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高考申論題 107年 [農業機械] 熱力學

第 四 題

📖 題組:
請說明下列(一)、(二)、(三)及(四)之純物質(例如水)液汽平衡之壓力體積圖(P-V diagram)中 1 和 2 之狀態以及 1→2 的過程。(20 分) (圖略,分別為四張 P-V 圖標示 1 與 2 之狀態變化)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (四)

圖(四)之狀態及過程
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看到純物質P-V圖,首先確認「飽和液體線」(左側)與「飽和汽體線」(右側)。點1在左邊界上、點2在右邊界上,可直接判定其乾度與狀態。接著仔細觀察1→2的路徑,此路徑非水平線,表示這是一個伴隨壓力下降的汽化膨脹過程,必須點出其壓力與溫度隨之下降的特徵,有別於一般的等壓沸騰。

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【解析】 根據純物質(如水)的 P-V(壓力-體積)圖特徵,分析如下: 一、狀態 1

小題 (一)

圖(一)之狀態及過程
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看到 P-V 圖,首先定位汽穹(Vapor Dome)以判斷物質相態:汽穹內為液汽混合物,右側為過熱蒸氣。接著觀察過程軌跡的幾何特徵,垂直線代表恆容(等體積),箭頭方向代表壓力變化,藉此推論熱力過程的種類。

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【破題】本題測驗考生對純物質 P-V 圖(壓力-體積圖)相圖區域之判讀,以及對熱力過程軌跡物理意義之掌握程度。 【論述】 一、狀態 1:

小題 (二)

圖(二)之狀態及過程
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首先確認P-V圖上的特徵線(飽和液汽穹頂),透過狀態點相對於飽和汽線的位置來判斷物質的相態。接著觀察1到2的軌跡為垂直線,代表橫座標(體積)固定,從而判定其為等容過程,並伴隨壓力的上升。

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【解析】 根據純物質之壓力-體積圖(P-V diagram)特徵,飽和液汽穹頂(Vapor dome)右側邊界為飽和汽線,其右方區域為過熱汽區。 一、狀態 1

小題 (三)

圖(三)之狀態及過程
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看到純物質 P-V 圖,首先需識別圖中的鐘形飽和曲線(Vapor Dome)。辨別狀態點是落於飽和液體線、飽和汽體線,還是過熱/過冷區。接著觀察過程線的軌跡,水平線代表等壓,而在相變區內等壓等同於等溫,路徑向左(體積縮小)即代表凝結放熱過程。

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【圖(三)之狀態與過程解析】 狀態 1:飽和汽(蒸)體(Saturated Vapor)。 該點位於液汽共存區右側的飽和汽體曲線上,代表純物質處於完全氣態,尚未凝結出任何液滴,此狀態下系統的乾度(Quality, x)為 1。

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