化学工程过程导论/第一章练习题

第一章练习题

示例

问题

1. 使用适当的有效数字进行以下转换

a) $1.5{\frac {g}{s}}\rightarrow {\frac {lb}{hr}}$

b) $4.5*10^{2}{\mbox{ W}}\rightarrow {\frac {btu}{min}}$

c) $34{\frac {\mu g}{\mu m^{3}}}\rightarrow {\frac {oz}{in^{3}}}$

d) $4.18{\frac {J}{g*oC}}\rightarrow {\frac {kWh}{lb*oF}}$ (注：kWh 代表千瓦时)

e) $1.00{\mbox{ m}}^{3}\rightarrow L\rightarrow dm^{3}\rightarrow mL\rightarrow cm^{3}$

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问题

2. 对以下方程进行量纲分析，以确定它们是否合理

a) $v=dt$，其中 v 是速度，d 是距离，t 是时间。

b) $F={\frac {m*v^{2}}{r}}$ 其中 F 是力，m 是质量，v 是速度，r 是半径（距离）。

c) $F_{bouy}=\rho *V*g$ 其中 $\rho$ 是密度，V 是体积，g 是重力加速度。

d) ${\dot {m}}={\frac {\dot {V}}{\rho }}$ 其中 ${\dot {m}}$ 是质量流量，${\dot {V}}$ 是体积流量，$\rho$ 是密度。

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问题

3. 回忆一下理想气体定律是 $PV=nRT$ 其中 P 是压力，V 是体积，n 是摩尔数，R 是一个常数，T 是温度。

a) R 的单位用基本单位类型（长度、时间、质量和温度）表示是什么？

b) 展示这两个 R 值如何等效：$R=0.0821{\frac {L*atm}{mol*K}}=8.31{\frac {J}{mol*K}}$

c) 如果一个理想气体存在于一个密闭容器中，摩尔密度为$0.03{\frac {mol}{L}}$，压力为 $0.96*10^{5}{\mbox{ Pa}}$，容器保持在什么温度？

d) 如果容器中的总压为 $6{\mbox{ atm}}$，一个偏压为$4.5*10^{5}{\mbox{ Pa}}$的理想气体的摩尔浓度是多少？

e) 在什么温度和压力下，气体最有可能和最不可能是理想气体？(提示：当你有液体时，你不能使用它)

f) 假设你想将两个单独的罐子中的理想气体混合在一起。第一个罐子保持在 500 Torr 的压力下，包含 50 摩尔的水蒸气和 30 摩尔的水，温度为 70oC。第二个罐子保持在 400 Torr 和 70oC。第二个罐子的体积与第一个罐子的体积相同，并且两个罐子中水蒸气的摩尔数与水的摩尔数的比率相同。

你将气体重新组合到一个与前两个罐子大小相同的罐子中。假设温度保持不变，最终罐子中的压力是多少？如果罐子能承受 1 个大气压，它会爆炸吗？

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问题

4. 考虑反应$H_{2}O_{2}<->H_{2}O+{\frac {1}{2}}O_{2}$，许多生物体通过这个反应来消除过氧化氢。

a). 该反应的标准焓变是多少？在什么条件下它成立？

b). 该反应的标准吉布斯自由能变化是多少？在什么条件下它成立？在标准条件下，反应自发进行的方向是什么？

c). 如果初始过氧化氢浓度为 0.01M，在生物条件（1 个大气压和 37oC）下的吉布斯自由能变化是多少？假设氧气是细胞中唯一存在的氣体。

d). c 部分条件下的平衡常数是多少？b 部分条件下的平衡常数是多少？常数与什么无关？

e). 针对替代反应 $H_{2}O_{2}\rightarrow H_{2}+O_{2}$重复 a 到 d 部分。为什么不用这个反应代替？

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问题

5. 两种理想气体 A 和 B 结合形成第三种理想气体 C，反应为$A+B\rightarrow C$。假设该反应是不可逆的，并在 5L 容器中于 25oC 的恒定温度下进行。如果你从 0.2 摩尔的 A 和 0.5 摩尔的 B 开始，总压为 1.04 个大气压，当反应完成时，压力是多少？

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6. 当 45 克甲烷在标准条件下在过量空气中燃烧时，释放多少热量？当相同质量的葡萄糖燃烧时呢？大多数异养生物使用葡萄糖而不是甲烷作为燃料的一个可能原因是什么？假设燃烧是完全的，即没有形成一氧化碳。

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问题

7. 假设你有一个罐子，里面装有比例为 1.5:1 的一氧化碳和水。

a) 在文献中，找到这两种化合物发生的反应（提示：寻找 *水煤气变换* 反应）。为什么这是一个重要的反应？

b) 使用形成吉布斯自由能表，计算该反应的平衡常数。

c) 从这种初始混合物中可以产生多少氢气？

d) 如何提高氢气的产率？（提示：回顾勒沙特列原理的平衡）。

e) 你认为哪些因素可能会影响反应达到平衡所需的时间？

问题 8. 一个生物燃料厂通过发酵过程将玉米中的糖（葡萄糖）转化为乙醇和二氧化碳。该工厂每分钟生产 100 加仑（加仑/分钟）的乙醇，每蒲式耳玉米可以生产 2.5 加仑的乙醇。吉米总共耕种了 2000 英亩土地，其中 75% 种植了玉米。他以每蒲式耳 4.00 美元的价格将 80% 的玉米供应卖给了生物燃料厂。（提示：120 蒲式耳 = 1 英亩）

a) 该工厂可以用吉米的玉米供应量运行多长时间？（小时）

b) 吉米从他的玉米中赚了多少钱？

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