108 年 國立成功大學航空太空工程學系碩士班甲組《熱力學》

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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:

  1. 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 (Q=0Q=0)。
    • 初始氣體狀態:
      • 壓力 P1=2.0 barP_1 = 2.0 \text{ bar}
      • 溫度 T1=400 KT_1 = 400 \text{ K}
      • 體積 V1=20 litersV_1 = 20 \text{ liters}
    • 另一側是真空。
  2. 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 Q=0Q = 0。
    • 由於氣體膨脹是到真空,它對外不作功,因此功 W=0W = 0。
    • 根據熱力學第一定律 ΔU=Q−W\Delta U = Q - W,可得 ΔU=0−0=0\Delta U = 0 - 0 = 0。
    • 對於理想氣體,內能 UU 僅是溫度的函數,即 U=U(T)U = U(T)。因此,ΔU=0\Delta U = 0 意味著溫度變化為零,即 T2=T1T_2 = T_1。
  3. 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。
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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 ηCarnot=1−TCTH\eta_{Carnot} = 1 - \frac{T_C}{T_H},其中 TCT_C 是冷源溫度,THT_H 是熱源溫度。

解題過程:

  1. 廠商提出的熱機參數:

    • 最高操作溫度(熱源溫度):TH=600 KT_H = 600 \text{ K}。
    • 熱機測試結果:投入 Qin=100Q_{in} = 100 單位燃燒熱能,得到電能(淨功輸出)Wnet=55W_{net} = 55 單位。
  2. 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:
      ηactual=WnetQin\eta_{actual} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
    • 代入數據:
      ηactual=55100=0.55\eta_{actual} = \frac{55}{100} = 0.55 或 55%55\%。
  3. 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 TCT_C。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 TCT_C 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 −50∘C-50^\circ C 或 223 K223 \text{ K}。在「炎熱夏天」的環境下,環境溫度可能在 30∘C30^\circ C 到 40∘C40^\circ C 左右,即 303 K303 \text{ K} 到 313 K313 \text{ K}。
    • 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 TC=27∘C=300 KT_C = 27^\circ C = 300 \text{ K} (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:
      ηCarnot=1−TCTH=1−300 K600 K=1−0.5=0.5\eta_{Carnot} = 1 - \frac{T_C}{T_H} = 1 - \frac{300 \text{ K}}{600 \text{ K}} = 1 - 0.5 = 0.5 或 50%50\%。
  4. 比較實際效率與理論最大效率:

    • 廠商熱機的實際效率 ηactual=55%\eta_{actual} = 55\%。
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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。

  1. 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 PLP_L 被泵送到高壓 PHP_H。
    • 2-3: 鍋爐(Boiler)等壓加熱 (Isobaric Heating):在高壓 PHP_H 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 PHP_H 下膨脹,推動汽輪機作功,壓力降至低壓 PLP_L。
    • 4-1: 冷凝器(Condenser)等壓放熱 (Isobaric Heat Rejection):蒸汽在低壓 PLP_L 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 SS,縱軸是溫度 TT。
    • 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 PHP_H。在 T-s 圖上,這是一條垂直向上的線(s2=s1s_2 = s_1),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 PHP_H 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(P=PHP=P_H)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 PLP_L。在 T-s 圖上,這是一條垂直向下的線(s4=s3s_4 = s_3),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 PLP_L 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(P=PLP=P_L)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 PHP_H 和低壓 PLP_L)、兩條等熵線(s1=s2s_1=s_2 和 s3=s4s_3=s_4)。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 PLP_L.
    • 狀態 2: Compressed liquid at PHP_H. (s2=s1s_2 = s_1)
    • 狀態 3: Superheated vapor at PHP_H.
    • 狀態 4: Mixture (wet steam) at PLP_L. (s4=s3s_4 = s_3)

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 (ss 為常數)。
    • 鍋爐 (2-3): 等壓過程 (PP 為常數)。
    • 汽輪機 (3-4): 等熵過程 (ss 為常數)。
    • 冷凝器 (4-1): 等壓過程 (PP 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 P1P_1 和 T1T_1 (或 P1P_1 和含濕度 x1=0x_1=0) 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 s2=s1s_2 = s_1。由於泵的出口壓力 P2=PHP_2 = P_H 是已知的(通常在設計時確定),狀態 2 的兩個性質 (s2,P2s_2, P_2) 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 P3=P2=PHP_3 = P_2 = P_H。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 T3T_3 或鍋爐的熱輸入量。如果我們指定 T3T_3,那麼狀態 3 的兩個性質 (P3,T3P_3, T_3) 就確定了。
    • 過程 3-4 (Turbine): 這是等熵過程,所以 s4=s3s_4 = s_3。汽輪機的出口壓力 P4=PLP_4 = P_L 是已知的(通常由冷凝器壓力決定)。因此,狀態 4 的兩個性質 (s4,P4s_4, P_4) 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 P1=P4=PLP_1 = P_4 = P_L。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 s2=s1s_2=s_1 和 P2=PHP_2=P_H 確定。
    • 過程 3-4 由 s4=s3s_4=s_3 和 P4=PLP_4=P_L 確定。
    • 在鍋爐部分 (2-3),我們有 P3=PHP_3=P_H。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 T3T_3。
    • 或者,也可以指定鍋爐提供的熱量 QboilerQ_{boiler},或者汽輪機出口的含濕度 x4x_4(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 T3T_3。
    • 它設定在鍋爐 (Boiler) 這個組件。

3) 提高最高壓 ( PHP_H ) 對循環的影響 ( TmaxT_{max} 不變):

  • 前提: 最高溫度 T3T_3 保持不變,但提高最高壓力 PHP_H。
  • T-s 圖分析:
    • 當 PHP_H 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 T3T_3 不變,狀態 3 仍然在相同的溫度線上。
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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 (P1→P2=rpP1P_1 \rightarrow P_2 = r_p P_1, T1→T2T_1 \rightarrow T_2)
  • 2-3: 燃燒室等壓加熱 (P2→P3=P2P_2 \rightarrow P_3 = P_2, T2→T3T_2 \rightarrow T_3)
  • 3-4: 渦輪機等熵膨脹 (P3→P4=P3/rpP_3 \rightarrow P_4 = P_3/r_p, T3→T4T_3 \rightarrow T_4)
  • 4-1: 排氣室等壓放熱 (P4→P1=P4P_4 \rightarrow P_1 = P_4, T4→T1T_4 \rightarrow T_1)

熱效率 η=1−QoutQin=1−cp(T4−T1)cp(T3−T2)=1−T4−T1T3−T2\eta = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}} = 1 - \frac{c_p(T_4 - T_1)}{c_p(T_3 - T_2)} = 1 - \frac{T_4 - T_1}{T_3 - T_2}。
對於理想氣體, T2=T1(rp)k−1kT_2 = T_1 (r_p)^{\frac{k-1}{k}} 且 T4=T3(1/rp)k−1kT_4 = T_3 (1/r_p)^{\frac{k-1}{k}}。
效率 η=1−1(rp)k−1k=1−T1T2\eta = 1 - \frac{1}{(r_p)^{\frac{k-1}{k}}} = 1 - \frac{T_1}{T_2}。
淨功輸出 Wnet=Wturbine−Wcompressor=cp(T3−T4)−cp(T2−T1)W_{net} = W_{turbine} - W_{compressor} = c_p(T_3 - T_4) - c_p(T_2 - T_1)。

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) →\rightarrow (冷卻) →\rightarrow y-2 (壓縮) →\rightarrow 3 (加熱) →\rightarrow 4 (膨脹) →\rightarrow 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 T1T_1)。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 T2T_2 會比原始循環的 T2T_2 低(如果冷卻到 T1T_1,則 T2=T1(rp/2)k−1kT_2 = T_1 (r_p/2)^{\frac{k-1}{k}},假設分成兩段等壓比)。
    • 總的壓縮功 Wcompressor=cp(Tx−T1)+cp(T2−Ty)W_{compressor} = c_p(T_x - T_1) + c_p(T_2 - T_y)。由於 Ty<TxT_y < T_x 且 T2<T_2 < 原始 T2T_2,總壓縮功會減小。
    • 渦輪機功 Wturbine=cp(T3−T4)W_{turbine} = c_p(T_3 - T_4) 不變,因為 T3T_3 和 T4T_4 (由 T3T_3 和 rpr_p 決定) 沒有改變。
    • 淨功輸出 (WnetW_{net}): Wnet=Wturbine−WcompressorW_{net} = W_{turbine} - W_{compressor}。由於 WcompressorW_{compressor} 減小,而 WturbineW_{turbine} 不變,因此淨功輸出會增加。
    • 熱效率 (η\eta): η=1−QoutQin=1−cp(T4−T1)cp(T3−T2)\eta = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}} = 1 - \frac{c_p(T_4 - T_1)}{c_p(T_3 - T_2)}。由於 T2T_2 降低(冷卻),分母 T3−T2T_3 - T_2 增加。分子 T4−T1T_4 - T_1 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 P3P_3 膨脹到中間壓力 PmidP_{mid},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 T3T_3,然後再從中間壓力 PmidP_{mid} 膨脹到最終壓力 P4P_4。
  • T-s 圖:
    • 原始循環 1-2-3-4。
    • Reheating 循環:1-2 (壓縮) →\rightarrow 3-x (渦輪機膨脹至中間壓力) →\rightarrow (再加熱) →\rightarrow 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 T3T_3)。
    • 總渦輪機功 Wturbine=cp(T3−Tx)+cp(Ty−T4)W_{turbine} = c_p(T_3 - T_x) + c_p(T_y - T_4)。由於 Ty>TxT_y > T_x 且 T4T_4 最終會降低,總渦輪機功會增加。
    • 壓氣機功 Wcompressor=cp(T2−T1)W_{compressor} = c_p(T_2 - T_1) 不變。
    • 淨功輸出 (WnetW_{net}): Wnet=Wturbine−WcompressorW_{net} = W_{turbine} - W_{compressor}。
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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 dh=cpdT+[v−T(∂v∂T)p]dpdh = c_p dT + \left[v - T\left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_p\right] dp

  • 出發點: 焓的定義 h=u+Pvh = u + Pv。
  • 微分焓:
    dh=du+d(Pv)dh = du + d(Pv)
    dh=du+Pdv+vdPdh = du + Pdv + vdP
  • 熱力學第一定律的微分形式: du=Tds−Pdvdu = Tds - Pdv。
  • 代入 dudu:
    dh=(Tds−Pdv)+Pdv+vdPdh = (Tds - Pdv) + Pdv + vdP
    dh=Tds+vdPdh = Tds + vdP
  • 從 TdsTds 轉換到 dTdT 和 dPdP:
    我們需要使用熵的微分形式。從熱力學第二定律,我們知道 ds=du+PdvTds = \frac{du+Pdv}{T}。
    將 du=cvdT+(∂u∂v)Tdvdu = c_v dT + (\frac{\partial u}{\partial v})_T dv 代入,並利用 du=cvdT+T(∂P∂T)vTdvdu = c_v dT + T(\frac{\partial P}{\partial T})_v T dv (這是 Maxwell 關係式導出的結果,或直接從 dudu 的基本形式):
    ds=cvdT+(∂P∂T)vTdv+PdvT=cvTdT+[PT+(∂P∂T)v]dvds = \frac{c_v dT + (\frac{\partial P}{\partial T})_v T dv + Pdv}{T} = \frac{c_v}{T} dT + \left[\frac{P}{T} + \left(\frac{\partial P}{\partial T}\right)_v\right] dv
    或者,更直接地,我們知道 Maxwell 關係式:(∂T∂v)s=(∂P∂s)v(\frac{\partial T}{\partial v})_s = (\frac{\partial P}{\partial s})_v 和 (∂T∂P)s=(∂v∂s)p(\frac{\partial T}{\partial P})_s = (\frac{\partial v}{\partial s})_p。
    我們也知道 cp=T(∂s∂T)pc_p = T(\frac{\partial s}{\partial T})_p。
    從 dh=Tds+vdPdh = Tds + vdP,我們可以寫出 ds=1Tdh−vTdPds = \frac{1}{T}dh - \frac{v}{T}dP。
    我們也知道 ds=(∂s∂T)pdT+(∂s∂P)pdPds = (\frac{\partial s}{\partial T})_p dT + (\frac{\partial s}{\partial P})_p dP。
    由於 cp=T(∂s∂T)pc_p = T(\frac{\partial s}{\partial T})_p,所以 (∂s∂T)p=cpT(\frac{\partial s}{\partial T})_p = \frac{c_p}{T}。
    我們需要找到 (∂s∂P)p(\frac{\partial s}{\partial P})_p。利用 Maxwell 關係式 (∂s∂P)T=−(∂v∂T)p(\frac{\partial s}{\partial P})_T = -(\frac{\partial v}{\partial T})_p。
    將 dsds 的表達式寫成:
    ds=cpTdT−(∂v∂T)pdPds = \frac{c_p}{T} dT - (\frac{\partial v}{\partial T})_p dP (這是正確的 dsds 的全微分形式,以 TT 和 PP 為獨立變量)。
  • 將 dsds 代回 dh=Tds+vdPdh = Tds + vdP:
    dh=T[cpTdT−(∂v∂T)pdP]+vdPdh = T \left[ \frac{c_p}{T} dT - \left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_p dP \right] + vdP
    dh=cpdT−T(∂v∂T)pdP+vdPdh = c_p dT - T\left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_p dP + vdP
    dh=cpdT+[v−T(∂v∂T)p]dpdh = c_p dT + \left[v - T\left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_p\right] dp
    這就證明了所要求的關係式。

b) 證明理想氣體的焓 hh 僅是溫度的函數,即 h=h(T)h = h(T)

  • 出發點: 從 a) 部分得到的焓微分式:dh=cpdT+[v−T(∂v∂T)p]dpdh = c_p dT + \left[v - T\left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_p\right] dp。
  • 理想氣體狀態方程式: Pv=RTPv = RT 或 v=RTPv = \frac{RT}{P}。
  • 計算 (∂v∂T)p\left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_p:
    將 v=RTPv = \frac{RT}{P} 對 TT 微分,保持 PP 不變:
    (∂v∂T)p=RP\left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_p = \frac{R}{P}。
  • 代入焓微分式:
    dh=cpdT+[RTP−T(RP)]dpdh = c_p dT + \left[\frac{RT}{P} - T\left(\frac{R}{P}\right)\right] dp
    dh=cpdT+[RTP−RTP]dpdh = c_p dT + \left[\frac{RT}{P} - \frac{RT}{P}\right] dp
    dh=cpdT+[0]dpdh = c_p dT + [0] dp
    dh=cpdTdh = c_p dT
  • 結論: 對於理想氣體,焓的變化 dhdh 僅與溫度變化 dTdT 和定壓比熱 cpc_p 有關。這意味著焓 hh 本身只依賴於溫度 TT。
    h(T)=∫cp(T)dT+constanth(T) = \int c_p(T) dT + \text{constant}。

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 (T1,p1)(T_1, p_1) 到 (T2,p2)(T_2, p_2) 的焓變 Δh=h2−h1\Delta h = h_2 - h_1。

  • 出發點: 焓的微分式 dh=cpdT+[v−T(∂v∂T)p]dpdh = c_p dT + \left[v - T\left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_p\right] dp。

  • 方法一:利用 cpc_p 和 p−v−Tp-v-T 資料

    1. 定義一個參考狀態: 選擇一個方便的參考點,例如 (Tref,pref)(T_{ref}, p_{ref})。
    2. 計算焓變: 焓變 Δh\Delta h 是路徑無關的。我們可以設計一條虛擬路徑,將氣體從 (T1,p1)(T_1, p_1) 轉變到 (T2,p2)(T_2, p_2),該路徑由兩段組成:
      • 路徑 A:等壓過程 從 (T1,p1)(T_1, p_1) 變到 (T1,p2)(T_1, p_2)。
      • 路徑 B:等溫過程 從 (T1,p2)(T_1, p_2) 變到 (T2,p2)(T_2, p_2)。
        或者,更常用的是:
      • 路徑 A':等溫過程 從 (T1,p1)(T_1, p_1) 變到 (T1,p2)(T_1, p_2)。
      • 路徑 B':等壓過程 從 (T1,p2)(T_1, p_2) 變到 (T2,p2)(T_2, p_2)。
        我們採用後者:
        Δh=h(T2,p2)−h(T1,p1)=[h(T2,p2)−h(T1,p2)]+[h(T1,p2)−h(T1,p1)]\Delta h = h(T_2, p_2) - h(T_1, p_1) = [h(T_2, p_2) - h(T_1, p_2)] + [h(T_1, p_2) - h(T_1, p_1)]
        Δh=∫T1T2(∂h∂T)p2dT+∫p1p2(∂h∂p)T1dp\Delta h = \int_{T_1}^{T_2} \left(\frac{\partial h}{\partial T}\right)_{p_2} dT + \int_{p_1}^{p_2} \left(\frac{\partial h}{\partial p}\right)_{T_1} dp
        我們知道 (∂h∂T)p=cp\left(\frac{\partial h}{\partial T}\right)_p = c_p。
        我們也知道 (∂h∂p)T=v−T(∂v∂T)p\left(\frac{\partial h}{\partial p}\right)_T = v - T\left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_p。
        所以,
        Δh=∫T1T2cp(T,p2)dT+∫p1p2[v(T1,p)−T1(∂v∂T)p=p]dp\Delta h = \int_{T_1}^{T_2} c_p(T, p_2) dT + \int_{p_1}^{p_2} \left[v(T_1, p) - T_1\left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_{p=p} \right] dp
        這個積分需要知道 cpc_p 作為 TT 和 pp 的函數,以及 vv 作為 TT 和 pp 的函數(或其偏微分)。通常 cpc_p 也是隨溫度變化的。
        如果 cpc_p 僅是溫度的函數 cp(T)c_p(T) (近似),則:
        Δh=∫T1T2cp(T)dT+∫p1p2[v(T1,p)−T1(∂v∂T)T=T1,p=p]dp\Delta h = \int_{T_1}^{T_2} c_p(T) dT + \int_{p_1}^{p_2} \left[v(T_1, p) - T_1\left(\frac{\partial v}{\partial T}\right)_{T=T_1, p=p} \right] dp
        這個方法需要氣體的 p−v−Tp-v-T 數據(或狀態方程)和 cp(T)c_p(T) 數據。
  • 方法二:利用焓的殘餘函數 (Residual Function)

    • 焓的殘餘函數定義為 hR=h−hidealh^R = h - h^{ideal},其中 hidealh^{ideal} 是相同溫度和壓力下的理想氣體焓。
    • Δh=h(T2,p2)−h(T1,p1)=[hideal(T2,Tref)−hideal(T1,Tref)]+[hR(T2,p2)−hR(T1,p1)]\Delta h = h(T_2, p_2) - h(T_1, p_1) = [h^{ideal}(T_2, T_{ref}) - h^{ideal}(T_1, T_{ref})] + [h^R(T_2, p_2) - h^R(T_1, p_1)]
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