天津工業大學2012-2013學年1學期

化工專業化工熱力學課程期末試卷入一、判斷題（2X10=20分）得分[ ]1、熵增原理的表達式為：A5>0（X）2、3、二階舍項維里方程可用于計算純物質的逸度系數2、3、RK方程中，常數a,b的混合規則分別為aM=^ya （x）i4、無論以Henry定律為基準，還是以Lewis-Randall規則為基準定義活度，活度和逸度的值不變。（X）5、 不可逆過程一定是自發的，自發過程一定是不可逆的。（X）6、 當壓力大于臨界壓力時，純物質就以液態存在。（X）7、 一定壓力下，純物質的泡點溫度和露點溫度是相同的，且等于沸點。（”）8、 在T-S圖上，空氣和水蒸氣一樣，在兩相區內，等壓線和等溫線是重合的。（X）9、 剩余性質是指理想混合物與同溫同壓和相同組成的真實混合物的摩爾性質之差，即Me=Mid-M。（X）10、理想溶液各組分的活度系數丫和活度為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）反映物質分子形狀和物質極性大小的量度。（1分）（3分）對比態原理：一種物質的物性參數是和它的狀態（如溫度、壓力等）有關的。當不同物質在所處狀態下的Tr,pr,*相同時，則稱這些物質所處的狀態相同（處于對應狀態）。當以對比值來表示這些參數時，認為它們之間具有相同的函數關系。（3分）（4分）逆向現象：逆向現象（包括逆向冷凝和逆向蒸發）是高壓汽液相平衡的特殊現象。其產生區域：并不是在全部高壓相平衡區域內出現，而在小部分區域出現；產生原因：混合物臨界點不是最高溫度點和最高壓力點；產生條件：由于等溫線或等壓線與露點線或泡點線兩次相交。（4分）（3分）偏摩爾性質：凡=［腎L,p%.,在T、P和其它組分量當均不變情況下，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性質的變化。（3分）超額性質：是指真實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之差，即：

Me=M-Mid （3分）（3分）理想混合物：（1） 分子結構相似，分子之間作用力相等，分子體積相等（2） 混合時沒有熱效應（3） 混合時沒有體積效應（4） 符合Lewis-randall規則三、簡答題：總分［20分］得分［］1. （5分）寫出穩定流動系統熱力學第一定律的一般形式及其四種簡化形式。答：（1）穩定流動系統的熱力學第一定律表達式為：AH+1Au2+gAz=Q+W（1分）2 s八（2） 流體流經泵、壓縮機、透平等設備在數量級的角度上，動能項和勢能項不能與焓變相比較，可以忽略，即Au2R0，gAzR0；即：AH=Q+W若這些設備可視為與環境絕熱，或傳熱s量與所做功的數值相比可忽略不計，那么進一步可化簡為：AH=Ws（1分）（3） 流體流經換熱器、反應器等傳質設備W=0；另外，考慮動能項和勢能項與焓變之間的數量級差別，動能項和勢能項s可以忽略，即1Au2R0，gAzR0；因此，穩流系統熱力學第一定律可化簡為：（4） 流體通過節流閥門或多孔塞，AH=0（5（4） 流體通過節流閥門或多孔塞，AH=0（5） 流體通過噴管獲得高速氣體AH=-1Ar22如節流膨脹過程或絕熱閃蒸過程（1分）（超音速），或者通過擴壓管（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算？并用文字或框圖簡述其用于露點計算的過程。p叩邛p叩邛expiiiV（p一p；）-RT烴類系統的混合物答：根據相平衡關系式:烴類系統的混合物接近理想混合物，Yi=1同時根據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壓力不太高，因此，有：k=X=』坐，i i可見，烴類系統的K值僅與T，p有關，而與組成乃，X,.無關，可根據T，p在德-普列斯特（De-Priester）的p-T-K圖上查出K的數值。（2分）（2）K值法用于露點計算的框圖及注意事項（3分）調整T（或p）Z片＞1所設溫度偏低（或壓力偏高）Z斗＜1所設溫度偏高（或壓力偏低）K-（5分）活度系數模型的種類及其適用范圍。答：活度系數模型有正規溶液模型、無熱混合物模型、隨機溶液模型和局部組成型活度系數模型。（1分）各活度系數模型的適用范圍：1） 正規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） 隨機溶液模型只適用于二元體系的計算，對于那些分子間作用力相差太大，特別是多組元復雜混合物的計算使用受到限制。（1分）4）局部組成型活度系數模型可用于多元體系的計算，其中Wilson活度系數方程不適用于液液分層體系的計算，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方程的優缺點。（5分）答：局部組成：混合物中的不同組分i物質和j物質，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活度系數方程不適用于液液分層體系的計算，而NRTL方程沒有此限制，但該方程是3參數的活度系數方程，略復雜。（2分）四、計算題：［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、壓力狀態下（1） 用％］表示的H］和H2；（2） 純組分焓H1和H2的數值；（3） 無限稀釋下液體的偏摩爾焓H-和H-的數值。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）高壓水蒸氣作為動力源，可驅動透平機做功。753K,1520kPa的過熱蒸汽進入透平機，在推動透平機做功的同時，每kg蒸汽向環境散熱7.1kJ。環境溫度293K。由于過程不可逆，實際輸出的功等于可逆絕熱膨脹時軸功的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） 熱力學效率已知：753K，1520kPa過熱蒸汽性質：氣=3426.7kJ/kg、=7.5182J/kg可逆絕熱膨脹后的焓值：H』=2663.1kJ/kg實際膨脹后的熵值：S2=7.7735kJ/kg解：計算相同的始末狀態下，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）實際過程的輸出功為：W=85%W =-649.1kJ/kg（2分）由于同時向環境散熱，根據熱力學第一定律，實際過程的焓變為：AH=Q+W=-7.1-649.1=—656.2kJ/kg（2分）水蒸氣系統的熵變為：AS=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）該過程的熱力學效率門t匕=冬=88.8%（2分）該過程的熱力學效率門tW-731.0id

Ge3.（15分）乙醇（1）-氯苯（2）二元汽液平衡體系在80°C時，有rt=2.2氣x2問該體系可否在80°C下出現共沸？如果可以，試求共沸壓力和相應的共沸組成，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式分別如下:解：按照題意，根據lnyi（lglg=7.23710- 1592-864t/C+226.184=6.07963-⑷如45解：按照題意，根據lnyi（lglg=7.23710- 1592-864t/C+226.184=6.07963-⑷如45t/°C+216.633首先計算80°C時兩物質的飽和蒸汽壓，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）若有恒沸現象，則在恒沸點處y廣=x廣，于是上一步可以進一步寫成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)（