107年 - 107 高等考試_三級_核子工程：工程熱力學#70989

科目：工程熱力學 | 年份：107年 | 選擇題數：0 | 申論題數：15

試卷資訊

所屬科目：工程熱力學

選擇題 (0)

申論題 (15)

⑴ Principal of Corresponding States，請說明此原理（principal）的具體應用與應用的方式。（10 分）

⑵熱力學第零定律，請說明指出此定律所定義之物質熱力學性質（thermodynamic property）。（5 分）

⑶熱力學第三定律。（5 分）

二、依據熱力學第二定律將能量由熱的形式轉換為功的形式時，一定要排除廢熱才能循環運作，很多人認為不可思議，廢熱也是「能源」，為什麼要浪費！但是人們可以接受能量（熱）只能從高溫的物質傳給低溫的物質，卻不能從低溫傳到高溫是一個真理。請證明前述兩個物理現象事實上是一體的兩面，亦即若接受一個為真理，另一個也是真理。（15 分）

⑴熱機（heat engine）：運轉高低溫度分別為 800°K 與 300°K。熱機由高溫熱源（high temperature reservoir）接受 100 kJ 的熱，排放 50 kJ 的廢熱到低溫熱沉（low temperature reservoir）。

⑵冷凍裝置（refrigerator）：運轉於高低溫度分別為-3℃與 37℃的區域。該裝置使用 50 kJ 的功（work），由低溫區抽取 100 kJ 的熱到高溫區。

⑶熱泵（heat pump）：運轉於高低溫度分別為-23℃與 27℃的區域。熱泵由低溫區抽取 100 kJ 的熱能，送出 150 kJ 的能量送到高溫區。

四、一個發明家設計了一個熱泵，宣稱可以用 2 kW 的功（work），自-3℃的室外環境移動 20 kW 的能量到 27℃的室內，請用克勞希爾斯不等式（Clausius Inequality）驗證該發明家的說詞是否屬實。（10 分）

⑴一個理想郎肯循環（ideal Rankine Cycle）汽渦輪機進口為 7 MPa 的飽和蒸汽，冷凝器的溫度（汽機出口）為 25℃，請計算熱效率。（5 分）

⑵若汽渦輪機的效率（isentropic efficient）為 0.90，飼水泵浦的效率（isentropic efficient）為 0.95，其他條件維持不變，請計算熱效率。（10 分）

⑶請說明如何更改該郎肯循環的設計參數以提昇熱效率。請用簡單的圖示法說明所提的變更，確實可以提升熱效率。（5 分）

⑷在郎肯循環加入再熱器（reheater）與飼水加熱器（feedwater heater）可以提升熱效率。飼水加熱器有兩種形式，開放式與封閉式。請繪製一個同時具有再熱器（reheater），開放式飼水加熱器（open feedwater heater）與封閉式飼水加熱器（closed feedwater heater）之郎肯循環系統簡圖。請明確標明簡圖中的設備名稱。（6 分）

⑸請說明為何飼水加熱器（feedwater heater）可以提升郎肯循環的熱效率？飼水加熱器對循環的運作是否有不利的影響。（4 分）

⑹假設⑵中的鍋爐熱源（thermal reservoir）的溫度為 290℃，請計算鍋爐的熱力學第二定律熱效率（Second Law Efficiency）。（5 分）

⑺假設⑵中的鍋爐熱源（thermal reservoir）的溫度為 290℃，請計算該郎肯循環的熱力學第二定律熱效率（Second Law Efficiency）。（5 分）