108 年 國立成功大學航空太空工程學系碩士班丁組《熱力學》
第 一 題15 分
A rigid and insulated container is divided by a partition, one side is vacuum, the other side is filled with a gas of P=2.0 bar, T=400 degree K and volume V=20 liters. When the partition is removed, the final pressure becomes 1.0 bar, what is the final volume and final temperature?
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本題考驗自由膨脹(Free Expansion)的過程分析,以及理想氣體狀態方程式的應用。
核心觀念:
自由膨脹是指氣體從高壓區膨脹到低壓區,且膨脹過程中不對外作功,也不與外界交換熱能的過程。對於理想氣體,自由膨脹過程中內能保持不變。
解題過程:
-
初期狀態分析:
- 容器是剛性(rigid)且絕熱(insulated)的,代表體積固定且無熱交換 ()。
- 初始氣體狀態:
- 壓力
- 溫度
- 體積
- 另一側是真空。
-
過程分析 (移除隔板):
- 移除隔板後,氣體會自由膨脹,充滿整個容器。
- 由於容器是絕熱的,過程的熱量交換 。
- 由於氣體膨脹是到真空,它對外不作功,因此功 。
- 根據熱力學第一定律 ,可得 。
- 對於理想氣體,內能 僅是溫度的函數,即 。因此, 意味著溫度變化為零,即 。
-
計算最終體積:
- 當隔板移除後,氣體膨脹並充滿整個容器。題目並未給出容器的總體積,但通常這類題目假設容器是分隔成兩部分,移除隔板後氣體會膨脹到「整個」容器的體積。
第 二 題10 分
在某個炎熱夏天的日子,有一廠商拜訪你,說開發了某種高效率熱機(heat engine),詢求你的參予。廠商告訴你,熱機的操作極溫可達600度K,他們也告訴你那天中午的熱機測試顯示,每100單位的燃燒熱能投入可以得到55單位的電能。技術上,你會接受這陳述嗎?請說明你的推論依據。
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本題考驗對熱力學第二定律及其應用,特別是卡諾效率(Carnot efficiency)的概念,來判斷一個熱機的理論可行性。
核心觀念:
熱力學第二定律指出,任何熱機的效率都不可能超過工作於兩個溫度之間的最大理論效率,即卡諾效率。卡諾效率的公式為 ,其中 是冷源溫度, 是熱源溫度。
解題過程:
-
廠商提出的熱機參數:
- 最高操作溫度(熱源溫度):。
- 熱機測試結果:投入 單位燃燒熱能,得到電能(淨功輸出) 單位。
-
計算廠商熱機的實際效率:
- 熱機的效率定義為輸出功與輸入熱能的比值:
- 代入數據:
或 。
- 熱機的效率定義為輸出功與輸入熱能的比值:
-
計算理論最大效率(卡諾效率):
- 要計算卡諾效率,我們需要知道冷源的溫度 。題目並未直接給出冷源溫度,但通常熱機的冷源會是周圍環境的溫度。在「炎熱夏天的日子」這個情境下,我們可以合理假設環境溫度(冷源溫度)不會太低。
- 假設冷源溫度: 為了進行比較,我們需要一個 的值。一般來說,在地球表面,最低可能的溫度(例如,在極地)約為 或 。在「炎熱夏天」的環境下,環境溫度可能在 到 左右,即 到 。
- 我們取一個較低的、較有利於熱機效率的冷源溫度來計算最大理論效率,例如 (這是一個常見的參考溫度,也符合「炎熱夏天」的描述)。
- 計算卡諾效率:
或 。
-
比較實際效率與理論最大效率:
- 廠商熱機的實際效率 。
第 三 題25 分
理想熱力循環 Rankine cycle 是由兩個等壓及兩個 isentropic 共四個過程所構成。
- 在boiler有 superheat的情況下,在T-s圖上請畫出熱力循環圖並標示狀態1-2-3-4-1。自常溫、常壓saturated water 開始(pump入口,狀態1)。
2)熱力學告訴我們每個熱力狀態(state)需要2個 properties 來定義,因此,四個過程4x2共需要8個 properties 來定義。自常溫、常壓 saturated water 開始(pump入口,狀態1),我們至少還要設定幾個 properties 來定義才能把此一熱循環定義清楚?設在哪一個 components?
3)在此循環之最高溫度不變的情況下,提高最高壓,對循環的影響優、缺點是甚麼?(例如,效率、淨功輸出...)
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本題考驗 Rankine 循環的原理、T-s 圖的繪製、狀態點的定義以及循環參數變化對性能的影響。
核心觀念:
Rankine 循環是蒸汽動力系統中最基本的熱力循環,廣泛用於火力發電廠。它包含四個主要過程:泵送(等熵壓縮)、鍋爐加熱(等壓加熱,包含汽化和過熱)、膨脹(等熵膨脹)和冷凝(等壓放熱)。
解題過程:
1) T-s 圖繪製與狀態點標示:
-
循環過程:
- 1-2: 泵(Pump)等熵壓縮 (Isentropic Compression):液態水從低壓 被泵送到高壓 。
- 2-3: 鍋爐(Boiler)等壓加熱 (Isobaric Heating):在高壓 下,水吸收熱量,經過汽化(飽和水變成飽和蒸汽)並進一步被加熱成過熱蒸汽。
- 3-4: 汽輪機(Turbine)等熵膨脹 (Isentropic Expansion):過熱蒸汽在高壓 下膨脹,推動汽輪機作功,壓力降至低壓 。
- 4-1: 冷凝器(Condenser)等壓放熱 (Isobaric Heat Rejection):蒸汽在低壓 下,向冷卻介質(如河流、海水或冷卻塔)放出熱量,凝結成飽和液態水。
-
T-s 圖繪製:
- 圖的橫軸是熵 ,縱軸是溫度 。
- 狀態 1: 自常溫、常壓飽和水開始。在 T-s 圖上,這通常位於飽和曲線(Saturated Liquid Line)的左側,低壓側。
- 狀態 2: 經過泵的等熵壓縮後,壓力升高到 。在 T-s 圖上,這是一條垂直向上的線(),從低壓區域延伸到高壓區域。由於是液態水,溫度會有輕微升高。
- 狀態 3: 在高壓 下,鍋爐加熱。首先是液態水加熱到飽和溫度,然後汽化(沿著高壓下的飽和曲線),最後被加熱成過熱蒸汽。因此,狀態 2 到狀態 3 是一條沿著等壓線()向右上方延伸的曲線,穿過飽和區(液態水 -> 飽和水 -> 汽液混合物 -> 飽和蒸汽)並進入過熱蒸汽區。題目要求「boiler有 superheat」,所以狀態 3 必須在飽和蒸汽線的右側。
- 狀態 4: 經過汽輪機的等熵膨脹後,壓力降回 。在 T-s 圖上,這是一條垂直向下的線(),從高壓過熱蒸汽區下降到低壓區域。由於膨脹過程通常會產生濕蒸汽(汽液混合物),狀態 4 通常會落在飽和曲線(Saturated Vapor Line)的左側。
- 狀態 1 (回歸): 在低壓 下,冷凝器將蒸汽冷卻並凝結成飽和水。這是一條沿著低壓等壓線()向左下方延伸的曲線,從狀態 4 結束,回到狀態 1(飽和水)。
-
圖示:
🖼️【此處應繪製 T-s 圖,包含飽和曲線、兩條等壓線(高壓 和低壓 )、兩條等熵線( 和 )。狀態點 1 標示為飽和水,狀態 2 標示為高壓泵出口(液態),狀態 3 標示為高壓鍋爐出口(過熱蒸汽),狀態 4 標示為低壓汽輪機出口(通常為濕蒸汽)。】- 狀態 1: Saturated liquid at .
- 狀態 2: Compressed liquid at . ()
- 狀態 3: Superheated vapor at .
- 狀態 4: Mixture (wet steam) at . ()
2) 定義 Rankine 循環所需的 Properties:
-
基本原理: 根據熱力學的狀態公理(Phase Rule),對於一個單一組分系統,確定兩個獨立的熱力學性質(如溫度和壓力、溫度和比容、壓力與焓等)就能唯一確定該狀態的熱力學性質(如熵、內能、比焓等)。
-
Rankine 循環的四個過程:
- 泵 (1-2): 等熵過程 ( 為常數)。
- 鍋爐 (2-3): 等壓過程 ( 為常數)。
- 汽輪機 (3-4): 等熵過程 ( 為常數)。
- 冷凝器 (4-1): 等壓過程 ( 為常數)。
-
定義所有狀態點:
- 我們需要定義狀態 1, 2, 3, 4。
- 狀態 1 (Pump Inlet): 題目已給定「常溫、常壓 saturated water」。這意味著 和 (或 和含濕度 ) 已經確定,從而唯一確定了狀態 1 的所有性質。
- 過程 1-2 (Pump): 這是等熵過程,所以 。由於泵的出口壓力 是已知的(通常在設計時確定),狀態 2 的兩個性質 () 已經確定,因此狀態 2 的所有性質都確定了。
- 過程 2-3 (Boiler): 這是等壓過程,所以 。要確定狀態 3,我們還需要另一個性質。題目提到「boiler有 superheat」,這意味著狀態 3 是一個過熱蒸汽狀態。通常,我們需要指定鍋爐出口的溫度 或鍋爐的熱輸入量。如果我們指定 ,那麼狀態 3 的兩個性質 () 就確定了。
- 過程 3-4 (Turbine): 這是等熵過程,所以 。汽輪機的出口壓力 是已知的(通常由冷凝器壓力決定)。因此,狀態 4 的兩個性質 () 已經確定,所有性質都確定了。
- 過程 4-1 (Condenser): 這是等壓過程,所以 。狀態 1 已由初始條件確定。
-
需要設定的額外 Properties:
- 我們已經確定了狀態 1 的性質。
- 過程 1-2 由 和 確定。
- 過程 3-4 由 和 確定。
- 在鍋爐部分 (2-3),我們有 。為了確定狀態 3 的具體位置(特別是過熱程度),我們還需要額外指定一個性質。
- 最常見的做法是指定鍋爐出口溫度 。
- 或者,也可以指定鍋爐提供的熱量 ,或者汽輪機出口的含濕度 (但這通常是結果,不是輸入參數)。
-
設定在哪個 Component?
- 這個額外的性質設定是在鍋爐 (Boiler) 處。
-
總結:
- 我們需要設定的額外 Properties 是 1 個。
- 這個 Property 通常是鍋爐出口溫度 。
- 它設定在鍋爐 (Boiler) 這個組件。
3) 提高最高壓 ( ) 對循環的影響 ( 不變):
- 前提: 最高溫度 保持不變,但提高最高壓力 。
- T-s 圖分析:
- 當 升高時,在 T-s 圖上,狀態 2 和狀態 3 的壓力線會向上移動。
- 由於 不變,狀態 3 仍然在相同的溫度線上。
第 四 題24 分
For metallurgical reasons, the temperature of the gaseous combustion products entering the turbine must be limited. To enhance the net power output and/or the thermal efficiency of a gas turbine (on an ideal Brayton cycle),
a). intercooling, (8%)
b). reheating, and (8%)
c). regeneration, (8%)
are typically employed. Please discuss their effects on the the net power output and thermal efficiency of the cycle on T-s diagrams.
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本題考驗理想 Brayton 循環的改進方法及其對淨功輸出和效率的影響,需要結合 T-s 圖進行分析。
核心觀念:
Brayton 循環是燃氣渦輪機(燃氣輪機)的理論熱力循環。理想 Brayton 循環包含四個過程:等熵壓縮(壓氣機)、等壓加熱(燃燒室)、等熵膨脹(渦輪機)和等壓放熱(排氣)。為了克服燃氣渦輪機的限制(如渦輪進氣溫度限制)並提高性能,通常會採用多種改進技術,包括冷卻(intercooling)、再加熱(reheating)和熱回收(regeneration)。
解題過程:
基本理想 Brayton 循環 (簡稱 Ideal Brayton Cycle):
- 1-2: 壓氣機等熵壓縮 (, )
- 2-3: 燃燒室等壓加熱 (, )
- 3-4: 渦輪機等熵膨脹 (, )
- 4-1: 排氣室等壓放熱 (, )
熱效率 。
對於理想氣體, 且 。
效率 。
淨功輸出 。
改進方法分析:
a) Intercooling (冷卻 / 中間冷卻)
- 原理: 在壓氣機壓縮過程中,將空氣分成兩段,中間進行冷卻。例如,從狀態 1 壓縮到狀態 x,冷卻到狀態 y,然後再從狀態 y 壓縮到狀態 2。
- T-s 圖:
- 原始循環 1-2-3-4。
- Intercooling 循環:1-x (壓縮) (冷卻) y-2 (壓縮) 3 (加熱) 4 (膨脹) 1 (放熱)。
- 在 T-s 圖上,1-x 是一段壓縮線。冷卻過程是從 x 點水平向左移動到 y 點(假設冷卻到初始溫度 )。y-2 是另一段壓縮線,從 y 點垂直向上到達與 x-2 相同的壓力線。3-4 和 4-1 保持不變。
- 由於 y 點的溫度低於 x 點,y-2 的壓縮終點溫度 會比原始循環的 低(如果冷卻到 ,則 ,假設分成兩段等壓比)。
- 總的壓縮功 。由於 且 原始 ,總壓縮功會減小。
- 渦輪機功 不變,因為 和 (由 和 決定) 沒有改變。
- 淨功輸出 (): 。由於 減小,而 不變,因此淨功輸出會增加。
- 熱效率 (): 。由於 降低(冷卻),分母 增加。分子 可能有變化,但主要影響是分母增加。所以,熱效率會提高。
- 優點: 提高淨功輸出,提高熱效率。
- 缺點: 增加設備複雜度(需要額外的冷卻器和管道)。
b) Reheating (再加熱)
- 原理: 渦輪機的膨脹過程分成兩段,中間將蒸汽重新加熱。例如,渦輪機從 膨脹到中間壓力 ,然後將蒸汽送回燃燒室(或額外的燃燒器)重新加熱到初始渦輪進氣溫度 ,然後再從中間壓力 膨脹到最終壓力 。
- T-s 圖:
- 原始循環 1-2-3-4。
- Reheating 循環:1-2 (壓縮) 3-x (渦輪機膨脹至中間壓力) (再加熱) y-4 (渦輪機從中間壓力膨脹至低壓)。
- 在 T-s 圖上,1-2 不變。3-4 被分成 3-x 和 y-4 兩段。冷卻過程是從 x 點水平向右移動到 y 點(假設再加熱到初始溫度 )。
- 總渦輪機功 。由於 且 最終會降低,總渦輪機功會增加。
- 壓氣機功 不變。
- 淨功輸出 (): 。
第 五 題26 分
Thermodynamic properties can be evaluated using the specific heats Cp or cu, and p-v-T data.
a). Show that (6%)
dh(T, p) = cp dT + υ-Τ (∂v/∂T)_p dp,
b). Show that the enthalpy h of an ideal gas is a function of temperature only, h =: h(T). (6%)
c). The enthalpy of a real gas, in general, depends on the pressure as well as on the temperature. Please devise a way to evaluate the change in enthalpy of a real gas associated with a change of state from (T1, p₁) to (T2, p2). Describe in a T-s diagram how you would find enthalpy changes. (14%)
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本題考驗熱力學基本關係式、焓的性質以及理想氣體與真實氣體的焓的計算方法。
核心觀念:
本題涉及焓(enthalpy)的微分形式、理想氣體的焓的特性,以及真實氣體焓變的計算方法。
解題過程:
a) 證明
- 出發點: 焓的定義 。
- 微分焓:
- 熱力學第一定律的微分形式: 。
- 代入 :
- 從 轉換到 和 :
我們需要使用熵的微分形式。從熱力學第二定律,我們知道 。
將 代入,並利用 (這是 Maxwell 關係式導出的結果,或直接從 的基本形式):
或者,更直接地,我們知道 Maxwell 關係式: 和 。
我們也知道 。
從 ,我們可以寫出 。
我們也知道 。
由於 ,所以 。
我們需要找到 。利用 Maxwell 關係式 。
將 的表達式寫成:
(這是正確的 的全微分形式,以 和 為獨立變量)。 - 將 代回 :
這就證明了所要求的關係式。
b) 證明理想氣體的焓 僅是溫度的函數,即
- 出發點: 從 a) 部分得到的焓微分式:。
- 理想氣體狀態方程式: 或 。
- 計算 :
將 對 微分,保持 不變:
。 - 代入焓微分式:
- 結論: 對於理想氣體,焓的變化 僅與溫度變化 和定壓比熱 有關。這意味著焓 本身只依賴於溫度 。
。
c) 真實氣體焓變的計算方法與 T-s 圖的應用
-
問題: 計算真實氣體從 到 的焓變 。
-
出發點: 焓的微分式 。
-
方法一:利用 和 資料
- 定義一個參考狀態: 選擇一個方便的參考點,例如 。
- 計算焓變: 焓變 是路徑無關的。我們可以設計一條虛擬路徑,將氣體從 轉變到 ,該路徑由兩段組成:
- 路徑 A:等壓過程 從 變到 。
- 路徑 B:等溫過程 從 變到 。
或者,更常用的是: - 路徑 A':等溫過程 從 變到 。
- 路徑 B':等壓過程 從 變到 。
我們採用後者:
我們知道 。
我們也知道 。
所以,
這個積分需要知道 作為 和 的函數,以及 作為 和 的函數(或其偏微分)。通常 也是隨溫度變化的。
如果 僅是溫度的函數 (近似),則:
這個方法需要氣體的 數據(或狀態方程)和 數據。
-
方法二:利用焓的殘餘函數 (Residual Function)
- 焓的殘餘函數定義為 ,其中 是相同溫度和壓力下的理想氣體焓。