化工热力学答案(第三版)..doc

化工热力学课后答案（第三版）陈钟秀编著
2-1.使用下述方法计算1kmol甲烷贮存在体积为0.1246m3、温度为50℃的容器中产生的压力：（1）理想气体方程；（2）R-K方程；（3）普遍化关系式。
解：甲烷的摩尔体积V=0.1246 m3/1kmol=124.6 cm3/mol
查附录二得甲烷的临界参数：Tc=190.6K Pc=4.600MPa Vc=99 cm3/mol ω=0.008
(1) 理想气体方程
P=RT/V=8.314×323.15/124.6×10-6=21.56MPa
(2) R-K方程

∴

=19.04MPa
(3) 普遍化关系式
＜2
∴利用普压法计算，
∵
∴

迭代：令Z0=1→Pr0=4.687 又Tr=1.695，查附录三得：Z0=0.8938 Z1=0.4623
=0.8938+0.008×0.4623=0.8975
此时，P=PcPr=4.6×4.687=21.56MPa
同理，取Z1=0.8975 依上述过程计算，直至计算出的相邻的两个Z值相差很小，迭代结束，得Z和P的值。
∴ P=19.22MPa
2-2.分别使用理想气体方程和Pitzer普遍化关系式计算510K、2.5MPa正丁烷的摩尔体积。已知实验值为1480.7cm3/mol。
解：查附录二得正丁烷的临界参数：Tc=425.2K Pc=3.800MPa Vc=99 cm3/mol ω=0.193
（1）理想气体方程
V=RT/P=8.314×510/2.5×106=1.696×10-3m3/mol
误差：
（2）Pitzer普遍化关系式
对比参数： —普维法
∴

=-0.2326+0.193×0.05874=-0.2213
=1-0.2213×0.6579/1.199=0.8786
∴ PV=ZRT→V= ZRT/P=0.8786×8.314×510/2.5×106=1.49×10-3 m3/mol
误差：
2-3.生产半水煤气时，煤气发生炉在吹风阶段的某种情况下，76%（摩尔分数）的碳生成二氧化碳，其余的生成一氧化碳。试计算：（1）含碳量为81.38%的100kg的焦炭能生成1.1013MPa、303K的吹风气若干立方米？（2）所得吹风气的组成和各气体分压。
解：查附录二得混合气中各组分的临界参数：
一氧化碳(1)：Tc=132.9K Pc=3.496MPa Vc=93.1 cm3/mol ω=0.049 Zc=0.295
二氧化碳(2)：Tc=304.2K Pc=7.376MPa Vc=94.0 cm3/mol ω=0.225 Zc=0.274
又y1=0.24，y2=0.76
∴(1)由Kay规则计算得：

—普维法
利用真实气体混合物的第二维里系数法进行计算

又

∴

∴
∴→V=0.02486m3/mol
∴V总=n V=100×103×81.38%/12×0.02486=168.58m3
(2)

2-4.将压力为2.03MPa、温度为477K条件下的2.83m3NH3压缩到0.142 m3，若压缩后温度448.6K，则其压力为若干？分别用下述方法计算：（1）Vander Waals方程；（2）Redlich-Kwang方程；（3）Peng-Robinson方程；（4）普遍化关系式。
解：查附录二得NH3的临界参数：Tc=405.6K Pc=11.28MPa Vc=72.5 cm3/mol ω=0.250
(1) 求取气体的摩尔体积
对于状态Ⅰ：P=2.03 MPa、T=447K、V=2.83 m3
—普维法
∴

→V=1.885×10-3m3/mol
∴n=2.83m3/1.885×10-3m3/mol=1501mol
对于状态Ⅱ：摩尔体积V=0.142 m3/1501mol=9.458×10-5m3/mol T=448.6K
(2) Vander Waals方程

(3) Redlich-Kwang方程

(4) Peng-Robinson方程
∵
∴

∴

(5) 普遍化关系式
∵ ＜2 适用普压法，迭代进行计算，方法同1-1（3）
2-6.试计算含有30%（摩尔分数）氮气（1）和70%（摩尔分数）正丁烷（2）气体混合物7g,在188℃、6.888MPa条件下的体积。已知B11=14cm3/mol，B22=-265cm3/mol，B12=-9.5cm3/mol。
解：

→V(摩尔体积)=4.24×10-4m3/mol
假设气体混合物总的摩尔数为n，则
0.3n×28+0.7n×58=7→n=0.1429mol
∴V= n×V(摩尔体积)=0.1429×4.24×10-4=60.57 cm3
2-8.试用R-K方程和SRK方程计算273K、101.3MPa下氮的压缩因子。已知实验值为2.0685
解：适用EOS的普遍化形式
查附录二得NH3的临界参数：Tc=126.2K Pc=3.394MPa ω=0.04
（1）R-K方程的普遍化

∴ ①
②
①、②两式联立，迭代求解压缩因子Z
（2）SRK方程的普遍化

∴ ①
②
①、②两式联立，迭代求解压缩因子Z
第三章
3-1. 物质的体积膨胀系数和等温压缩系数的定义分别为：，。试导出服从Vander Waals状态方程的和的表达式。
解：Van der waals 方程
由Z=f(x,y)的性质得
又
所以

故

3-2. 某理想气体借活塞之助装于钢瓶中，压力为34.45MPa，温度为93℃，反抗一恒定的外压力3.45 MPa而等温膨胀，直到两倍于其初始容积为止，试计算此过程之、、、、、、、Q和W。
解：理想气体等温过程，=0、=0
∴ Q=-W==2109.2 J/mol
∴ W=-2109.2 J/mol
又 理想气体等温膨胀过程dT=0、
∴
∴ =5.763J/(mol·K)
=-366×5.763=-2109.26 J/(mol·K)
=-2109.26 J/(mol·K)
=-2109.26 J/(mol·K)
=2109.2 J/mol
3-3. 试求算1kmol氮气在压力为10.13MPa、温度为773K下的内能、焓、熵、、和自由焓之值。假设氮气服从理想气体定律。已知：
（1）在0.1013 MPa时氮的与温度的关系为；
（2）假定在0℃及0.1013 MPa时氮的焓为零；
（3）在298K及0.1013 MPa时氮的熵为191.76J/(mol·K)。
3-4. 设氯在27℃、0.1 MPa下的焓、熵值为零，试求227℃、10 MPa下氯的焓、熵值。已知氯在理想气体状态下的定压摩尔热容为

解：分析热力学过程

-H1R H2R
-S1R S2R

查附录二得氯的临界参数为：Tc=417K、Pc=7.701MPa、ω=0.073
∴(1)300K、0.1MPa的真实气体转换为理想气体的剩余焓和剩余熵
Tr= T1/ Tc=300/417=0.719 Pr= P1/ Pc=0.1/7.701=0.013—利用普维法计算

又
代入数据计算得=-91.41J/mol、=-0.2037 J/( mol·K)
(2)理想气体由300K、0.1MPa到500K、10MPa过程的焓变和熵变

=7.02kJ/mol

=-20.39 J/( mol·K)
(3) 500K、10MPa的理想气体转换为真实气体的剩余焓和剩余熵
Tr= T2/ Tc=500/417=1.199 Pr= P2/ Pc=10/7.701=1.299—利用普维法计算

又
代入数据计算得=-3.41KJ/mol、=-4.768 J/( mol·K)
∴=H2-H1= H2=-++=91.41+7020-3410=3.701KJ/mol
= S2-S1= S2=-++=0.2037-20.39-4.768=-24.95 J/( mol·K)
3-5. 试用普遍化方法计算二氧化碳在473.2K、30 MPa下的焓与熵。已知在相同条件下，二氧化碳处于理想状态的焓为8377 J/mol，熵为-25.86 J/(mol·K).
解：查附录二得二氧化碳的临界参数为：Tc=304.2K、Pc=7.376MPa、ω=0.225
∴ Tr= T/ Tc=473.2/304.2=1.556 Pr= P/ Pc=30/7.376=4.067—利用普压法计算
查表，由线性内插法计算得出：

∴由、计算得：
HR=-4.377 KJ/mol SR=-7.635 J/( mol·K)
∴H= HR+ Hig=-4.377+8.377=4 KJ/mol
S= SR+ Sig=-7.635-25.86=-33.5 J/( mol·K)
3-6. 试确定21℃时，1mol乙炔的饱和蒸汽与饱和液体的U、V、H和S的近似值。乙炔在0.1013MPa、0℃的理想气体状态的H、S定为零。乙炔的正常沸点为-84℃,21℃时的蒸汽压为4.459MPa。
3-7. 将10kg水在373.15K、0.1013 MPa的恒定压力下汽化，试计算此过程中、、、和之值。
3-8. 试估算纯苯由0.1013 MPa、80℃的饱和液体变为1.013 MPa、180℃的饱和蒸汽时该过程的、和。已知纯苯在正常沸点时的汽化潜热为3.733 J/mol；饱和液体在正常沸点下的体积为95.7 cm3/mol；定压摩尔热容；第二维里系数。
解：1.查苯的物性参数：Tc=562.1K、Pc=4.894MPa、ω=0.271
2.求ΔV
由两项维里方程

3.计算每一过程焓变和熵变
（1）饱和液体（恒T、P汽化）→饱和蒸汽
ΔHV=30733KJ/Kmol
ΔSV=ΔHV/T=30733/353=87.1 KJ/Kmol·K
（2）饱和蒸汽（353K、0.1013MPa）→理想气体
∵

点（Tr、Pr）落在图2-8图曲线左上方，所以，用普遍化维里系数法进行计算。
由式（3-61）、（3-62）计算

∴

∴

（3）理想气体（353K、0.1013MPa）→理想气体（453K、1.013MPa）

（4）理想气体（453K、1.013MPa）→真实气体（453K、1.013MPa）

点（Tr、Pr）落在图2-8图曲线左上方，所以，用普遍化维里系数法进行计算。
由式（3-61）、（3-62）计算

∴
4.求

3-9. 有A和B两个容器，A容器充满饱和液态水，B容器充满饱和蒸气。两个容器的体积均为1L，压力都为1MPa。如果这两个容器爆炸，试问哪一个容器被破坏的更严重？假定A、B容器内物质做可逆绝热膨胀，快速绝热膨胀到0.1 MPa。
3-10. 一容器内的液体水和蒸汽在1MPa压力下处于平衡状态，质量为1kg。假如容器内液体和蒸汽各占一半体积，试求容器内的液体水和蒸汽的总焓。
解：查按压力排列的饱和水蒸汽表，1MPa时，

根据题意液体和蒸汽各占一半体积，设干度为x
则

解之得：
所以

3-11. 过热蒸汽的状态为533Khe 1.0336MPa，通过喷嘴膨胀，出口压力为0.2067MPa，如果过程为可逆绝热且达到平衡，试问蒸汽在喷嘴出口的状态如何？
3-12. 试求算366K 、2.026MPa 下1mol乙烷的体积、焓、熵与内能。设255K 、0.1013MPa时乙烷的焓、熵为零。已知乙烷在理想气体状态下的摩尔恒压热容

3-13. 试采用RK方程求算在227℃、5 MPa下气相正丁烷的剩余焓和剩余熵。
解：查附录得正丁烷的临界参数：Tc=425.2K、Pc=3.800MPa、ω=0.193
又R-K方程：
∴

∴
试差求得：V=5.61×10-4m3/mol
∴

∴
∴

3-14. 假设二氧化碳服从RK状态方程，试计算50℃、10.13 MPa时二氧化碳的逸度。
解：查附录得二氧化碳的临界参数：Tc=304.2.2K、Pc=7.376MPa
∴

又
∴
迭代求得：V=294.9cm3/mol
∴

∴
∴
∴f=4.869MPa
3-15. 试计算液态水在30℃下，压力分别为（a）饱和蒸汽压、（b）100×105Pa下的逸度和逸度系数。已知：（1）水在30℃时饱和蒸汽压pS=0.0424×105Pa；（2）30℃，0～100×105Pa范围内将液态水的摩尔体积视为常数，其值为0.01809m3/kmol；（3）1×105Pa以下的水蒸气可以视为理想气体。
解：（a）30℃，Ps=0.0424×105Pa
∵汽液平衡时，
又1×105Pa以下的水蒸气可以视为理想气体，Ps=0.0424×105Pa＜1×105Pa
∴30℃、0.0424×105Pa下的水蒸气可以视为理想气体。
又 理想气体的fi=P
∴

（b）30℃，100×105Pa
∵

∴

3-16. 有人用A和B两股水蒸汽通过绝热混合获得0.5MPa的饱和蒸汽，其中A股是干度为98％的湿蒸汽，压力为0.5MPa，流量为1kg/s；而B股是473.15K，0.5MPa的过热蒸汽，试求B股过热蒸汽的流量该为多少？
解：A股：查按压力排列的饱和水蒸汽表， 0.5MPa（151.9℃）时，

B股： 473.15K，0.5MPa的过热蒸汽
根据题意，为等压过程，

忽略混合过程中的散热损失，绝热混合 Qp = 0，所以 混合前后焓值不变
设B股过热蒸汽的流量为 x kg/s，以1秒为计算基准，列能量衡算式

解得：

该混合过程为不可逆绝热混合，所以 混合前后的熵值不相等。
只有可逆绝热过程，
因为是等压过程，该题也不应该用 进行计算。
第四章
4-1. 在20℃、0.1013MPa时，乙醇（1）与H2O（2）所形成的溶液其体积可用下式表示：
。试将乙醇和水的偏摩尔体积、表示为浓度x2的函数。
解：由二元溶液的偏摩尔性质与摩尔性质间的关系：

得：
又
所以

4-2. 某二元组分液体混合物在固定T及P下的焓可用下式表示：。式中，H单位为J/mol。试确定在该温度、压力状态下（1）用x1表示的和；（2）纯组分焓H1和H2的数值；（3）无限稀释下液体的偏摩尔焓和的数值。
解：（1）已知 （A）
用x2=1- x1带入（A），并化简得： （B）
由二元溶液的偏摩尔性质与摩尔性质间的关系：
，
得： ，
由式（B）得：
所以 （C） （D）
（2）将x1=1及x1=0分别代入式（B）得纯组分焓H1和H2

（3）和是指在x1=0及x1=1时的和，将x1=0代入式（C）中得：，将x1=1代入式（D）中得：。
4-3. 实验室需要配制1200cm3防冻溶液，它由30%的甲醇（1）和70%的H2O（2）（摩尔比）组成。试求需要多少体积的25℃的甲醇与水混合。已知甲醇和水在25℃、30%（摩尔分数）的甲醇溶液的偏摩尔体积：，。25℃下纯物质的体积：，。
解：由得：
代入数值得：V=0.3×38.632+0.7×17.765=24.03cm3/mol
配制防冻溶液需物质的量：
所需甲醇、水的物质的量分别为：

则所需甲醇、水的体积为：

将两种组分的体积简单加和：
则混合后生成的溶液体积要缩小：
4-4. 有人提出用下列方程组表示恒温、恒压下简单二元体系的偏摩尔体积：

式中，V1和V2是纯组分的摩尔体积，a、b只是T、P的函数。试从热力学角度分析这些方程是否合理？
解：根据Gibbs-Duhem方程 得
恒温、恒压下
或
由题给方程得 （A）
（B）
比较上述结果，式（A）≠式（B），即所给出的方程组在一般情况下不满足Gibbs-Duhem方程，故不合理。
4-5.试计算甲乙酮（1）和甲苯（2）的等分子混合物在323K和2.5×104Pa下的、和f。
4-6.试推导服从van der waals 方程的气体的逸度表达式。

4-9.344.75K时，由氢和丙烷组成的二元气体混合物，其中丙烷的摩尔分数为0.792，混合物的压力为3.7974MPa。试用RK方程和相应的混合规则计算混合物中氢的逸度系数。已知氢-丙烷系的kij=0.07, 的实验值为1.439。
解：已知混合气体的T=344.75K P=3.7974MPa，查附录二得两组分的临界参数
氢（1）： y1=0.208 Tc=33.2K Pc=1.297MPa Vc=65.0 cm3/mol ω=-0.22
丙烷（2）：y1=0.792 Tc=369.8K Pc=4.246MPa Vc=203 cm3/mol ω=0.152
∴

∵
∴

①
②
联立①、②两式，迭代求解得：Z=0.7375 h=0.09615
所以，混合气体的摩尔体积为：

∴

分别代入数据计算得：
4-10.某二元液体混合物在固定T和P下其超额焓可用下列方程来表示：HE=x1x2(40x1+20x2).其中HE的单位为J/mol。试求和（用x1表示）。
4-12.473K、5MPa下两气体混合物的逸度系数可表示为：。式中y1和y2为组分1和组分2 的摩尔分率，试求、的表达式，并求出当y1 =y2=0.5时，、各为多少？
4-13.在一固定T、P下，测得某二元体系的活度系数值可用下列方程表示： （a）
（b）
试求出的表达式；并问（a）、（b）方程式是否满足Gibbs-Duhem方程？若用（c）、（d）方程式表示该二元体系的活度数值时，则是否也满足Gibbs-Duhem方程？
（c）
（d）

4-17.测得乙腈（1）—乙醛（2）体系在50℃到100℃的第二维里系数可近似地用下式表示：

式中，T的单位是K，B的单位是cm3mol。试计算乙腈和乙醛两组分的等分子蒸气混合物在0.8×105Pa和80℃时的与。

例1.某二元混合物在一定T、P下焓可用下式表示：。其中a、b为常数，试求组分1的偏摩尔焓的表示式。
解：根据片摩尔性质的定义式
又
所以

例2.312K、20MPa条件下二元溶液中组分1的逸度为，式中x1是组分1的摩尔分率，的单位为MPa。试求在上述温度和压力下（1）纯组分1 的逸度和逸度系数；（2）组分1 的亨利常数k1；（3）活度系数与x1的关系式（组分1的标准状态时以Lewis-Randall定则为基准）。
解：在给定T、P下，当x1=1时

根据定义
（2）根据公式
得

（3）因为
所以
例3.在一定的T、P下，某二元混合溶液的超额自由焓模型为（A）式中x为摩尔分数，试求：（1）及的表达式；（2）、的值；（3）将（1）所求出的表达式与公式相结合，证明可重新得到式（A）。
解：（1）
∴

同理得
（2）当x1→0时得
当x2→0时得
（3）

例4已知在298K时乙醇（1）与甲基叔丁基醚（2）二元体系的超额体积为，纯物质的体积V1=58.63cm3·mol-1, V2=118.46cm3·mol-1,试问当1000 cm3的乙醇与500 cm3的甲基叔丁基醚在298K下混合时其体积为多少？
解：依题意可得
n1=1000/58.63=17.056mol
n2=500/118.46=4.221mol
n=n1+n2=17.056+4.221=21.227mol
∴ x1= n1/n=17.056/21.227=0.802
x2= n2/n=4.221/21.227=0.198
由于x1+x2=1，所以

=0.802×0.198×[-0.806×0.802-1.264×0.198]
=-0.142 cm3·mol-1
混合时体积Vt=n1V1+n2V2+nVE
=1000+500+21.227× (-0.142)
=1496.979 cm3
若将两种组分的体积简单加和，将为1500 cm3，而形成溶液时则为1496.979 cm3，体积要缩小0.202%。
3、通过活动，使学生养成博览群书的好习惯。
B比率分析法和比较分析法不能测算出各因素的影响程度。√
C采用约当产量比例法，分配原材料费用与分配加工费用所用的完工率都是一致的。Ｘ
C采用直接分配法分配辅助生产费用时，应考虑各辅助生产车间之间相互提供产品或劳务的情况。错
C产品的实际生产成本包括废品损失和停工损失。√
C成本报表是对外报告的会计报表。×
C成本分析的首要程序是发现问题、分析原因。×
C成本会计的对象是指成本核算。×
C成本计算的辅助方法一般应与基本方法结合使用而不单独使用。√
C成本计算方法中的最基本的方法是分步法。X
D当车间生产多种产品时，“废品损失”、“停工损失”的借方余额，月末均直接记入该产品的产品成本
中。×
D定额法是为了简化成本计算而采用的一种成本计算方法。×
F“废品损失”账户月末没有余额。√
F废品损失是指在生产过程中发现和入库后发现的不可修复废品的生产成本和可修复废品的修复费用。Ｘ
F分步法的一个重要特点是各步骤之间要进行成本结转。(√)
G各月末在产品数量变化不大的产品，可不计算月末在产品成本。错
G工资费用就是成本项目。(×)
G归集在基本生产车间的制造费用最后均应分配计入产品成本中。对
J计算计时工资费用，应以考勤记录中的工作时间记录为依据。(√)
J简化的分批法就是不计算在产品成本的分批法。(×)
J简化分批法是不分批计算在产品成本的方法。对
J加班加点工资既可能是直接计人费用，又可能是间接计人费用。√
J接生产工艺过程的特点，工业企业的生产可分为大量生产、成批生产和单件生产三种，X
K可修复废品是指技术上可以修复使用的废品。错
K可修复废品是指经过修理可以使用，而不管修复费用在经济上是否合算的废品。Ｘ
P品种法只适用于大量大批的单步骤生产的企业。×
Q企业的制造费用一定要通过“制造费用”科目核算。Ｘ
Q企业职工的医药费、医务部门、职工浴室等部门职工的工资，均应通过“应付工资”科目核算。Ｘ
S生产车间耗用的材料，全部计入“直接材料”成本项目。Ｘ
S适应生产特点和管理要求，采用适当的成本计算方法，是成本核算的基础工作。(×)
W完工产品费用等于月初在产品费用加本月生产费用减月末在产品费用。对
Y“预提费用”可能出现借方余额，其性质属于资产，实际上是待摊费用。对
Y引起资产和负债同时减少的支出是费用性支出。X
Y以应付票据去偿付购买材料的费用，是成本性支出。X
Y原材料分工序一次投入与原材料在每道工序陆续投入，其完工率的计算方法是完全一致的。Ｘ
Y运用连环替代法进行分析，即使随意改变各构成因素的替换顺序，各因素的影响结果加总后仍等于指标的总差异，因此更换各因索替换顺序，不会影响分析的结果。(×)
Z在产品品种规格繁多的情况下，应该采用分类法计算产品成本。对
Z直接生产费用就是直接计人费用。X
Z逐步结转分步法也称为计列半成品分步法。√

A按年度计划分配率分配制造费用，“制造费用”账户月末(可能有月末余额/可能有借方余额/可能有贷方余额/可能无月末余额)。
A按年度计划分配率分配制造费用的方法适用于(季节性生产企业)