高考申論題
107年
[核子工程] 工程熱力學
第 一 題
📖 題組：
三、請由熱力學能量使用的角度比較下面三個裝置的優劣。（15 分） ㈠ 熱機（heat engine）：運轉高低溫度分別為 800°K 與 300°K。熱機由高溫熱源（high temperature reservoir）接受 100 kJ 的熱，排放 50 kJ 的廢熱到低溫熱沉（low temperature reservoir）。 ㈡ 冷凍裝置（refrigerator）：運轉於高低溫度分別為-3℃與 37℃的區域。該裝置使用 50 kJ 的功（work），由低溫區抽取 100 kJ 的熱到高溫區。 ㈢ 熱泵（heat pump）：運轉於高低溫度分別為-23℃與 27℃的區域。熱泵由低溫區抽取 100 kJ 的熱能，送出 150 kJ 的能量送到高溫區。
三、請由熱力學能量使用的角度比較下面三個裝置的優劣。（15 分） ㈠ 熱機（heat engine）：運轉高低溫度分別為 800°K 與 300°K。熱機由高溫熱源（high temperature reservoir）接受 100 kJ 的熱，排放 50 kJ 的廢熱到低溫熱沉（low temperature reservoir）。 ㈡ 冷凍裝置（refrigerator）：運轉於高低溫度分別為-3℃與 37℃的區域。該裝置使用 50 kJ 的功（work），由低溫區抽取 100 kJ 的熱到高溫區。 ㈢ 熱泵（heat pump）：運轉於高低溫度分別為-23℃與 27℃的區域。熱泵由低溫區抽取 100 kJ 的熱能，送出 150 kJ 的能量送到高溫區。
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (一)
熱機（heat engine）：運轉高低溫度分別為 800°K 與 300°K。熱機由高溫熱源（high temperature reservoir）接受 100 kJ 的熱，排放 50 kJ 的廢熱到低溫熱沉（low temperature reservoir）。
思路引導 VIP
評估熱機的優劣，核心在於檢驗其是否符合熱力學第一與第二定律。考生應先計算「實際熱效率」，再計算該溫度區間下的極限「卡諾熱效率」。透過比較兩者確認裝置的合理性，並藉由計算「第二定律效率」來具體論述其能量利用的優劣程度。
小題 (二)
冷凍裝置（refrigerator）：運轉於高低溫度分別為-3℃與 37℃的區域。該裝置使用 50 kJ 的功（work），由低溫區抽取 100 kJ 的熱到高溫區。
思路引導 VIP
看到冷凍裝置性能評估的題型，第一步應先將運作溫度換算為絕對溫度（K）。接著，分別計算出實際冷凍性能係數（COP）與理想卡諾冷凍性能係數，藉由兩者的大小比較，來檢驗該裝置是否符合熱力學第二定律，並評斷其能量使用效率的優劣程度。
小題 (三)
熱泵（heat pump）：運轉於高低溫度分別為-23℃與 27℃的區域。熱泵由低溫區抽取 100 kJ 的熱能，送出 150 kJ 的能量送到高溫區。
思路引導 VIP
判斷熱力裝置優劣的關鍵在於檢驗其是否違反熱力學第一、第二定律。首先需將攝氏溫度轉換為絕對溫度（K），接著運用第一定律求出輸入功並計算實際性能係數（COP），最後與卡諾循環的最大理論 COP 進行比較，以判定該裝置的合理性與不可逆程度。