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北京化工大学2015——2016学年第一学期 《化工热力学》期末考试试卷 课程代码 C H E 3 3 5 0 0 T 班级： 姓名： 学号： 任课教师： 分数： 题号 一 二 三 四 五 总分 得分 一、（2?8=16分）正误题（正确的画○，错误的画×，标在[ ]中） ［ × ］二元混合物若形成共沸，则各组分的无限稀释活度系数必大于1. ［ × ］对于理想溶液，混合过程的所有性质变化均为零. ［ × ］当压力趋于零时，真实气体的剩余焓和剩余体积都趋于零. ［ ○ ］气体的亨利系数越大则其溶解度越小. ［ ○ ］卡诺热机的第二定律?效率为100%. ［ ○ ］高压气体分别经等焓与等熵膨胀到同一压力，若无相变发生，则前者温度一定高于后者. ［ ○ ］在蒸汽压缩制冷循环中，制冷剂在低温区蒸发并在高温区冷凝. ［ × ］在空气的T-S图上，两相区内等压线和等温线是重合的. 二、（6?4=24分）简答题（写出关键点即给分） 目前车用压缩天然气（Compressed natural gas, CNG）要求将其压缩至常温常压（298 K, 1 atm）下体积的1%后才能使用，说明如何计算储存CNG的容器耐受的最低压力。假设CNG为纯甲烷，Tc=190.6 K, Pc=4.6 MPa（说明计算过程，无需数值计算）. 【答】298 K和1 atm 下的甲烷可视作理想气体，求出压缩前V0=RT0/P0；（2分）根据题意压缩后 V1=V0/100，而CNG应在常温下使用，T1=T0； 由于该状态压力较高，可选择三次型方程计算Z1，求出P1=Z1RT1/V1. （4分） （第一步未采用理想气体近似用较复杂方法求解；第二步用维里方程、用普遍化关联等方法迭代试差求解，暂不扣分） 温度为T1的湿蒸气经过节流膨胀后变为过热蒸汽，其温度和压力分别为T2和P2, 请根据上述信息和水蒸气表说明如何确定该湿蒸汽的干度（即饱和蒸汽的质量分数）. 【答】由T2和P2查过热水蒸汽表得到H2，而节流膨胀为等焓过程（2分），设膨胀湿蒸汽干度为x1v，有： H2=H1=x1vHvap+(1-x1v)Hliq，（2分） 其中Hvap和Hliq分别为T1下饱和蒸汽与饱和液相的焓，可从饱和水蒸汽表查到。最后根据上式解出x1v.（2分） 简述如何利用水蒸气表计算200°C和10 bar下过热水蒸汽的剩余焓HR. （说明基本原理、所用合理近似和计算过程，无需数值计算） 【答】根据定义HR(T,P)=H(T,P)-HIG(T,P)，（2分）前者可直接从水蒸汽表查到，后者为理想气体的焓HIG(T,P)= HIG(T,P→0)≈H(T,P→0)，（2分）因此可以在水蒸汽中在同一温度下查出一系列低压下的H外推至P→0得到HIG(T,P)；二者相减即得HR. （2分）未明确说明外推者暂不扣分 【法二】（正确采用此法者暂不扣分） 水蒸汽表中数值的基准点为三相点的液态，T0=0.01 °C，P0=612 Pa，因为三相点压力很低，对应饱和蒸汽可近似为理想气体，可设计下列热力学路径： HIG(T,P) →HIG(T0,P0) →Hvap(T0,P0)→Hliq(T0,P0)→H(T,P) 1 2 3 4 其中ΔH1由理想气体热容积分得到，ΔH2≈0，ΔH3查饱和水蒸汽表T0下的蒸发焓，ΔH4直接查水蒸汽表. 何谓Gibbs-Duhem方程，它有什么应用？ 【答】Gibbs-Duhem方程反映了混合体系中各组分偏摩尔量随组分浓度变化时必须满足的内在联系，对任意偏摩尔量，其数学表达式为： (1) 特别的，在等温等压下： (2) 利用Gibbs-Duhem方程可以进行热力学一致性校验，完成一些热力学关系的证明，对二元体系还可以从其中一个组分的偏摩尔性质积分得到另外一个组分的偏摩尔性质。 （写出(1),(2)任意一式即给4分，关于应用只要合理描述即给2分） 三、（25分）分析题 下图为Rankine循环过程的在温熵图上的示意图，其中：1?2锅炉供热量为QH，3?4乏汽冷凝放热量为QC ，2?3涡轮机产功为Ws（3?为等熵膨胀的终点），4?1通过泵压缩冷凝水耗功为Wp. 假设环境温度为T0，涡轮机和压缩机的等熵效率分别为ηE和ηC，燃烧炉（高温热源）供热的温度为TH，而冷凝器换热温度为TC. 对该循环，试： (1) 在压焓图上示意其过程； (2) 根据压焓图上的焓值计算其热效率，并与卡诺循环热效率比较； (3) 写出过程的?平衡方程； (4) 分析四个设备各自有无?损失，并简要说明其计算过程. T TH TL 【答】(1)（6分） 正确标