天津工业大学2012-2013学年1 学期化工专业化工热力学课程期末试卷入一、 判断题（2X10=20分）得分1、熵增原理的表达式为：A5 0 （X ）2、3、二阶舍项维里方程可用于计算纯物质的逸度系数（”）RK方程中，常数a,b的混合规则分别为aM =ya（ x ）i4、无论以Henry定律为基准，还是以Lewis-Randall规则为基准定义活度，活度和 逸度的值不变。（X ）5、不可逆过程一定是自发的，自发过程一定是不可逆的。（X）6、当压力大于临界压力时，纯物质就以液态存在。（X ）7、一定压力下，纯物质的泡点温度和露点温度是相同的，且等于沸点。（”）8、在T-S图上，空气和水蒸气一样，在两相区内，等压线和等温线是重合的。（X ）9、剩余性质是指理想混合物与同温同压和相同组成的真实混合物的摩尔性质之差， 即 Me = Mid - M 。（X） 10、理想溶液各组分的活度系数丫和活度为1。（ X ）二、名词解释18分得分1. （3分）偏心因子：3=log（p）T_07 -1.00 , （2 分）反映物质分子形状和物质极性大小的量度。（1分）2. （3分）对比态原理：一种物质的物性参数是和它的状态（如温度、压力等）有关的。当不同物质在所处状态 下的Tr, pr, *相同时，则称这些物质所处的状态相同（处于对应状态）。当以对比值 来表示这些参数时，认为它们之间具有相同的函数关系。（3分）3. （4分）逆向现象：逆向现象（包括逆向冷凝和逆向蒸发）是高压汽液相平衡的特殊现象。其产生区域： 并不是在全部高压相平衡区域内出现，而在小部分区域出现；产生原因：混合物临界 点不是最高温度点和最高压力点；产生条件：由于等温线或等压线与露点线或泡点线 两次相交。（4分）4. （3分）偏摩尔性质：凡=肾 L, p %.,在T、P和其它组分量当均不变情况下，向无限多的溶液中加入1mol的组分i所引起的一 系列热力学性质的变化。5. （3分）超额性质：是指真实混合物与同温同压和相同组成的理想混合物的摩尔广度性质之差，即：Me = M - Mid（3 分）6. （3分）理想混合物：（1）分子结构相似，分子之间作用力相等，分子体积相等（2）混合时没有热效应（3）混合时没有体积效应（4）符合 Lewis-randall 规则三、简答题：总分20分得分 1.（5分）写出稳定流动系统热力学第一定律的一般形式及其四种简化形式。答：（1）稳定流动系统的热力学第一定律表达式为：AH +1 Au 2 + gAz = Q + W （1 分）2s 八（2）流体流经泵、压缩机、透平等设备在数量级的角度上，动能项和势能项不能与焓变相比较，可以忽略，即1 Au2 R 0，gAz R 0；即：AH = Q + W 若这些设备可视为与环境绝热，或传热2 s量与所做功的数值相比可忽略不计，那么进一步可化简为：AH = Ws（1分）（3）流体流经换热器、反应器等传质设备W =0；另外，考虑动能项和势能项与焓变之间的数量级差别，动能项和势能项 s可以忽略，即1 Au2 R 0，gAz R 0；因此，稳流系统热力学第一定律可化简为：（4）流体通过节流阀门或多孔塞，AH = 0（5）流体通过喷管获得高速气体AH = -1 Ar 22AH = Q（1 分）如节流膨胀过程或绝热闪蒸过程（1分）（超音速），或者通过扩压管（1分）2. （5分）为什么K值法可以用于烃类混合物的汽液平衡计算？并用文字或框图简述其用于露点计算的过程。p叩邛expi i iV（p 一 p；）-RT烃类系统的混合物答：根据相平衡关系式:接近理想混合物，Y i = 1同时根据Lewis-Randall规则，对于理想混合物有S =甲，i i另外，石油化工涉及的汽液平衡绝大多数压力不太高，因此，有：k = X =坐， ii可见，烃类系统的K值仅与T，p有关，而与组成乃，X,.无关，可根据T，p在德-普列斯特（De-Priester）的p-T-K图上查出K的数值。（2分）（2）K值法用于露点计算的框图及注意事项（3分）调整T （或p）Z片1 所设温度偏低（或压力偏高）Z斗1 所设温度偏高（或压力偏低）K-3. （5分）活度系数模型的种类及其适用范围。答：活度系数模型有正规溶液模型、无热混合物模型、随机溶液模型和局部组成型活度系数模型。（1分）各活度系数模型的适用范围：1）正规溶液模型适用于分子大小和形状相似的组分组成的正偏差物系。（1分）2）无热混合物模型适用于组分之间的相互作用力相近的体系，如高聚物与其单体 组成的溶液。（1分）3）随机溶液模型只适用于二元体系的计算，对于那些分子间作用力相差太大，特别是多组元复杂混合物的计算使用受到限制。（1分）4）局部组成型活度系数模型可用于多元体系的计算，其中Wilson活度系数方程 不适用于液液分层体系的计算，而NRTL方程没有此限制。（1分）4, 写出局部组成的概念及Wilson方程和NRTL方程的优缺点。（5分）答：局部组成：混合物中的不同组分i物质和j物质，由于分子间的相互作用 力不同，同种分子间的作用力与异类分子间的相互作用力的大小不同，因此， 在某一局部，某种分子周围的组成与混合物中的总体组成有所不同。这种局 部的浓度就叫做局部组成。（3分）Wilson活度系数方程不适用于液液分层体系的计算，而NRTL方程没有此限 制，但该方程是3参数的活度系数方程，略复杂。（2分）四、计算题：42分得分 1.（13分）某二组元液体混合物在恒定T及p下的焓可用下式表示：H = 300气 + 450x2 + % %（25气 +10 x 2）式中H单位为J mol-1。试确定在该温度、压力状态下（1）用表示的H和H2；（2）纯组分焓H1和H2的数值；（3）无限稀释下液体的偏摩尔焓H-和H-的数值。解：（1）因 H = 300x + 450x + xx （25x +10x ）（A）121212且气=1 - x 2故 H = 300x + 450x + x x （25x +10x ）121212=300x + 450（1 - x ） + x （1 - x ）25x +10（1 - x ）111111=450-140x1 + 5x：-15x;（B）（1 分）根据 H - H + （1 - x ）（）1 dx TPiH2= H - X1（若）TP1其中（咀）=-140 +10x - 45x2（2 分）dx t .p111则：H = 450 -140气 + 5x2 -15x3 + （1 -气）（-140 +10气-45x：）=310 +10气-50x2 + 30x3（C）（2 分）H2 = 450 -140气 + 5x2 -15x3 -气（-140 +10气-45x;）=450 - 5x2 + 30x3（D）（2 分）（2）将气=1及气=0分别代入式（B）,得纯组元的H1和H2H1 = 300J-mol-1（2 分）H2 = 450J - mo1 -1（2 分）H1和H是指在x1 = 0及x=】时的H1和H2的极限值。将x1=0代入式（0中得Hr = 310J-mol-1（2 分）将x1=1代入式（D）中得H 2= 475J -mo1 -1（2 分）2. （14分）高压水蒸气作为动力源，可驱动透平机做功。753K, 1520kPa的过热蒸汽进入透平机，在推动透平机做功的同时，每kg蒸汽向环境散热7.1kJ。环境温度 293K。由于过程不可逆，实际输出的功等于可逆绝热膨胀时轴功的85%。做功后，排出的乏汽为71kPa。求此过程的（1）理想功（2）损失功（3）热力学效率已知：753K，1520kPa过热蒸汽性质：气=3426.7kJ/kg、= 7.5182J/kg可逆绝热膨胀后的焓值：H=2663.1kJ/kg实际膨胀后的熵值：S2 = 7.7735kJ/ kg解：计算相同的始末状态下，可逆绝热膨胀过程的轴功Ws,revW= AH = H2 - H1 = 2663.1 - 3426.7 = -763.6kJ /kg （2 分）实际过程的输出功为：W = 85%W=-649.1kJ /kg （2 分）由于同时向环境散热，根据热力学第一定律，实际过程的焓变为：AH = Q + W =-7.1 - 649.1 = 656.2kJ/kg （2 分）水蒸气系统的熵变为：AS = S2 - = 7.7735-7.5182 = 0.2553kJ kg-1 K-1（2 分）损失功：、=TAS - Q = 293x0.2553- （-7.1） = 81.9kJ kg-1（2 分）理想功：W = W 、= -656.2 293 x 0.2553 = -730.0kJ kg -1（2 分）该过程的热力学效率 门t匕=冬=88.8%（2 分）W - 731.0idGe3. （15分）乙醇（1）-氯苯（2）二元汽液平衡体系在80C时，有rt = 2.2气x2问该体系可否在80C下出现共沸？如果可以，试求共沸压力和相应的共沸组成，并 确定该体系为最高压力共沸还是最低压力共沸？已知两组分的饱和蒸汽压表达式分别如下:解：按照题意，根据lnyi（ lglg=7.23710 -1592-864t/ C + 226.184=6.07963 -如45t / C + 216.633首先计算80C时两物质的饱和蒸汽压，得ps = 108.34kPa1ps = 19.76kPa2（1分）Ge得RTln y1GeRTIn y2GeGx）d Ge/ 鬲）1 dx1dGE /（RT）（A）RTdx1（B）（2分）Ge将RT表达式化简，得Ge （C）（1分）=2.2x 一 2.2x2RT 1将式（0代入（A）、得In y = 2.2 x 212（D）（1分）Iny 2 = 2.2x2 0假设该汽液平衡属于低压汽液平衡，则汽液平衡符合（i = 1,2 ）(E)py = ps y x .（2分）若有恒沸现象，则在恒沸点处y广=x广，于是上一步可以进一步写成p = p；y a(F)p = psy az2 2即叩广P 2y 2（2分）In y az - ln y az + ln ps - ln p 2 = 02121将值代入，得、/ 、 19.76 八2.2Xaz )2 一 (xaz )24 In 108 34 = 0Xaz Xaz = 0.7735所以xaz = 0.887 Xg = 0.113(2 分)（2分）表明该体系的确存在共沸现象，共沸组成出现在xz = 0.887处。由于lny 1 0， lny 2 0，于是该共沸是最高压力共沸的