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普考申論題 110年 [天文] 普通物理學概要

第 一 題

📖 題組:
物質的狀態會隨溫度、壓力的變化而產生相變,已知物質 X 在 1 大氣壓(atm)的熔點是絕對溫度 195 K,5.2 atm 時的汽化點是 216 K。 (一)試問常見的物質三態為何?(3 分) (二)圖示為物質 X 的三相圖,試在答案卷複製圖示,並在圖上 A、B、C 等三個區域,標示物質 X 對應的三種不同物質形態。(6 分) (三)圖示三條曲線的交點 D 稱為什麼點?(2 分) (四)試問圖示橫軸與垂直虛線的交點 T,代表多少℃的溫度?(3 分) (五)試依圖示詳實說明,當壓力低於 D 點壓力時,物質 X 三態隨溫度逐漸升高會發生什麼改變?又稱為什麼現象?有別於高壓下的什麼相變過程?(6 分)
題組圖片
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

試問常見的物質三態為何?

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本題為基礎物理常識考題。考生只需直接點出自然界中最常見的三種物質狀態即可,作答應簡明扼要,確保穩拿基本分數。

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常見的物質三態為:固態(Solid)、液態(Liquid)與氣態(Gas)。

小題 (二)

圖示為物質 X 的三相圖,試在答案卷複製圖示,並在圖上 A、B、C 等三個區域,標示物質 X 對應的三種不同物質形態。

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解題關鍵在於理解三相圖中溫度與壓力對物質狀態的物理意義。一般而言,物質在低溫且壓力較高的環境下呈固態,溫度升高後轉為液態,而在高溫或低壓下則呈氣態,據此原則即可直接對應圖中 A、B、C 三個區域。

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【解題思路】利用三相圖中溫度與壓力對物質狀態的影響原則(低溫高壓為固態、高溫低壓為氣態)進行判斷。 【解答】 (因無法於本介面實際繪圖,故以文字條列對應區域之物質形態)

小題 (三)

圖示三條曲線的交點 D 稱為什麼點?

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看到三相圖的交點,應立即聯想到熱力學中各相態的平衡條件。三條相變化曲線(熔化、汽化、昇華)交會的點,代表固、液、氣三態能在該特定的溫度與壓力下共存,此為基礎熱力學名詞定義。

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圖示中三條曲線的交點 D 稱為「三相點」(Triple point)。 在此點特定的溫度與壓力下,物質 X 的固態、液態與氣態三種相態可以達到熱力學平衡而共存。

小題 (四)

試問圖示橫軸與垂直虛線的交點 T,代表多少℃的溫度?

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先將圖表中的資訊與題幹文字做連結,判斷出虛線對應的壓力 5.2 atm 之相變溫度為 216 K。接著留意圖中橫座標的單位為攝氏(℃),利用絕對溫度與攝氏溫度的關係式(Tc = Tk - 273.15)進行換算即可得分。

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【解題關鍵】絕對溫度(K)與攝氏溫度(℃)的換算公式:$T_{℃} = T_{K} - 273.15$。 【解答】 計算:

小題 (五)

試依圖示詳實說明,當壓力低於 D 點壓力時,物質 X 三態隨溫度逐漸升高會發生什麼改變?又稱為什麼現象?有別於高壓下的什麼相變過程?

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解題應先辨識 D 點為三相點,觀察相圖中壓力低於 D 點時,水平等壓線隨溫度升高僅會直接從固態區(A 區)穿入氣態區(C 區)。接著對比高壓環境下,等壓線會依序穿過固態、液態(B 區)、氣態的路徑,即可精確點出「昇華」現象與高壓下「熔化、汽化」過程的差異。

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【破題】本題測驗相圖(Phase diagram)中三相點(Triple point)為分界,物質在不同壓力下隨溫度升高的相變行為差異。 【論述】 一、狀態改變與現象名稱

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