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112年 - 112 專技高考_化學工程技師：輸送現象與單元操作#117650

科目：輸送現象與單元操作 | 年份：112年 | 選擇題數：0 | 申論題數：8

試卷資訊

所屬科目：輸送現象與單元操作

選擇題 (0)

申論題 (8)

(一)何謂冪次定律流體（power law fluid） ，請繪出其剪應力（shear stress, τ）和速度梯度（velocity gradient）的關係，並說明流體的流動行為指 數（flow behavior index, n）對關係曲線的影響。（5 分）
(二)今有一水平圓管，管內的流體為牛頓流體（Newtonian fluid），流動形 式為層流（laminar flow）且呈穩定狀態（steady-state） 。請寫出 Newtonian fluid 的數學模式（含剪應力、速度梯度和常數等） ，並推導證明流體流 動的速度分布方程式（equation of velocity distribution）：
U = UMax [ 1- (r/R) 2 ]
式中：r 為半徑方向位置；R 為圓管之半徑；U 為在 r 位置的流速；UMax 為流體的最大流速（maximum velocity）。（10 分）
(二)今有一水平圓管，管內的流體為牛頓流體（Newtonian fluid），流動形 式為層流（laminar flow）且呈穩定狀態（steady-state） 。請寫出 Newtonian fluid 的數學模式（含剪應力、速度梯度和常數等） ，並推導證明流體流 動的速度分布方程式（equation of velocity distribution）：
U = UMax [ 1- (r/R) 2 ]
式中：r 為半徑方向位置；R 為圓管之半徑；U 為在 r 位置的流速；UMax 為流體的最大流速（maximum velocity）。（10 分）
(三)承本題(二)，試推導流體平均流速（average velocity）與最大流速的關係？（5 分）
二、比重 0.8，黏度（viscosity）為 0.02 Pa‧s 之某流體，水平流經內部直徑 （inner diameter）200 mm 之鋼管，體積流率（volume flow rate）為 85 m3/h， 鋼管長度為 150 m；管內部之摩擦因子（friction factor）為 0.001。求流 體在此系統的雷諾數（Reynold No.）NRe 以及每公尺管長的壓力降 （pressure drop）為多少 Pa？（15 分）
註：管子的壓降和摩擦係數（friction factor），關係如下：
(ΔP / ρ) = (4 f U2 L) / (2gc D)
ΔP 為壓力降；D 為管徑；f 為摩擦因子；ρ 為流體密度；U 為流體 平均流速；L 為管長。
(一)請推導出 T(x)的溫度分布方程式。 （20 分）
(二)由翅片傳送至流體的熱流率。（10 分） 
四、工業程序中同時伴有非均勻化學反應（heterogeneous chemical reaction）及擴散質量輸送（diffusion mass transport）之實例甚多。今有一球形煤粒， 其半徑為 R，靜置於空氣中，O2 擴散至球粒表面，發生下反應（圖三）：
2 C(s) + O2 (g) → 2 CO (g) 假設 CO 和 O2 在氣膜中不起化學反應，擴散僅在 r 方向發生，且此系統的質量傳送 （mass transfer） 呈穩定狀態。空氣中 O2之莫耳分率 （molar fraction） 為 21 %。試導出 O2 之莫耳流率（molar flow rate）（WO2）。（20 分）
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五、廠房內的空氣溫度為 30 ℃，壓力為 101.3 KPa，含有水蒸汽的分壓（partial pressure）為 12.54 KPa。若 30 ℃下水的飽和蒸汽壓（saturated vapor pressure）為 20.52 KPa，請計算該廠房的飽和濕度（saturation humidity, Hs）和百分比濕度（percentage humidity, Hp）。（15 分）