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①→②，Q1?0，W1??100kJ 因此?U1?Q1?W1?100kJ
(2) 过程①→③，?V?0，W2?0， Q2?95kJ，因此?U2?Q2?W2?95kJ
?U1
150℃
① 20℃
③ 1m3
2m
3(3) 过程②→③，?U为状态函数变化量，?U1??U2??U3，Q3??185kJ，因此： ?U3??U1??U2?100?95?5kJ，又 ?U3?Q3?W3??185?5??190kJ
?U3
?U2
② 150℃
模拟试题(2)—试题二附图
三、循环过程如图所示，气体为理想气体，满足PV?RT关系。各过程特征为：
过程①→②，?V?0；过程②→③，Q2?0；过程③→①，?P?0。取整个循环过程为系统，则?HW3?Q?1?1Q?3Q?W又S，?0QQ1??U1?CV?(T2?T1)，，
P
① Q3??H3?CP?(T1?T3)，因此：
QC(T?T3)WWS??1?3?1?P1 QQ1Q1CV(T2?T1)Q1 ?H1 Q2，?H2，WS 将??CP代入得： CV③ ② T/T?1W?1???31。根据理想气体状态方QT2/T1?1Q3，?H3 V
模拟试题(2)—试题三附图
程有如下关系式：
?T2P2?P2V2?RT2?T?P??11，又 ?P1V1?RT1??TV?PV?RT?3?33?33??T1V1P2V1?P1V3，所以
??T
① 4000kPa400℃ V3?P2???代入前式V1?P1?1?1??得到：
?P/P??1W?1???21 QP2/P1?1H LS ③ S
模拟试题(2)—试题四附图
L② H VS V四、查水蒸气表知：
状态点①：H1?3213.6kJ?kg?1，
?1?1V?1S1?6.769kJ?kg?K；状态点②对应的饱和蒸气和饱和液体性质为：H?2561.5kJ?kg，
S?8.3951kJ?kg?KV?1?1；H?137.82kJ?kgL?1，S?0.4764kJ?kg?KL?1?1，
L?33?1V?1.005?10m?kg。设点②的干度为x，则过程(1)→(2)为等熵膨胀，S1?S2，有：
8.3951x?0.4764(1?x)?6.769，解得x?0.7439。
123
VL?1H2?H?x?H?(1?x)?2561.5?0.7439?137.82?(1?0.7439)?1940.8kJ?kg L?3?1WPUMP??V??P??1.005?10?(4000?5)??4.02kJ?kg ?1H4?H3?WPUMP?137.82?4.02?141.83kJ?kg
WS?H1?H2?3213.6?1940.8?1272.8kJ?kg
?1Q1?H1?H4?3213.6?141.83?3071.8kJ?kg ?1Q2?H3?H2?137.82?1940.8??1803kJ?kg
?1① T
??WS?WPUMP1272.8?4.02??41.3%
Q13071.8③ S
② 五、查水蒸气表知：40kPa饱和蒸气的
VV?1?1S?7.670kJ?kg?K。以该S与P1?1000kPa条件由过热蒸气表查得其温度为t1?468.97℃。与P1?1000kPa模拟试题(2)—试题五附图
相对应的饱和蒸气温度为179.91℃，所以蒸气的过热度为：
?t?468.97?179.91?289.0℃，即蒸气的最小过热度为289℃。从气耗率定义知：
SSC?36003600?1?1?1(kg?kW?h)?408kg?h，则WN??8.82kW，即透平理论上可输出的WN408功率为8.82kW。
124
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，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ln?1?0，则必有ln?2?0。（ ）
9 Gibbs函数与逸度系数的关系是G(T,p)?Gig(T,p?1)?RTlnf。 （ ） 10 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PS(T)。 （ ） 15 当压力趋于零时，M(T,p)?Mig(T,p)?0（M是摩尔容量性质）。（ ）
16 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
V?90x1+50x2+(6x1+9x2)x1x2
其中V的单位是cm3 /mol。试确定在该温度压力下： (1) 用x1 表示V1，V2； (2) 无限稀释下V1?，V2?的值；
(3) 作图V－x1 ,在图上标出V1，V2，V1，V2的点。
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：
??ln[7.502P1S]?16.6513?Sln[7.502P2]?16.2874?2940.46
T?35.932945.47
T?49.15P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x1 =0.35时的平衡压力与气相组成；（3）溶液中总组成为Z1?0.8，当P为85kPa下55℃时的液相分率以及气液相组成。
四（10分） 说明蒸气动力循环的工作原理（画出工作示意图并在相应的T－S图上标示循环过程）。并据此提出提高蒸气效率的举措。
125
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、nV?90n1?50n2?n1n2(6n1?9n2)，则： n2 100 90 80 V ??(nV)?V1????90?(x2?2x1x2)(6x1?9x2)?6x1x2?n ?1?n2?90?9(1?x1)2(1?2x1)??(nV)?V2????50?x1(1?2x2)(6x1?9x2)?n ?2?n12?50?3x1(?3?7x1?2x1)V2? V2 70 23?1V?limV1?lim??90?9(1?x1)(1?2x1)???99.0cm?molx1?0x1?0?1
23?1V2??limV2?lim??50?3x1(?3?7x1?2x1)???56cm?molx2?0x1?160 V1?
三、当T=328K时
P?96.41kPa，P?40.83kPa。
S(1) 当x1?0时，P?P2?40.83kPa，y1?0； S1S250 V1 40 0.0 0.6 0.8 x 模拟试题(3)—试题二附图 0.2 0.4 1.0 S当x1?0.1时，P?P1Sx1?P2x2?96.41?0.1?40.83?0.9?46.39kPa，
P1Sx196.41?0.1y1???0.208；同理其他数据点计算结果如下表所示：
P46.39x1 P/kPa
0 40.83 0.1 46.39 0.2 51.95 0.3 57.5 0.4 63.06 0.5 68.62 0.6 74.18 0.7 79.74 0.8 85.29 0.9 90.85 1.0 96.41
S(2) 当x1?0.35时，P?P1Sx1?P2x2?96.41?0.35?40.83?0.65?60.28kPa P1Sx196.41?0.35y1???0.560
P60.28y1
0.0 0.208 0.371 0.503 0.612 0.702 0.780 0.846 0.904 0.955 1.0
(3) 以1mol混合物为计算基准，设液相分率为?，则有：
SP?P1Sx1?P2x2?96.41x1?40.83(1?x1)?85，解得x1?0.795
P1Sx196.41?0.795y1???0.901
P85?x1?(1??)y1?z1?0.8，解得??0.953
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
126
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。
锅炉
气轮机
水泵
冷凝器
Rankine循环的示意图和T-S图
1→2 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
WS??H?H2?H1kJ?kg?1
2→3 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
Q2??H?H3?H2WP??H?H4?H3kJ?kg?1 kJ?kg?1
3→4 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 将水看作是不可压缩流体，则
WP??VdP?V?P4?P3?kJ?kg?1
P3P44→1 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
Q1??H?H1?H4kJ?kg?1
理想Rankine循环的热效率
????Ws?WP?Q1??H1?H2???H3?H4?H1?H4
蒸气动力循环中，水泵的耗功量远小于气轮机的做功量
???WsH1?H2? Q1H1?H4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。 （2） 提高蒸气的压力
当蒸气压力提高时，热效率提高、而气耗率下降。但是随着压力的提高，乏气的干度下
127