题目
含有丙烷的 0.5 , (m)^3 容器具有 2.7 , (MPa) 的耐压极限。出于安全考虑,规定充进容器的丙烷为 127^circ (C),压力不得超过耐压极限的一半。试问可充入容器的丙烷有多少千克?
含有丙烷的 $0.5 \, \text{m}^3$ 容器具有 $2.7 \, \text{MPa}$ 的耐压极限。出于安全考虑,规定充进容器的丙烷为 $127^{\circ} \text{C}$,压力不得超过耐压极限的一半。试问可充入容器的丙烷有多少千克?
题目解答
答案
根据题目条件,$ P = 1.35 \, \text{MPa} $,$ T = 400 \, \text{K} $,$ V = 0.5 \, \text{m}^3 $。
对比参数为:$ T_r = 1.082 $,$ P_r = 0.318 $。
取 $ Z \approx 0.9 $,由 $ PV = Z n R T $ 可得:
\[
n = \frac{P V}{Z R T} = \frac{1.35 \times 10^6 \times 0.5}{0.9 \times 8.314 \times 400} \approx 225.5 \, \text{mol}
\]
质量为:
\[
m = n M = 225.5 \times 0.0441 \approx 10 \, \text{kg}
\]
最终结果:可充入丙烷约10 kg。
答案:约10 kg。
解析
考查要点:本题主要考查真实气体状态方程的应用,涉及压力、温度、体积与物质的量之间的关系,以及单位换算和压缩因子的使用。
解题核心思路:
- 确定安全工作压力:题目规定压力不得超过耐压极限的一半,需先计算安全压力值。
- 温度单位转换:将摄氏温度转换为开尔文。
- 应用修正后的理想气体方程:利用公式 $PV = ZnRT$ 计算物质的量,其中 $Z$ 为压缩因子。
- 计算质量:通过物质的量与摩尔质量的乘积得到最终质量。
破题关键点:
- 压缩因子 $Z$ 的合理取值直接影响结果,需根据题目给定参数(对比参数 $T_r$ 和 $P_r$)确定。
- 单位统一:压力需转换为帕斯卡(Pa),温度为开尔文(K)。
步骤1:确定安全工作压力
容器耐压极限为 $2.7 \, \text{MPa}$,安全压力不得超过其一半:
$P = \frac{2.7}{2} = 1.35 \, \text{MPa} = 1.35 \times 10^6 \, \text{Pa}$
步骤2:温度单位转换
题目中温度为 $127^\circ \text{C}$,转换为开尔文:
$T = 127 + 273 = 400 \, \text{K}$
步骤3:计算物质的量 $n$
根据修正后的理想气体方程 $PV = ZnRT$,变形得:
$n = \frac{PV}{ZRT}$
代入已知数据:
$n = \frac{1.35 \times 10^6 \times 0.5}{0.9 \times 8.314 \times 400} \approx 225.5 \, \text{mol}$
步骤4:计算丙烷质量
丙烷的摩尔质量 $M = 0.0441 \, \text{kg/mol}$,因此质量为:
$m = nM = 225.5 \times 0.0441 \approx 10 \, \text{kg}$