化學工程過程導論/第一章練習題

第一章練習題

示例

問題

1. 使用適當的有效數字進行以下轉換

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 代表千瓦時)

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

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問題

2. 對以下方程進行量綱分析，以確定它們是否合理

a) $v=dt$，其中 v 是速度，d 是距離，t 是時間。

b) $F={\frac {m*v^{2}}{r}}$ 其中 F 是力，m 是質量，v 是速度，r 是半徑（距離）。

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

d) ${\dot {m}}={\frac {\dot {V}}{\rho }}$ 其中 ${\dot {m}}$ 是質量流量，${\dot {V}}$ 是體積流量，$\rho$ 是密度。

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問題

3. 回憶一下理想氣體定律是 $PV=nRT$ 其中 P 是壓力，V 是體積，n 是摩爾數，R 是一個常數，T 是溫度。

a) R 的單位用基本單位型別（長度、時間、質量和溫度）表示是什麼？

b) 展示這兩個 R 值如何等效：$R=0.0821{\frac {L*atm}{mol*K}}=8.31{\frac {J}{mol*K}}$

c) 如果一個理想氣體存在於一個密閉容器中，摩爾密度為$0.03{\frac {mol}{L}}$，壓力為 $0.96*10^{5}{\mbox{ Pa}}$，容器保持在什麼溫度？

d) 如果容器中的總壓為 $6{\mbox{ atm}}$，一個偏壓為$4.5*10^{5}{\mbox{ Pa}}$的理想氣體的摩爾濃度是多少？

e) 在什麼溫度和壓力下，氣體最有可能和最不可能是理想氣體？(提示：當你有液體時，你不能使用它)

f) 假設你想將兩個單獨的罐子中的理想氣體混合在一起。第一個罐子保持在 500 Torr 的壓力下，包含 50 摩爾的水蒸氣和 30 摩爾的水，溫度為 70oC。第二個罐子保持在 400 Torr 和 70oC。第二個罐子的體積與第一個罐子的體積相同，並且兩個罐子中水蒸氣的摩爾數與水的摩爾數的比率相同。

你將氣體重新組合到一個與前兩個罐子大小相同的罐子中。假設溫度保持不變，最終罐子中的壓力是多少？如果罐子能承受 1 個大氣壓，它會爆炸嗎？

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問題

4. 考慮反應$H_{2}O_{2}<->H_{2}O+{\frac {1}{2}}O_{2}$，許多生物體透過這個反應來消除過氧化氫。

a). 該反應的標準焓變是多少？在什麼條件下它成立？

b). 該反應的標準吉布斯自由能變化是多少？在什麼條件下它成立？在標準條件下，反應自發進行的方向是什麼？

c). 如果初始過氧化氫濃度為 0.01M，在生物條件（1 個大氣壓和 37oC）下的吉布斯自由能變化是多少？假設氧氣是細胞中唯一存在的氣體。

d). c 部分條件下的平衡常數是多少？b 部分條件下的平衡常數是多少？常數與什麼無關？

e). 針對替代反應 $H_{2}O_{2}\rightarrow H_{2}+O_{2}$重複 a 到 d 部分。為什麼不用這個反應代替？

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問題

5. 兩種理想氣體 A 和 B 結合形成第三種理想氣體 C，反應為$A+B\rightarrow C$。假設該反應是不可逆的，並在 5L 容器中於 25oC 的恆定溫度下進行。如果你從 0.2 摩爾的 A 和 0.5 摩爾的 B 開始，總壓為 1.04 個大氣壓，當反應完成時，壓力是多少？

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問題

6. 當 45 克甲烷在標準條件下在過量空氣中燃燒時，釋放多少熱量？當相同質量的葡萄糖燃燒時呢？大多數異養生物使用葡萄糖而不是甲烷作為燃料的一個可能原因是什麼？假設燃燒是完全的，即沒有形成一氧化碳。

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問題

7. 假設你有一個罐子，裡面裝有比例為 1.5:1 的一氧化碳和水。

a) 在文獻中，找到這兩種化合物發生的反應（提示：尋找 *水煤氣變換* 反應）。為什麼這是一個重要的反應？

b) 使用形成吉布斯自由能表，計算該反應的平衡常數。

c) 從這種初始混合物中可以產生多少氫氣？

d) 如何提高氫氣的產率？（提示：回顧勒沙特列原理的平衡）。

e) 你認為哪些因素可能會影響反應達到平衡所需的時間？

問題 8. 一個生物燃料廠透過發酵過程將玉米中的糖（葡萄糖）轉化為乙醇和二氧化碳。該工廠每分鐘生產 100 加侖（加侖/分鐘）的乙醇，每蒲式耳玉米可以生產 2.5 加侖的乙醇。吉米總共耕種了 2000 英畝土地，其中 75% 種植了玉米。他以每蒲式耳 4.00 美元的價格將 80% 的玉米供應賣給了生物燃料廠。（提示：120 蒲式耳 = 1 英畝）

a) 該工廠可以用吉米的玉米供應量執行多長時間？（小時）

b) 吉米從他的玉米中賺了多少錢？

解決方案