1、第二篇 模拟试题与参考答案119化工热力学模拟试题(1)及参考答案一（共 18 分） 判断题（每题 3 分）1 纯物质的饱和液体的摩尔体积随着温度升高而增大，饱和蒸气的摩尔体积随着温度的升高而减小。 ( )2 若某系统在相同的始态和终态间，分别进行可逆与不可逆过程，则 。S不 可 逆 可 逆( )3 由三种不反应的化学物质组成的三相 pVT 系统，达平衡时，仅一个自由度。 ( )4 热量总是由 给出。 ( )TdS5 不可逆过程孤立系统的熵是增加的，但过程的有效能是减少的。 ( )6 物质的偏心因子 是由蒸气压定义的，因此 具有压力的单位。 ( )二（共 16 分） 简答题（每小题 8 分）1
2、 Virial 方程 211pVZBCpRT22如何证明： 2B(RT)2 水蒸气和液态水的混合物在 505K 下呈平衡态存在，如果已知该混合物的比容为，根据蒸气表的数据计算混合物的焓和熵。已知在该温度下的饱和水蒸气性质为：3-14cmg比容/ 3-1 焓/ -1Jg 熵/ -1JgK饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气1.2129 69.22 999.56 2803.96 2.6282 6.2004三（15 分） 用泵以 的速度把水从 45m 深的井底打到离地 10m 高的开口储槽中，1756kgh冬天为了防冻，在运送过程中用一加热器，将 的热量加到水中，整个系统散热-136
3、50kJh速度为 ，假设井水为 2，那么水进入水槽时，温度上升还是下降？其值若干？-1263J假设动能变化可忽略，泵的功率为 2 马力，其效率为 55（1 马力735W） （视为稳流系统） 。四（20 分） 一个 Rankine 循环蒸气动力装置的锅炉，供给 ，400的过热蒸气透20kPa平，其流量 ，乏气在 压力下排至冷凝器，假定透平是绝热可逆操作的，-1250kgh5kPa冷凝器出口为饱和液体，循环水泵将水打回锅炉也是绝热可逆，求：（1）透平所做的功？（2）水泵所做的功？（3）每千克蒸气从锅炉获得的热量？已知 2000kPa，400过热蒸气的热力学性质为： ， ；15kPa 压力下的乏气热
4、力学性质-1H942Jg. -1S72JgK.为：温度 / 比容/ 3-1cm 焓/ -1 熵/ -1JgK饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气53.91.0151 10117.2 225.57 2598.9 0.7536 8.0102五（14 分） 远程输送天然气采用压缩液化法，若天然气按甲烷计，现将 1kg 天然气自、27压缩到 ，并经级间冷却到 27，设压缩实际功率 ，21kgcm 268kgc 124kcalg120求级间冷却器应移走的热量，压缩过程的理想功、损耗功与热力学效率，设环境温度为27。已知甲烷的焓和熵数据如下：/P2kgcm /tH/ 1kcalgS/ 1k
5、calgK1 27 227.8 1.689068 27 211.8 1.1273六（17 分）纯液体 A 与 B 在 90时蒸气压力为 ， ，液相0SAPmHSBP70mH活度系数 ， ，气相为理想气体，问：（1）与 50(mol) A 及 50(mol) 2lnx2lxB 的液相混合物平衡的蒸气总压为多少？（2）能否生成共沸物？若能，恒沸组成、恒沸压力为多少？恒沸点是最高点还是最低点？参考答案一、 (1)T (2)F (3)F (4)F (5)T (6)F二、 1 将 代入式（1）得2RTBCP(1)V（3）222 RTBCZ=+C1)V1(1) 、将式（3）与式（2）比较同类项，得： ；=
6、1+RT、即 ； 得证BRT2C()2 查水蒸气表知：505K 下饱和蒸气性质： ；饱和液体性质：V-13H2804. kJgS6K.9 m L-13-H9.54 kJgS268KV0. m按题意，设饱和湿蒸气中气相分率为 x，则或 ，解得：VLx(1)0.40.62.01(x).41x.58则：-1H=(x)8595820. kJgS.3.7K三、 以单位质量流体为计算基准，则输入功率为： 11S(2.0)735W127.3Jkg2.7kJg6/.gZ9.8140.541tiQQ6Jh、1t527.kJgm6由热力学第一定律知：，所以水槽的温度是升高的，1sHWZ.98(2.73)0.549
7、.7kJg0又由于 ， ，代入得： ，解得P21C(T)1PkJgK 24.8(T)19.7121ST模拟试题(1)-试题四附图 2000kPa400VHLHS(6.58)。2T79.3K四、如附图所示，查水蒸气表知：点 1 ，1H4.6kJg 1S7.2kJgK点 2 对应的气相性质为： ， VH59V1S8.05kJgK点 3 液相性质： ， ，L1.4L1.749L310.4mkg为等熵膨胀过程，设点 2 的湿蒸气湿度为 x，则 ，即：11(x)S，解得：8.05x.749(1x)7.0.85点 4 L3HVP594.1(21)27.95kJg，即为水泵消耗的功。1S,pum40W()
8、40s6L 12x12.875.9(.8)3.8J 透平所作的功 S1250(H)(34.610.)67.kJ4Q37.6.95kJg五、 0TK依题意： 1SW2kcalg121H.87.6kcalg1390.5K由热力学第一定律知： ，SHQW1SQ1624kcalg 1id0T30(.567)2.5kcalgLiW5.49l六、(1) 当 时， ，因此：ABxABexp(0.).84SSP0.12871mHg(2) 假设生成恒沸物，则有 xy、根据气液平衡关系 (i=A、B)有： ，该式两边取对数得：SiiPSABP，即 ，解得 ，S2AABBPlnl1 102xln.3567Bx0.3
9、2，该混合物存在恒沸点。x10.678所以： ，2exp(3).092ep(.678).4SSABP16781.54031098.mHg122化工热力学模拟试题(2)及参考答案一（14 分） 根据下列甲烷和己烷的物理性质，可以得出液化石油气中的主要成份不可能是甲烷及己烷的结论。请问此结论正确否？并说明原因。 物质 , CT, atmCp, BT燃烧值, kJ/g甲烷 -82.62 45.36 -161.45 55.6正己烷 2344 29.80 68.75 48.4二（20 分） （1）气体由 20，2.0m 3（状态 1）经绝热过程到 150，1m 3 （状态 2） ，输入功为100kJ，求
10、其内能变化？（2）初态同(1)，经恒容过程加热到 150( 状态 3)，需热量 95kJ，问此过程内能变化如何？（3） （2）中处于状态 3 的气体经等温压缩到 1.0m3 (状态 2)，同时移走 185kJ 热量，问内能变化如何？需功若干？(本题按封闭体系计算 )三（20 分） 一可逆热机用某种比热不变的理想气体为工质，按下述循环操作，自状态 1恒容加热到状态 2，由状态 2 绝热膨胀到状态 3，然后由状态 3 经恒压过程回到状态 1，证明此循环中净功与所吸热量之比为 其中12pW1Q pVC四（24 分） 有一理想 Rankine 循环，在 4000kPa 和 8kPa 的压力之间操作，锅
11、炉产生的是400的过热蒸气，冷凝器所用的冷却水的温度为 25。求（1）过热蒸气从锅炉中的吸热量 ，乏气在冷凝器中放出的热量 ;（2）透平作的理论功和水泵消耗的理论功；1Q（3）热效率 。已知 4000kPa，400下过热水蒸气的热力学性质为： ， -1H32.6Jg；8kPa 压力下乏气的热力学性质为：-1S6.790JgK温度 / 比容/ 3-1cmg 焓/ -1Jg 熵/ -1K饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气41.41.0084 18333.7 173.4 2403.4 0.5910 8.2313五 (22 分) 一蒸气透平可逆绝热操作，进入透平的过热蒸气压力为 10
12、00kPa, 乏气的压力为40kPa，如果要求乏气为干蒸气，则进气的过热度最小应为多大？透平每小时耗气为408kg，问该情况下，透平理论上可输出多少功？ 40kPa 压力下的乏气热力学性质为：温度 / 比容/ 3-1cmg 焓/ -1Jg 熵/ -1JgK饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气 饱和水 饱和蒸气75.81.0264 4014 317.3 2636.7 1.0251 7.67111000kPa 过热蒸气表为：温度/ 焓/ -1Jg 熵/ -1Jg194.4 (饱和蒸气) 2778.1 6.5865400 3263.9 7.4651440 3349.3 7.5883500 3478.5
13、 7.7622参考答案一、结论正确。理由如下：作为石油液化气组分，基本要求是沸点不宜太高，也不宜太低，123PV1Q， ，2HSW，3HST 4000kPa400VHLHS模拟试题(2)试题三附图模拟试题(2)试题四附图大至范围为-1510以内。 (1)甲烷因其常压沸点为-161.45，通常情况下只能以气态形式存在，难以液化，所以不可能是石油液化气的组分。(2)正己烷常压沸点为 68.7，以液态形式存在，也不必加压使之成为液体，所以也不是石油液化气的组分。二、设计的状态过程变化如图所示。(1) 过程， ，1Q01W0kJ因此 1UkJ(2) 过程， ， ，V2，因此295kJ295kJ(3)
14、过程， 为状态函数变化量， ，因此：123Q18，又3U0JW59k三、循环过程如图所示，气体为理想气体，满足 关系。各过程特征为：VRT过程， ；过程， ；过程， 。取整个循环过程为系V20P0统，则 ，又13SHQ0， ，31V21UC(T)，因此：P(T)S3P31121W()将 代入得：PVC。根据理想气体状态方312T/Q程有如下关系式：，又2221133PPRVTV，所以 代入前213P1321P式得到： 21/WQ四、查水蒸气表知：状态点： ，1H3.6kJg；状态点对应1S6.79kJgK的饱和蒸气和饱和液体性质为： ， ；V1H256.kJgV1S8.395kJgK， ， 。
15、设点的干度L13.82L1S0.47JKL.0m为 x，则过程(1)(2)为等熵膨胀， ，有：2S15015020 32m31m1U23模拟试题(2)试题二附图124，解得 。8.3951x0.476(x).769x0.7439VL 12H125.182(0.7439)10.8kJg3PUMWP.0(5).kJg143784.JS12.619278kg14Q.30.232H7.84JSPUM1.2.%1五、查水蒸气表知：40kPa 饱和蒸气的。以该 与V7.60kJgKVS条件由过热蒸气表查得其温度为1Pa。与 相对应的饱和蒸气温度为 179.91，所以蒸气的过热度为：t48.91P0ka，即
16、蒸气的最小过热度为 289。从气耗率定义知：.289.，则 ，即透平理论上可输出的1N360SC(kgWh)4ghN360W8.2k4功率为 8.82kW。TS 模拟试题(2)试题五附图125化工热力学模拟试题(3)及参考答案一（共 60 分）是非题（每题 3 分）1 气液两相平衡的条件是气液两相的逸度相等。 （ ）2 偏离函数法计算热力学性质的方便之处在于利用了理想气体的性质。 （ ）3 纯物质的三相点温度随着所处压力的不同而改变。 （ ）4 正规溶液混合焓变为零，混合体积为零。 （ ）5 可逆过程的有效能守恒。 （ ）6 稳定流动过程的能量积累为零，熵的积累为零。 （ ）7 对于理想溶液，
17、i 组分在溶液中的逸度系数和 i 纯组分的逸度系数相等。 （ ）8 某二元系有 ，则必有 。 （ ）1ln02ln09 Gibbs 函数与逸度系数的关系是 。 （ ）igG(T,p)(,1)RTlnf10 合理用能的总则是按质用能，按需供能。 （ ）11 纯物质由液体变成蒸气，必须经过气化的相变化过程。 （ ）12 在同一温度下，纯物质的饱和蒸气与饱和液体的 Gibbs 函数相等。 （ ）13 纯物质的 Virial 系数，如 B ，C 等，仅是温度和压力的函数。 （ ）14 T 温度下过热纯蒸气的压力大于 。 （ ）SP(T)15 当压力趋于零时， （M 是摩尔容量性质） 。 （ ）igM(
18、,p),016 对于混合系统，偏离函数中的参考态是与研究态同温、同组成的理想气体混合物。 （ ）17 一般情况下，经绝热可逆膨胀后，流体的温度下降。 （ ）18 二元理想稀溶液，1 组分符合 Lewis-Randall 规则，则 2 组分必符合 Henry 规则。 （ ）19 对于正偏差系统，液相中组分的活度系数总是大于 1。 （ ）20 某封闭系统经一可逆过程，作功 500kJ 且放热 1000kJ，则系统的熵变大于零。 （ ）二（15 分）某二元混合物，在 T，P 时，其摩尔体积度表达式为12121V90x+5(69x)其中 V 的单位是 cm3 /mol。试确定在该温度压力下：(1) 用
19、 x1 表示 ， ；12(2) 无限稀释下 ， 的值；(3) 作图 V ,在图上标出 ， ， ， 的点。11V212三（15 分） 低压下丙酮 (1)-乙腈(2) 组成的二元系统的气液平衡可近似为理想系统，查得组分的 Antoine 方程如下：S1940.6ln7.502P6.53T22.7.815P 单位为 kPa，T 单位为 K。试求：（1）该系统互成平衡的气液相组成；（2）55时，液相组成为 =0.35 时的平衡压力与气相组成；（ 3）溶液中总组成为 ，当 P 为1x 1Z0.885kPa 下 55时的液相分率以及气液相组成。126四（10 分） 说明蒸气动力循环的工作原理（画出工作示意
20、图并在相应的 TS 图上标示循环过程） 。并据此提出提高蒸气效率的举措。参考答案一、1 错； 2 对； 3 错；4 错； 5 对；6 对；7 对；8 错； 9 错；10 对；11 错；12 对；13 错；14 错；15 错；16 对；17 对；18 对；19 对；20 错二、 ，则：121 2nnV905(9)21 2122121n()x6xx90()1212122n(V)5x(69x)037)11 23111xx0limli9().0cmol 21 23111x0xVlili53(7x)56l三、当 T=328K 时。SS12P96.4kaP40.8ka、(1) 当 时， ， ；x3P1y0
21、当 时， ，10.S12x96.4.83946.kPa；同理其他数据点计算结果如下表所示：S964.y08P31/kPaP1y0 40.83 0.00.1 46.39 0.2080.2 51.95 0.3710.3 57.5 0.5030.4 63.06 0.6120.5 68.62 0.7020.6 74.18 0.7800.7 79.74 0.8460.8 85.29 0.9040.9 90.85 0.9551.0 96.41 1.0(2) 当 时，1x0.35S12Px96.41035.8065.28kPaSP964.y0.528(3) 以 1mol 混合物为计算基准，设液相分率为 ，则
22、有：，解得S1211x.x.3(x)851x0.795P964075y980. 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 40 50 60 70 80 90 10 x V 1V 2V 2V 1V 模 拟 试 题 (3)试 题 二 附 图 127，解得11x()yz0.80.953四、 蒸气动力循环是以水蒸气为工质，将热能连续不断地转换成机械能的热力循环。现代化的大型化工厂，蒸气动力循环为全厂供给动力、供热及供应工艺用蒸气。分析动力循环的目的是研究循环中热、功转换的效果及其影响因素，提高能量转换的效率。Rankine 循环是最简单的蒸气动力循环，它由锅炉、气轮机、冷凝器和水泵组成，如附图所示。Ra
23、nkine 循环的示意图和 T-S 图12 的过程：过热蒸气在气轮机中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功 1S21WHkJg23 的过程：乏气在冷凝器中的等温等压冷凝过程，工质放出的热量 1232Q34 的过程：冷凝水通过水泵由 P3 升压至 P4 的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功1P4kJg将水看作是不可压缩流体，则 43 1P43WVd41 的过程：水在锅炉中等压升温和等压气化，成为过热蒸气的过程。工质在锅炉中吸收的热量 1114QHkJg理想 Rankine 循环的热效率 sP12341H蒸气动力循环中，水泵的耗功量远小于气轮机的做功量 s124WHQ提高蒸气效率的举措主要为通过改变蒸气参数提高 Rankine 循环的热效率。（1） 提高蒸气的过热温度在相同的蒸气压力下，提高蒸气的过热温度时, 可提高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并且可以降低气耗率。同时乏气的干度增加，使透平机的相对内部效率也可提高。但是蒸气的最高温度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸气的最高温度以不超 873K 为宜。气轮机水泵冷凝器锅炉
