14章习题提示与答案

习题提示与答案 第十四章 化学热力学基础

14-1 列出辛烷(C 8H 18)在95%的理论空气量下燃烧时的化学反应方程，已知生成物为CO 2、CO 、H 2O 及N 2。

提示：C 8H 18在空气中燃烧反应的当量方程：

C 8H 18+12.5O 2+(12.5×3.76)N 2→8CO 2+9H 2O+47N 2

95%的理论空气量下的燃烧反应中生成物除CO 2、CO 、H 2O 之外，还有CO ；反应前后各元素质量守恒。

答案： C 8H 18+11.875O 2+44.65N 2→6.75CO 2+9H 2O+1.25CO+44.65N 2。

14-2 试求丙烷(C 3H 8)在过量空气量为20%的空气中燃烧时的空气燃料比。

提示：空气燃料比为空气量与燃料量的比值，分为摩尔空气燃料比和质量空气燃料比；丙烷(C 3H 8)在过量空气量为20%的空气中燃烧时的化学反应方程：

C 3H 8+(5×1.2)O 2+(6×3.76)N 2→ 3CO 2+4H 2O+22.56N 2+(0.2×5) O 2

答案：摩尔空气燃料比Z 0=28.56，质量空气燃料比'0

Z =18.8。

14-3 设有某种碳氢化合物燃料在空气中燃烧。当取出生成物中的水分后，分析得到生成物的摩尔分数为2

CO y ＝12.5%；CO y ＝0.5%；2

O y ＝3.0%；2

N y ＝84%，试求该燃烧过程的质量空气燃料比。

提示：空气燃料比为空气量与燃料量的比值。设燃料为C x H y ，燃烧反应方程为

C x H y +22.34O 2+84N 2→12.5CO 2+z·H 2O+0.5CO+84N 2

燃烧反应前后各元素质量守恒。

答案：燃料为 C 13H 26.36，质量空气燃料比89.16Z '0=。

14-4 试求丙烷(C 3H 8)的标准定压热值。

提示：标准状态下(25 ℃、1 atm)燃料完全燃烧时所释放的热量的绝对值称为标准定压热值，其值为

R p ΔH H H Q p -=-=

丙烷(C 3H 8) 燃烧时的当量方程：

C 3H 8+5O 2+5×3.76N 2→3CO 2+4H 2O+18.8N 2

()

8322H C O H CO R p H H H H H H -+=-=∆()()

0H C f,m,0O H f,m,0CO f,m,8

32243H H H -+= 0f

m,H 为标准生成焓。 答案：p Q 0270442= kJ/kmol(低热值)。

14-5 试求气体状态辛烷(C 8H 18)的标准定压热值。

提示：参见习题14-4的提示。气体状态辛烷(C 8H 18) 燃烧时的当量方程：

C 8H 18(g)+12.5O 2+12.5×3.76N 2→8CO 2+9H 2O(g)+47N 2

18822H C O H CO R p )(ΔH H H H H H -+=-=0H C f,m,0O H f,m,0CO f,m,18

82298H H H -+=。 答案：1721165=p Q kJ/kmol 。

14-6 设甲烷(CH 4)在温度为25 ℃的理论空气量中定压燃烧，试求其理论燃烧温度。

提示：理论燃烧温度为在与外界绝热的条件下，燃料在给定的过量空气中完全燃烧，燃烧生成物的温度。甲烷(CH 4) 燃烧时的当量方程：

CH 4+2O 2+2×3.76N 2→CO 2+2H 2O+7.52N 2

绝热燃烧温度时应满足

0p R =-=H H Q p

即 p R H H = H R 与H P 中的显焓变化与温度直接相关：

H H H T m ∆+=0f m,)(m(298 K →T )＝0

f m,H +⎰T p T

C K 298m ,0d 温度为25 ℃时，有

∑=R

0f m,R nH H 0

CH f,m,4H =

p H ()∑∆+=P

m 0f m,H H n (

)()

22222N m,O H m,0

O H f,m,CO m,0CO f,m,52.72H H H H H ∆+∆++∆+=

即 ()()

2

22224N m,O H m,0O H f,m,CO m,0CO f,m,0CH f,m,52.72H H H H H H ∆+∆++∆+=， ()

0O

H f,m,0CO f,m,0CH f,m,N m,O H m,CO m,224222252.72H H H H H H +-=∆+∆+∆ 标准生成焓0O H f,m,0CO f,m,0CH f,m,224H H H 、、与理论燃烧温度T 相关。借助于相关表格查得2CO m,H ∆、O H m,2

H ∆、2N m,H ∆的数据，用试凑法求理论燃烧温度T 。

答案：T =2 329.13 K 。

14-7 试求在温度为2 000 K 下CO 2的离解度。设系统的压力为(1)1 atm ；(2)10 atm 。

提示：离解度为化学平衡状态下生成物离解的比率。 CO 2离解时的当量方程：

22O 2

1

CO CO +

⇔ 离解度α时反应方程：

C+O 2→(1﹣α)CO 2+αCO+0.5O 2

平衡时平衡常数和各组成气体分压力的关系为

n p p y y y p p p K Δ0

2

1CO

O

CO 2

1CO

O

CO 22

22

⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛= 各物质的摩尔分数为离解度α的函数。定温定压反应中，温度确定，平衡常数K p 即有确定的值。

答案：(1)9014.0=α；(2)007.0=α。

14-8 水蒸气和一氧化碳发生反应生成水煤气，其化学反应方程为CO+H 2O →H 2+CO 2。试求此反应在温度为2 000 K 时的平衡常数。

提示：复杂化学反应的平衡常数为组成该复杂反应的基本化学反应的平衡常数之积。 水蒸气和一氧化碳发生反应生成水煤气的化学反应方程：

222H CO O H CO +⇔+

可看做由下列两种基本化学反应组合而成：

；

222H O 21O H +⇔

2CO O 2

1

CO ⇔+ 三个反应的平衡常数分别为1p p K K 、及2p K ，则有21p p p K K K =。定温定压反应中，温度确定，平衡常数K p 即有确定的值。

答案：K p = 0.220 9。

14-9 设有1 mol 碳和0.9 mol 氧燃烧，若反应在压力保持0.101 325 MPa(1 atm)的条件下进行，燃烧后温度升高到3 000 K ，试求生成物的摩尔分数。

提示：不考虑CO 2热离解时的反应方程：

C+0.9O 2→0.8CO 2+0.2CO

T =3 000K 时CO 2的离解度为α，则有

()()222O 2

1

CO 2.0CO 8.00.9O C ααα+

++-→+ 各生成物质的摩尔分数为离解度α的函数。

2CO 离解时的反应方程为

22O 2

1

CO CO +⇔

其平衡常数为n

p p y y y K ΔCO 21CO 22⎪

⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛=，且与温度相关。 答案：454.02CO =y ，422.0CO =y ，124.02O =y 。