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moea_joint_essay 110年 [機械] 熱力學與熱機學、流體力學與流體機械

第 二 題

📖 題組:
一活塞氣缸裝置,最初裝有壓力為 500 kPa,溫度為 300°K 而容積為 0.1 m³之氦氣,其經過一多變指數(Polytropic Exponent) n = 1.5 之多變過程(Polytropic Process)膨脹至 150 kPa 之壓力,假設過程中之氦氣狀態皆為理想氣體(Ideal Gas)且比熱為常數(CP = 5.1926 kJ/kg・°K,CV = 3.1156 kJ/kg・°K),請計算下列各項(計算至小數點後第 1 位,以下四捨五入)。(2 題,每題 5 分,共 10 分)
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (二)

此膨脹過程之熱交換量(Q)為多少 kJ?

思路引導 VIP

先由理想氣體方程式求出氦氣質量,推算末溫,計算內能變化量 $\Delta U$,再代入熱力學第一定律 $Q = \Delta U + W$ 求得熱傳量。

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氣體常數 $R = C_P - C_V = 5.1926 - 3.1156 = 2.077\text{ kJ/kg}\cdot\text{K}$。 系統質量 $m = \frac{P_1 V_1}{R T_1} = \frac{500 \times 0.1}{2.077 \times 300} = \frac{50}{623.1} \approx 0.08024\text{ kg}$。 末態溫度 $T_2 = T_1 (\frac{P_2}{P_1})^{\frac{n-1}{n}} = 300 \times (\frac{150}{500})^{\frac{1.5-1}{1.5}} = 300 \times (0.3)^{\frac{1}{3}} \approx 300 \times 0.6694 = 200.83\text{ K}$。

小題 (一)

此膨脹過程所輸出之功(W)為多少 kJ?

思路引導 VIP

依多變過程 $PV^n = C$ 關係式求出末態容積,再代入多變功公式 $W = (P_2 V_2 - P_1 V_1) / (1 - n)$ 求解。

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已知初態:$P_1 = 500\text{ kPa}$,$V_1 = 0.1\text{ m}^3$,$T_1 = 300\text{ K}$。 末態:$P_2 = 150\text{ kPa}$。多變指數 $n = 1.5$。 多變過程關係式為 $P_1 V_1^n = P_2 V_2^n$:

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