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熱力學與熱傳學
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103年 - 103 專技高考_機械工程技師:熱力學與熱傳學(包括熱機)#43184
> 申論題
題組內容
一、FLB 公司為測試新發現、可視為理想流體的單原子(monatomic)氣體之物理性 質,特別進行以下實驗。在某絕熱容器中置入 1.2 公斤的該氣體,此時氣體壓力值 為 500,溫度則為 25℃,而容器內部設有輪漿,其運作時,輸入容器中之功率為 25 瓦。已知,在輪漿持續運轉一個小時後,絕熱容器中的溫度提升至 50℃。請問:
(二)該氣體的氣體常數為何?(5 分)
相關申論題
(一)該氣體的等容比熱為何?(10 分)
#138315
(三)該絕熱容器的最終壓力為何?(5 分)
#138326
二、TPR 工業中心為開發 SDS 新材料之用途,特以該材料製作一個球形容器,其內、外 直徑分別為 6.0、6.3 公尺,內裝液態氧,且容器內之溫度為零下 200℃;該容器則 被置於 15℃、熱對流係數為 60 W/m2. ℃的溶液中。已知,液態氧的 k 值與 hfg 值分 別為 12 W/m.℃與 213 kJ/kg,請問,在此環境下,液態氧之氣化速率為何 ? (20 分)
#138316
三、XMD 公司自馬里亞納海溝採集到代號為甲、乙的兩種特殊氣體,決定要進行實驗 以測試這兩種氣體的特性。實驗之初,這兩種氣體被分別置於一個絕熱剛性容器內 的兩個相鄰獨立室中,氣體間以隔板完全隔絕。已知,甲氣體量有 4 kmol 而乙氣體 量則有 6 kmol,兩種氣體的溫度與壓力值均為 30℃與 300 kPa。實驗一開始,便將 中間隔板移除,讓該兩種氣體任意混和。設甲、乙兩種氣體均可被視為理想氣體, 請問,因為混和的這個程序而造成的總熵值變化為何?(20 分)
#138317
四、TSD 公司嘗試以新材料設計熱電偶(Thermocouples),而其熱電偶之前端是設計用 以測量溫度的裝置,為一直徑為 1 mm、熱傳導係數為 45 W/m. ℃的特殊材料球形 體;且該特殊材料之 SG 值為 8、等壓比熱為 300 J/kg.K。為檢測設計成果,特進行 以下實驗: 將原置於 20℃室溫的熱電偶放入溫度為 200℃的高壓蒸汽室中,經過 20 秒,如若所測得溫度與實際溫度差異在 1.5℃之內,即為有效之設計。已知蒸氣 的熱對流係數為 110 W/m2.℃,請計算並評估此熱電偶可否通過檢測。(20 分)
#138318
五、LXJ-300D 型渦輪噴射機以每小時 1008 公里的速度,在溫度為零下 50℃、壓力值為 30 的高空飛行。已知,空氣以每秒 60 公斤的流量進入壓縮機,且壓縮機的壓力比 為 15,而渦輪機入口之氣體溫度為 1200℃。已知,室溫時空氣的等壓比熱值為 1.005,則採用冷空氣標準假設(cold-air-standard assumption)時,噴嘴出口氣體的 速度為何?(20 分)
#138319
六、某板式熱交換器採用熱傳強化技術,分別提升其高溫側與低溫側水流之熱對流係數至 Dittus-Boelter 公式值之 2.2 倍與 1.5 倍。此熱交換器高溫側與低溫側流道之水利直徑(Hydraulic diameter)均為 300 mm,板材之熱導率為 15 Wm-1K-1、厚度為 5 mm、面積為 1.5 m2。當其高溫側與低溫側之水溫分別為 80℃與 40℃時,對應高溫水與低溫水之普朗特數(Prandtl number, Pr) 分別為 2.2 與 4.3。若高溫與低溫水流之雷諾數 (Re) 分別為 50000 與 25000, 請計算此板式熱交換器傳遞之熱傳功率(W) 。(10 分)Dittus-Boelter 公式:Nu = 0.023×Re0.8Prn,壁溫高於水溫時,n=0.4,壁溫 低於水溫時,n=0.3,高溫與低溫水之導熱率均為 0.65 Wm-1K-1。
#557734
五、某直徑為 5 cm、密度 8960 kgm-3、比熱 386 Jkg-1K-1、熱導率為 400 Wm-1K-1 之銅球處於熱力平衡狀態,溫度為 450℃,將此銅球投入溫度為 50℃之油池,其降溫期間銅球表面之自然對流係數維持於 15 Wm-2K-1,請計算此銅球溫度降至 100℃所需之時間。 (25 分)
#557733
四、乾度為 0.9 之 7 bar 水蒸汽於汽缸中等溫可逆膨脹至 1.5 bar,於此過程饋入汽缸之熱量為 800 kJ/kg,請計算此過程輸入或輸出之功(kJ/kg) 。(10 分) 蒸汽 1.5 bar,飽和溫度為 111.4℃。蒸汽內能與焓分別以 u 及 h 表示,其下標 f 與 g 分別代表飽和液體與飽和汽體狀態。蒸汽 7 bar,uf = 696 kJ/kg, ug = 2573 kJ/kg,hf = 697 kJ/kg,hg = 2764 kJ/kg,其飽和溫度為 165℃。 過熱蒸汽於 7 bar 之內能與焓如下所示:
#557732
三、請於溫熵圖中繪製下圖所示之燃氣渦輪機熱力循環,並計算此燃氣渦輪機輸出功率及熱效率。燃氣定壓比熱為 1.1 kJ/(kgK),定壓與定容比熱之 比值為 1.4。(20 分)
#557731
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