化工热力学第三版习题答案.docx

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化工热力学第三版习题答案

《化工热力学》(第三版习题参考答案

58页第2章

2-1求温度673.15K、压力4.053MPa的甲烷气体摩尔体积。

解:

(a理想气体方程

1

33

6

10

381.110

053.415.673314.8--⋅⋅⋅=⋅⋅=

=

⇒=mol

mpRTVRTpV

(b用R-K方程

①查表求cT、cp;②计算a、b;③利用迭代法计算V。

((1

3

3

11

3

3

0110

3896.110381.1--+--+⋅⋅⋅=⋅

⋅⋅⋅⋅⋅=+⋅⋅--

+=

+⋅⋅-

-=

mol

mVmol

mVbVVTbVabpRTVbVVTabVRTpiiiii

(c用PR方程

步骤同(b,计算结果:

1

331103893.1--+⋅⋅⋅=mol

mVi。

(d利用维里截断式

2

.41

6

.10

1

172.0139.0422.0083.0111r

r

r

rr

rr

rc

cTBTB

TpBTpBTpRTBpRTBpRT

pVZ-

=-=⋅

⋅+⋅

+=⋅

+

=+

==ω

查表可计算rp、rT、0B、1B和Z由1

33

10

391.1--⋅⋅⋅==

⇒=

mol

mp

ZRTVRT

pVZ

2-4V=1.213m3,乙醇45.40kg,T=500.15K,求压力。

解:

(a理想气体状态方程

MPaV

RTM

mV

nRTp⋅=⋅⋅

=⋅==

383.3213

.115

.500314.846

40.45

(b用R-K方程

a0.42748R

2

⋅TC

2.5

PC

28.039

b0.08664R⋅TC

PC

0.058(MPa

p

kmolm

n

V

V

bVV

a

b

V

RT

p

m

m

m

m

=

=

=

=

+

-

-

=

-759

.2

229

.1

46

/

40

.

45

213

.1

13

(c用

SRK方程计算

(d用

PR方程计算

(e用三参数普遍化关联

(MPa

B

VRTpBBB

pT

RB

BBBBRTBpB

VRTpRT

BpRT

pVZkmolmnVVkmolMmnmc

c

ccmm

m⋅=-=

∴-=∴=-=-=⋅⋅⋅⋅+=⇒⋅+=-=

⇒+

==⋅⋅==

=⋅===

--779.2267.0635

.0,057.0,361.01229.1987.0213.1987.046

4.451

1

1

1

1

3

ωωω

2-7计算T=523.15K,p=2MPa的水蒸气的Z和V解:

(a用维里截断式2

2

1pV

CRTpV

BRTp

RTVV

CVBRT

pVZ+

+

=

⇒++

≈=

采用迭代法计算V=2.006

之后求得Z=0.923

(d利用维里截断式

2

.41

6

.10

1

172.0139.0422.0083.0111r

r

r

rr

rr

rc

cTBTB

TpBTpBTpRTBpRTBpRT

pVZ-

=-=⋅

⋅+⋅

+=⋅

+

=+

==ω

查表可计算rp、rT、0B、1

B可得到Z=0.932;

由1

33

10

025.2--⋅⋅⋅==

⇒=

mol

mp

ZRTVRT

pVZ

(c水蒸气表9223

.015

.523314.800592.2200000592.21811144.011144.01

31

3

=⋅⋅=

=

∴⋅⋅=⋅≈⋅⋅=--RT

VpZkmol

mkgmV

92页第三章3-4

丁二烯

1-3

-R8.314

:

=T1127273.15+:

=T2227273.15+:

=P12.53106

⋅:

=PaP212.67106

⋅:

=Pa

Tc425

:

=Pc4.32610

6

⋅:

=Pa

ω0.181

:

=CpT(22.738222.79610

3

-⋅T⋅+73.87910

6

-⋅T

2

⋅-:

=

利用三参数压缩因子计算方法,查图表,得到压缩因子:

Tr1T1Tc

:

=

Tr2T2Tc

:

=

Tr10.942

=Tr21.177

=Pr1P1Pc

:

=

Pr2P2Pc

:

=

Pr10.585=Pr22.929

=Z10.677

:

=Z20.535

:

=∆VZ2R⋅T2⋅P2

Z1R⋅T1⋅P1

-:

=∆V7.146-10

4

-⨯=m3mol

1

-⋅

H2RRTc⋅P2⋅Pc0.0830.139ω⋅+1.097T2Tc

⎝⎫

⎪⎭

1.6

-⋅-0.894ω⋅T2Tc

⎪⎭

4.2

-⋅-⎡⎢

⎢⎣⎤⎥⎥⎦

⋅:

=H2R8.475-10

3

⨯=H1RRTc⋅P1⋅Pc0.0830.139ω⋅+1.097T1Tc⎛⎝⎫⎪⎭1.6-⋅-0.894ω⋅T1T

c⎛⎝⎫⎪⎭4.2-⋅-⎡⎢⎢⎣⎤

⎥⎦

⋅:

=H1R2.704-10

3

⨯=∆HT

1

T2

TCpT(⎛

⎜⎠dH2R+H1R

-:

=∆H5.02810

3

⨯=Jmol

1

-⋅

S2RR-P2⋅Pc0.675T2Tc⎛⎝⎫⎪⎭2.6-⋅ω0.722⋅T2T

c⎛⎝⎫⎪⎭5.2-⋅+⎡⎢⎢⎣⎤

⎥⎦

⋅:

=S2R12.128

-=S1RR-P1⋅Pc0.675T1Tc⎛⎝⎫⎪⎭2.6-⋅ω0.722⋅T1T

c⎛⎝⎫⎪⎭5.2-⋅+⎡⎢⎢⎣⎤

⎥⎦

⋅:

=S1R4.708

-=∆ST

1

T2

TCpT(T

⎜⎠dRlnP2P1

⎪⎭

⋅-S2R+S1R-:

=∆S3.212=Jmol

1

-⋅K

1

-⋅

3-7:

解:

(1

1

3

3

3

3

261.510

261.5381200010

551.110

095.2SV,,TVV121

-----⋅⋅⋅-=⋅⋅⋅

⨯-=-⨯⨯⨯⨯-=⋅-=∆⇒⋅-=⎪⎪⎭⎫

⎝⎛∂∂⎪⎭⎫

⎝⎛∂∂-=⎪

⎪⎭⎫⎝⎛∂∂⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=

K

kg

JK

kgkPamVdppSTVpSppTp

Tpβββ

注意:

JkPam⋅=⋅3

3

10

(1

6

3

091.110

619.110

551.1261.5270--⋅⋅=⨯⨯⨯+-⨯=∆⋅+∆⋅=∆kg

kJpVSTH

或者

(((1

5

6

3

3

6.109010

81.310210

551.127010095.2112

1

---⋅=⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅-=-=

∆⎰kg

JdpVTHL

pp

β

3-9

解:

乙腈的Antonie方程为

(kPactps

85

.241/24.32717258.14ln+︒-

=

(160℃时,乙腈的蒸气压kPa

ppss

⋅=∴=+-

=813.48888

.385

.2416024.32717258.14ln

(2乙腈的标准沸点

c

tct︒⋅=∴=+︒-=375.81605

.485

.241/24.32717258.14100ln

(320℃、40℃和标准沸点时的汽化焓

(((((mol

kJcHmolkJcHmolkJcHtT

HRT

HtRT

HdTpds

/72.32375.81;/57.3340;/09.342085.241314.824.327185.24124

.3271ln2

2

2

2

2

=︒∆=︒∆=︒∆+⨯⨯=

∆∴∆=

+⇒

∆=

117页第四章4-1

31

-∆h12∆u

2

+

g∆z⋅+qw-∆z3m⋅:

=∆h23003230-(103

⋅Jkg⋅

104

kg

⋅3600s

⋅⋅

:

=q0

:

=m2.778

kgs

:

=104

kg⋅3600s

⋅2.778

kgs

=∆u120

2

502

-109Jkg

∆u109Jkg

:

=∆h2.583-10

6⨯J

s

=12

m∆u

2

⋅1.6510

4⨯J

s

=g∆z⋅m⋅81.729

Js

=∆h12

m∆u

2

⋅+

g∆z⋅m⋅-2.567-10

6⨯J

s

=w

2.567106⋅Js⋅⎛⎝

⎫⎪

⎭2.567106

⋅W

⋅wc2.5832.567

-2.567

100⋅%

:

=

wc0.623%

=

4-2

方法一:

∆h12∆u

2

+

g∆z⋅+qw

-u13

:

=R8.314

:

=∆h12∆u

2

+w

-u20.0752

0.25

2

u1⋅:

=

u20.27

=

T2353.15:

=T1593.15

:

=∆H

CpmhT2T1-(

⋅HR2+HR1

-

HR1R647.3⋅Tr0⋅0

Pr0

PrdB00

B0

Tr0-

⎛⎝

⎫⎪⎪⎭0.344dB10

B1

Tr0-⎛⎝

⎫⎪⎪⎭⋅+⎡⎢⎢⎣⎤⎥⎥⎦

⎛⎜

⎜⎠d-

⎡⎢⎢⎢⎢⎣⎤⎥⎥⎥⎥⎦

⋅:

=HR1576.771

-=

HR2R647.3⋅Tr1⋅0

Pr

1

PrdB01

B0

1Tr1-

⎛⎝

⎫⎪⎪⎭0.344dB11

B1

1

Tr1-⎛⎝

⎫⎪⎪⎭⋅+⎡⎢⎢⎣⎤⎥⎥⎦

⎛⎜

⎜⎠d-

⎡⎢⎢⎢⎢⎣⎤

⎥⎥⎥⎥⎦

⋅:

=HR256.91

-=

经计算得

1

1

03.35--⋅⋅⋅=K

mol

JCpmh

体积流速为:

1

32

2

10132.02075.0314.32/-⋅⋅=⎪⎭

⎫⎝⎛⋅⋅=⋅⋅=smduVπ

摩尔流速为:

1

015.41500000

/15.593314.80132

.0/-⋅⋅=⋅===s

molp

RTVVVnm

根据热力学第一定律,绝热时Ws=-△H,所以

∆H

nCpmh⋅T2T1-⋅nHR2HR1

-⋅+

Ws

4.015-8.408-10⋅56.91-576.771+(+⎣⎦

⋅3.16710⨯W

方法二:

根据过热蒸汽表,内插法应用可查得

35kPa、80℃的乏汽处在过热蒸汽区,其焓值h2=2645.6kJ·kg-1

;1500kPa、320℃的水蒸汽在过热蒸汽区,其焓值h1=3081.5kJ·kg-1;

w

-∆h12u22u12-⎛⎝

⎭⋅-

2645.63081.5-4.46410

3

-⋅-435.904-kJkg

1

-⋅

按理想气体体积计算的体积VRT⋅P

8.314593.15⋅1500000

3.288103

-⨯=m3

mol

1

-⋅N4.015

mols

:

=0.0132m3⋅s1

-⋅3.28810

3

-⨯m3

⋅mol1

-⋅4.015

mols

=

w435.90418⋅N⋅3.1510

4

⨯W

4-6解:

二氧化碳

T1303.15:

=R8.314

:

=P11.5106

⋅:

=Pa

P20.10133106

⋅:

=Pa

Tc304.2

:

=Pc7.35710

6

⋅:

=Pa

ω0.225

:

=CpT(45.3698.68810

3

-⋅T⋅+9.619105⋅T

2

-⋅-:

=

H2RT2(

RTc⋅P2⋅Pc0.0830.139ω⋅+1.097T2Tc⎛⎝⎫⎪⎭⋅-0.894ω⋅T2T

c⎛⎝⎫⎪⎭⋅-⎢⎢⎣⎥

⎥⎦⋅:

=

通过112TCHTpmh

R+=

迭代计算温度,T2=287.75K

T

1

T2

T

CpT(T

⎜⎜⎠dlnT2T1

⎛⎝

⎫⎭

:

=

∆H

T

1

2

TCpT(⎛⎜⎜⎠dH2RT2(

+H1R

-1.82210

8

-⨯J⋅mol

1

-⋅

4-7

解:

T1473.15:

=R8.314

:

=P1

2.5106

⋅:

=Pa

P20.20106

⋅:

=Pa

Tc305.4

:

=Pc4.8810

6

⋅:

=Pa

ω0.098

:

=CpT(9.403159.83710

3

-⋅T⋅+46.23410

6

-⋅T

2

⋅-:

=

S2RT2(

R-P2⋅Pc

0.675

T2Tc⎛⎝⎫⎪⎭⋅ω0.722⋅T2Tc⎛⎝⎫

⋅+⎢

⎢⎣

⎥⎦⋅:

=

经迭代计算(参考101页例题4-3得到T2=340.71K。

H2RT2(

RTc⋅P2⋅Pc0.0830.139ω⋅+1.097T2Tc

⎝⎫⎪⎭

⋅-0.894ω⋅T2Tc⎛⎝⎫

⋅-⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⋅:

=

∆H

T

1

2

TCpT(⎛

⎜⎜⎠dH2RT2(

+H1R

-8.32725-103

⨯J⋅mol

1

-⋅。

146页第五章

5-1:

b5-2:

c5-4:

a5-5:

a

5-1:

解:

可逆过程熵产为零,即0050

<∆⇒=--∆=∆-∆=∆syssysfsysgSTSSSS。

5-2:

解:

不可逆过程熵产大于零,即0

505TSTSSSSsyssysfsysg->

∆⇒>--∆=∆-∆=∆。

系统熵变可小于零也可大于零。

5-4:

解:

不可逆绝热过程熵产大于零,即0>∆=∆-∆=∆sysfsysgSSSS。

所以流体熵变大于零。

5-5:

解:

不可逆过程熵产大于零,即0

10010TSTSSSSsyssysfsysg>

∆⇒>-∆=∆-∆=∆。

5-3:

解:

电阻器作为系统,温度维持100℃,即373.15K,属于放热;环境温度298.15K,属于吸热,根据孤立体系的熵变为系统熵变加环境熵变,可计算如下:

50Ω⋅20A⋅(2

⋅2⋅3600⋅s⋅1.44108

⨯J

=1.44-108

⨯J373.15K

⋅1.44108

⨯J298.15K

⋅+

9.70710

4⨯1

K

J

=

5-6:

解:

理想气体节流过程即是等焓变化,温度不变,而且过程绝热,所以系统的熵变等于熵产,计算如下:

所以过程不可逆。

5-7:

解:

页4-7

绝热稳流过程M

m1m2+,∆H0

所以

Mh3⋅m1h1⋅m2h2

⋅+T320kg⋅s

1

-⋅90273.15+(⋅K⋅30kg⋅s

1

-⋅50273.15+(⋅K

⋅+50kg⋅s

1

-⋅:

=

T3339.15K

=339.15273.15-66

=∆Sg

j

mjSj⋅∑i

miSi

⋅∑-m1Cpms⋅lnT3T1

⎪⎭⋅m2Cpms⋅lnT3T2

⎫⎪

⋅+

Cpms

Cpmh

9050

-4.19kJ⋅kg

1

-⋅K

1

-⋅

不同温度的S值也可以直接用饱和水表查得。

计算结果是0.336。

5-12

解:

(1循环的热效率

1

21

4,HHWWQWTurSH

NT-+==

(2水泵功与透平功之比

H2=3562.38kJ·kg-1,H3=2409.3kJ·kg-1,H4=162.60kJ·kg-1,H5=2572.14kJ·kg-1,

(1

3

14

6.176001.010007.01460.162-⋅⋅=⋅⋅-+==∆⋅-kg

kJHpVH

012.03

.240938.356210

007.014(001.03

3

2,14=-⋅-⋅=

-∆⋅=

-HHpVTur

S

345.01

24

132=--+-=

HHHHHHTη

(3提供1kw电功的蒸气循环量

1

857.008

.116710001000-⋅⋅==

=

s

gWmN

5-15题:

415

-ηC

1T0TH

-

WQH

ξ

QLW

TLT0TL

-ηTηC60⋅%

ξ

−ξ20⋅%

QLQH

ηTξ

−⋅1T0TH-

⎛⎝

⎫⎪⎭TLT0TL-⎛

⎝⎫

⎪⎭

⋅0.6⋅0.2⋅0.555

555

.012.062115.273615.27311815.2732112.06.01%20%6000=⋅⎪⎭

⎫⎝⎛-+⎪⎭⎫⎝⎛

++-=⋅⋅⎪⎪⎭

⎝⎛-⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⋅⋅⋅=⋅=LLHcir

irH

LTTTTTQQξηξη

194页第六章

∆STp,(n703

T8.3143.471.4510

3

-⋅T⋅+0.121105⋅T

2

-⋅+(

⋅T

⎛⎜

⎜⎠

d⋅

n8.314⋅lnp

3.727

⎝⎫⎪

⋅-:

=

Wid∆H374.114(-T0∆S374.1140.1049,(⋅+3.60710⨯J⋅s

(b

Wid∆H333(-T0∆S3330.0147,(⋅+4.92610⨯J⋅s

Ws

∆H333(-3.40810⨯J⋅s

6-3

∆H

h2h1-292.98376.92-83.94

-∆Ssur

∆H-T0∆Sg

∆Ssys∆Ssur

+0.95491.1925-83.94-298-⎛

⎝⎫⎪

⎭0.044kJ⋅kg

1

-⋅K

1

-⋅根据热力学第一定律

热损失为

Q∆H83.94-kJ⋅kg1

-⋅或Q1.511-103

⨯J⋅mol

1

-⋅功损失为

WL

T0∆Sg

⋅13.1kJ⋅kg

1

-⋅或

WL

235.8J⋅mol

1

-⋅

6-6:

解:

理想气体经一锐孔降压过程为节流过程,0=∆H,且0=Q,故0=SW,过程恒温。

WL

Wid

T0∆Sg

⋅298-8.314⋅ln1.96⎝⎪⎭⋅⎝⎪⎭

7.42103

⨯J⋅mol

1

-⋅

6-12:

解:

191.49

213.64126.8205.03192.5169.94130.59SΘ0

393.51

-238.64

-0

46.19

-285.84

-0

∆Hf

Θ

N2CO2CH3OHO2NH3H2OH2查表得

H2H212

O2⋅+

H2--O⋅l(

-∆H285.84-kJ⋅mol

1

-⋅∆S

69.94130.59-0.5205.038.314ln0.02061050.10133⎛

⎝⎫⎪⎭⋅-⎛⎝⎫

⋅-169.785-J⋅mol

1

-⋅K

1

-⋅

EXCH2

∆H-T0∆S

⋅+285.841000

-

235.244kJ⋅mol

1

-⋅

NH312

N232

H2+NH3

----EXCNH3(

3117.61⋅10.335⋅+116.63⋅-336.535kJ⋅mol

1

-⋅

CH3OH

EXCCH3OH(

4117.61⋅11.966⋅+410.54+166.31

-716.636kJ⋅mol

1

-⋅

6-13解:

∆H

Q1Q2

+0

Q1

m1h3h1

-(

⋅Q2m2h3h2

-(

131232

m1720003600

:

=

kgs

1

-⋅

m21080003600

:

=

kgs

1

-⋅

h1376.92:

=kJkg

1

-⋅

S11.1925:

=kJkg

1

-⋅K

1

-⋅

h2209.33:

=kJkg

1

-⋅

S20.7038:

=kJkg

1

-⋅K

1

-⋅

131232

h3

276.366kJ⋅kg

1pmh31

2pmh32

使用内插法可求得66.03℃时的熵值,

S30.8935-66.0365

-0.95490.8935

-7065

-S3

0.906

kJkg

1

-⋅K

1

-⋅

(1利用熵分析法计算损耗功,

WL

T0∆Sg

⋅T0∆Ssys

⋅T0m1S3S1-(⋅m2S3S2-(

⋅+⎡⎣⎤

⋅100.178kJ⋅s

(2利用火用分析法:

h0104.89

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