
; (1)
4.2r 0.1720.139B T =-
,r T 、r p 分别为对比温度
和对比压力。

2.在473K 、5MPa 下二元气体混合物的逸度系数满足下列关系:
()122ln 1y y y ϕ=+,式中1y ,2y 为组分1和组分2的摩尔分率,试求1ˆf 、2ˆf 的表达式,并求出当10.5y =时的1ˆf 、2ˆ
f 各为多少? 已知:[],,ˆ(ln )ˆln ln j i i i i i T p n
f
n py n ϕϕ⎡⎤∂==⎢⎥
∂⎣⎦。

3.已知环己烷(1)-苯酚(2)二元系统在144℃的气液平衡形成恒沸物,恒沸物组
成az az 110.294x y ==。

已知144℃时物质的饱和蒸气压s 175.20kPa p =,s 231.66kPa p =。

该溶液的过量Gibbs 函数E G 与组成的关系为E 12G RT Bx x =,
其中B 仅是温度的函数。

求该二元系在10.6x =时的平衡压力及气相组成,假设气相近似为理想气体。

已知:①活度系数与过量偏摩尔Gibbs 函数之间的关系
为()[]
E ,,ln j i i i T p n nG RT n γ⎡⎤
∂⎢
⎥=∂⎢⎥⎣⎦;②汽液相平衡关系符合关系式s s
111222p p x p x γγ=+。

4.某冷冻装置每小时必需获得冷冻量
5-10 4.1810kJ h Q =⨯⋅,它采用氨蒸汽压缩制冷循
环。

该循环的运行如下图所示,并已知各关键点
的焓值为-111450kJ kg H =⋅,-1
21570kJ kg H =⋅,
-134405kJ kg H H ==⋅,试求该制冷循环中每kg 氨
的冷冻能力0q ,氨的循环速率-1
/kg h m ⋅,压缩机
所需的功-1
s /kJ h W ⋅,制冷系数ξ。

已知制冷系数
为()0s Q W ξ=-
T
S
1
2
3
4
题二、4小题附图
5.在温度308K 下的PS-环己烷Θ溶剂,当溶液浓度为3-1
7.3610kg L c -=⨯⋅,其渗透压为4.3Pa ,试根据Flory-Huggins 溶液理论求此溶液的第二Virial 系数*2B 、
Flory-Huggins 相互作用参数χ、PS 的PS δ和PS 的分子量n M 。

已知Virial 方程为
(
)*
21n RT M B c
π=+,相互作用参数与溶解度参数的关系为
21
12()V RT χδδ=
-,()123116.7J cm δ-=⋅,环己烷的摩尔体积为3-11108cm mol V =⋅。

三、简答题(10分,每小题5分)
①何为高分子理想溶液?试比较小分子理想溶液与高分子理想溶液的不同点。

②可用Flory-Huggins 相互作用参数χ和第二Virial 系数*2B 来判断溶剂优劣试问
它们分别为何值时,溶剂是高分子化合物的良溶剂、θ溶剂、非溶剂以及高分子在上述三种溶液中的热力学特征和形态是怎样的?
《化工热力学》课程模拟考试试卷 A(答案)
开课学院:化工学院,专业:材料化学工程 考试形式: ,所需时间: 分钟考生姓名: 学号: 班级: 任课教师: 题 序 一
二 三
总分
1 2
3
4
5
1
2
得 分 评卷人
题对的写T ,错的写F)
1.理想气体的压缩因子1Z =,但由于分子间相互作用力的存在,实际气体的压缩因子 (C) 。

(A) 小于1 (B) 大于1 (C) 可能小于1也可能大于1 (D) 说不清楚 2.甲烷c 4.599MPa p =,处在r 0.3p =时,甲烷的压力为 (C) 。

(A) 15.33MPa (B) 2.7594 MPa ; (C) 1.3797 MPa (D) 1.1746 MPa 3.关于建立状态方程的作用,以下叙述不正确的是 (B) 。

(A) 可以解决由于实验的p -V -T 数据有限无法全面了解流体p -V -T 行为的问题。

(B) 可以解决实验的p -V -T 数据精确度不高的问题。

(C) 可以从容易获得的物性数据(p 、V 、T 、x )来推算较难测定的数据(H ,U ,S ,
G )。

(D) 可以解决由于p -V -T 数据离散不便于求导和积分,无法获得数据点以外的
p -V -T 的问题。

4.对于流体混合物,下面式子错误的是 (D) 。

(A)
lim i i i
x M M ∞→=(B)i i i H U pV =+
(C) 理想溶液的i i V V =,i i U U = (D) 理想溶液的i i S S =,i i G G =
5.剩余性质R
M 的概念是表示什么差别的 (B) 。

(A) 真实溶液与理想溶液 (B) 理想气体与真实气体 (C) 浓度与活度 (D) 压力与逸度
6.纯物质在临界点处的状态,通常都是 (D) 。

(A) 气体状态 (B) 液体状态 (C) 固体状态
(D) 气液不分状态
7.关于化工热力学研究内容,下列说法中不正确的是( B )。

(A) 判断新工艺的可行性 (B) 反应速率预测 (C) 化工过程能量分析
(D) 相平衡研究
8.对单位质量,定组成的均相流体系统,在非流动条件下有 (A) 。

(A) d = d + d H T S V p (B) d = d + d H S T V p (C) d =d + d H S T V p -(D) d = d d H T S V p --
9.对1mol 符合Van der Waals 状态方程的气体,有 (A) 。

(A) T S R V V b ∂⎛⎫= ⎪∂-⎝⎭(B) T S R V V b ∂⎛⎫=- ⎪∂-⎝⎭ (C)
T S R V V b ∂⎛⎫
= ⎪∂+⎝⎭(D) T S p V b V ∂⎛⎫
= ⎪
∂-⎝⎭
10.汽液平衡关系
s
i i i i py p x γ=的适用的条件___(B) _。

(A) 无限制条件 (B) 低压条件下的非理想液相 (C) 理想气体和理想溶液
(D) 理想溶液和非理想气体
11.在Θ条件下,高分子溶液中溶剂的热力学性质为零的是 (C) 。

(A) 过量偏摩尔混合热E
1H ∆ (B) 过量偏摩尔混合热E
1S ∆ (C) 过量化学位1E
μ∆
(D) 过量偏摩尔热力学能E
1U ∆ 12.在Θ条件下,高分子溶液的Flory-Huggins 相互作用参数χ为 (D) 。

(A) χ>0 (B) χ<0 (C ) χ=0
(D) χ=1/2
13.当物体的温度大于其临界温度、压力大于其临界压力时,该物体所处的状
态称为超临界流体。

( T )
14.若忽略动能或位能的变化,稳流过程的能量平衡式为:s H Q W ∆=-,则该式
对可逆与不可逆过程均适用。

( T ) 15.工程上,制冷循环的实际轴功可按下式计算:2
1s d p p W V p
-=⎰。

( F )
16.对绝热混合过程,物系熵变
sys 0
S ∆>。

( T )
17.物系状态变化时所具有的最大作功能力称为理想功,它的数值大小与环境
状态无关。

( F )
18.理想溶液i γ= 1 ,ˆi f = i i f x Θ。

19.对二元溶液,溶液性质M 与其组份的偏摩尔性质1M 和2M 之间的关系为
1212M x M x M =+。

20.节流过程为 等焓 过程。

可逆绝热压缩(膨胀)过程为 等熵 过程。

二、计算题(50分,共5小题,每小题10分)
1.试用普遍化Virial 方程计算丙烷气体在378K 、0.507MPa 下的剩余焓和剩余熵。

已知丙烷的物性参数为:c 369.8K T =、c 4.246MPa p =、0.152ω=。

剩余焓与剩余熵的计算公式为:
R (0)(0)(1)(1)r r r r r d d d d H B B B B p RT T T T T ω⎡⎤⎛⎫⎛⎫=-+-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦;
R (0)(1)r r r d d d d S B B p R T T ω⎡⎤
=-+⎢⎥⎣⎦ 其中:(0) 1.6r 0.4220.083B T =-
; (1)
4.2r 0.1720.139B T =-
,r T 、r p 分别为对比温度
和对比压力。

解:r c 378369.8 1.022
T T T ===,r
c 0.5074.2460.119
p
p p ===
(0) 1.6 1.6
r 0.4220.4220.0830.0830.3251.022
B T =-
=-=- (1) 4.2 4.2
r 0.1720.172
0.1390.1390.0181.022B T =-
=-=-
(0) 2.6 2.6
r r d 0.6750.675
0.638d 1.022
B T T ===,
(1) 5.2 5.2
r r d 0.7220.722
0.645d 1.022
B T T ===
R
(0)(0)(1)(1)r r
r r r d d d d 0.3250.0180.1190.6380.1520.6450.126
1.022 1.022r H B B B B p RT T T T T ω⎡⎤⎛⎫⎛⎫=-+-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎡⎤
⎛⎫--⎛⎫=⨯-+⨯-=-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝
⎭⎣⎦
()
R -10.1260.1268.314378396J mol H RT =-=-⨯⨯=-⋅
[]R (0)(1)r r
r d d 0.1190.6380.152(0.645)0.088d d S B B p R T T ω⎡⎤
=-+=-⨯-+⨯-=-⎢⎥⎣⎦
()R -11
0.0880.0888.3140.732J mol S R K -=-=-⨯=-⋅⋅
2.在473K 、5MPa 下二元气体混合物的逸度系数满足下列关系:
()122ln 1y y y ϕ=+,式中1y ,2y 为组分1和组分2的摩尔分率,试求1ˆf 、2ˆf 的表达式,并求出当10.5y =时的1ˆf 、2ˆf 各为多少?已知:[],,(ln )ˆln j i i i T p n n n ϕϕ⎡⎤
∂=⎢⎥
∂⎣⎦。

解:
12
22ln ()n n n n n n ϕ=
+,则:
23
121,,(ln )ˆln 2T p n n y n ϕϕ⎡⎤∂==⎢⎥∂⎣⎦,1
22122,,(ln )ˆln (12)T p n n y y n ϕϕ⎡⎤∂==+⎢⎥
∂⎣⎦
又ˆˆ1,2)i i i f
i py ϕ==,(,因此3
2211ˆy f py e =,212(12)22ˆy y f py e +=
当p =5MPa ,120.5y y ==时,()3
32
220.51
1ˆ50.5 3.21MPa y f py e e ⨯==⨯⨯= ()2212(12)0.5(120.5)22ˆ50.5 4.122MPa y y f py e e +⨯+⨯==⨯⨯=
3.已知环己烷(1)-苯酚(2)二元系统在144℃的气液平衡形成恒沸物,恒沸物组
成az az 110.294x y ==。

已知144℃时物质的饱和蒸气压
s
175.20kPa p =,s 231.66kPa p =。

该溶液的过量Gibbs 函数E G 与组成的关系为E 12G RT Bx x =,
其中B 仅是温度的函数。

求该二元系在10.6x =时的平衡压力及气相组成,假设气相近似为理想气体。

已知:①活度系数与过量偏摩尔Gibbs 函数之间的关系

()[]
E ,,ln j i i i T p n nG RT n γ⎡⎤
∂⎢
⎥=∂⎢⎥⎣⎦;②汽液相平衡关系符合关系式s s
111222p p x p x γγ=+。

解:E
12
n n nG B RT
n =,则: 2E 2
121,,(/)ln T p n nG RT Bx n γ⎡⎤∂==⎢⎥∂⎣⎦,1
2212,,(/)ln E T p n nG RT Bx n γ⎡⎤∂==⎢⎥
∂⎣⎦
由气液相平衡关系s i i i i py p x γ=及恒沸点关系az az i i x y =知:az s
12
az
s 21p p γγ=,代入数据得:
2
22131.66
()ln
75.20B x x -=,解得 2.1B =-
当10.4x =,
22
12ln 2.1 2.10.60.756x γ=-=-⨯=,10.47γ=;同理, 2221ln 2.1 2.10.40.336x γ=-=-⨯=-,20.715γ=
()s s 11122275.200.40.4731.660.60.71527.72kPa p p x p x γγ=+=⨯⨯+⨯⨯=
s
111175.200.40.470.510
27.72p x y p γ⨯⨯===
4.某冷冻装置每小时必需获得冷冻量
5-10 4.1810kJ h Q =⨯⋅,它采用氨蒸汽压缩制冷循
环。

该循环的运行如下图所示,并已知各关键点
的焓值为-111450kJ kg H =⋅,-1
21570kJ kg H =⋅,
-134405kJ kg H H ==⋅,试求该制冷循环中每kg 氨
的冷冻能力0q ,氨的循环速率-1
/kg h m ⋅,压缩机
所需的功-1
s /kJ h W ⋅,制冷系数ξ。

已知制冷系数
为()0s Q W ξ=-
解:()
5
-1
014 4.1810400kg h 1450405Q m H H ⨯===⋅--
(
)-1
0141045kJ kg q H H =-=⋅
()
-1s 21()400(15701450)48000kJ h W m H H -=-=⨯-=⋅
()
5
0s 4.18108.71
48000Q W ξ⨯===-
5.在温度308K 下的PS-环己烷Θ溶剂,当溶液浓度为3-1
7.3610kg L c -=⨯⋅,其渗透压为4.3Pa ,试根据Flory-Huggins 溶液理论求此溶液的第二Virial 系数*
2B 、
Flory-Huggins 相互作用参数χ、PS 的PS δ和PS 的分子量n M 。

已知Virial 方程为
(
)*
21n RT M B c
π=+,相互作用参数与溶解度参数的关系为
21
12()V RT χδδ=
-,()123116.7J cm δ-=⋅,环己烷的摩尔体积为3-1
1108cm mol V =⋅。

解:
(
)*
21n c RT M B c
π=+,因为环己烷是PS 的θ溶剂,因此*
2
0B
=,12χ=。

36
8.314103087.36
4.383104.3n M RTc ⨯⨯⨯===⨯
根据2112()V
RT χδδ=-,已知312
1
16.7(J cm )δ-=⋅,而3-11108cm mol V =⋅,因此-312
PS 2118.3143080.5
16.713.3(J cm )108RT V χδδδ⨯⨯====⋅
三、简答题(10分,每小题5分):
T
S
1
2
3
4
题二、4小题附图
①何为高分子理想溶液?试比较小分子理想溶液与高分子理想溶液的不同点。

解答:在Θ温度下,高分子溶液的过量化学位为零,是高分子理想溶液。

亦即Θ溶液的情况,此时高分子“链段”间与高分子“链段”与溶剂分子间的相互作用抵消,高分子处于无扰状态,排斥体积为零。

对于小分子溶液:E 0H H =∆=,E id 0S S S =∆-∆=,E id
0G G G =∆-∆=
对于高分子溶液:E E E 0G H T S =∆-∆=,但E 0H ≠,E
0S ≠。

②可用Flory-Huggins 相互作用参数χ和第二Virial 系数*2B 来判断溶剂优劣试问
它们分别为何值时,溶剂是高分子化合物的良溶剂、Θ溶剂、非溶剂以及高分子在上述三种溶液中的热力学特征和形态是怎样的? 解答:
良溶剂
Θ溶剂
非良溶剂
χ
12< 12= 12> *2
B
>0
=0
<0
高分子状态
高分子链扩张
高分子链为自然状态
高分子紧缩析出。

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