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高考申論題 108年 [核子工程] 工程熱力學

第 一 題

📖 題組：
回答下列問題：（每小題 6 分，共 18 分）
📝 此題為申論題，共 3 小題

小題 (一)

熵增原理之表述為何？

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看到「熵增原理」，應立刻聯想到熱力學第二定律與克勞修斯不等式的推論。作答時需明確寫出孤立系統（或系統+環境）總熵變化大於等於零的數學式，並依據數值大於、等於、小於零，分別解釋不可逆、可逆與不可能過程的物理意義與工程意涵。

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【破題】 「熵增原理」（Principle of Increase of Entropy）為熱力學第二定律的重要推論與核心數學表述，主要用於判定自然界熱力過程發生的方向性與評估系統的不可逆性。 【論述】

小題 (二)

何謂卡諾循環？

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看到「卡諾循環」，應直覺聯想其為熱力學中最理想的完全可逆循環。作答時需明確列舉構成該循環的「四個可逆過程」，標註狀態點，並點出其物理意義（提供兩熱儲間之最高熱效率極限，即卡諾定律），文字中提及 T-s 圖特徵與絕對溫度換算將是拿取高分的關鍵。

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【破題】卡諾循環的物理意義 卡諾循環（Carnot Cycle）是由法國工程師卡諾於1824年提出的一種理想熱力循環，為在兩個給定溫度之熱儲間運作的所有熱機中，具有最高熱效率的完全可逆循環。 【論述】

小題 (三)

渦輪機之等熵效率之定義為何？

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看到「渦輪機等熵效率」，首先聯想這是一個「產功設備」，因此效率必定是「實際作功」除以「理想最大作功」。接著，定義理想狀態為「可逆絕熱（等熵）過程」，並利用穩態穩流（SSSF）假設下的焓差（Δh）來表示作功量，最後在腦中勾勒出 T-s 圖上實際過程（熵增向右下）與等熵過程（垂直向下）的差異。

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「渦輪機等熵效率（Isentropic efficiency of a turbine, η_t）」是指在相同的進口狀態（壓力、溫度）與相同的出口壓力下，渦輪機「實際輸出的功（Actual work, W_a）」與「等熵膨脹過程所能輸出的最大功（Isentropic work, W_s）」之比值。 定義公式： η_t = W_a / W_s = (h_1 - h_2a) / (h_1 - h_2s)

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