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moea_joint_essay 106年 [機械] 熱力學與熱機學、流體力學與流體機械

第 二 題

📖 題組:
請回答下列問題:(20 分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (二)

說明焦耳─湯姆笙係數(Joule-Thomson coefficient)(5 分)

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定義焦耳-湯姆笙係數的熱力學意義及數學式:μ_JT = (∂T/∂P)_h。並解釋其在節流過程中的物理意義:正值表示降溫,負值表示升溫。

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焦耳-湯姆笙係數(Joule-Thomson coefficient,符號為 $\mu_{JT}$)定義為在等焓過程(如節流閥、多孔塞)中,流體溫度隨壓力的變化率。其數學定義式為: $\mu_{JT} = \left( \frac{\partial T}{\partial P} \right)_h$ 在節流過程(恆焓,且通常壓力下降,$\Delta P < 0$)中:

小題 (一)

請解釋昇華(Sublimation)的定義,並以壓力(P)與溫度(T)圖輔助說明(5 分)

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說明物質由固態直接變成氣態的過程。繪製P-T相圖,標出三相點,說明昇華過程發生在三相點壓力之下。

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昇華(Sublimation)是指物質在不經過液態的情況下,直接由固態轉變為氣態的相變過程。此過程通常發生在溫度與壓力均低於該物質的三相點(Triple point)的情況下。 在壓力(P)與溫度(T)相圖中,固態、液態與氣態之間存在相界線,三條相界線(熔化線、汽化線、昇華線)交會於一點,稱為三相點。在三相點壓力以下的壓力範圍內,加熱物質會使其沿著水平線從固相區穿越昇華線直接進入氣相區,而不會經過液相區,這就是昇華。

小題 (三)

請證明理想氣體(ideal gas)的內能(internal energy)僅是溫度(T)的函數,並列出演算過程(10 分)

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利用熱力學基本關係式 $dU = TdS - PdV$ 與馬克士威關係式(Maxwell relations),將內能對體積的偏微分表示為與狀態方程式相關的項,再代入理想氣體狀態方程式 $PV=RT$ 證明 $(∂U/∂V)_T = 0$。

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根據熱力學第一與第二定律的基本關係式: $dU = TdS - PdV$ 將等式兩邊在恆溫($T$ = const.)條件下對體積 $V$ 取偏微分:

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