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高考申論題 111年 [材料工程] 材料熱力學

第 一 題

📖 題組:
已知 0.5 莫耳 A 與 B 混合組成溶液的混合焓為 5000 J/mole;現若以 X 與 1-X 莫耳分率的 A 與 B 組成規則溶液(regular solution),請針對 AX-B1-X 溶液: (每小題 5 分,共 20 分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

推導此規則溶液產生混溶間隙(miscibility gap)的溫度 T 與 X 關係式?

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首先,利用 X=0.5 時的混合焓求出規則溶液的交互作用參數(Ω)。接著,針對規則溶液的對稱特性,利用相平衡時兩相化學位能(偏莫耳自由能)相等的條件,推導出雙節線(Binodal curve)方程式,此即為混溶間隙的 T-X 關係式。

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【解題思路】利用規則溶液模型先解出交互作用參數 Ω,再藉由相平衡條件(共切線定律或對稱相的化學位能相等)推導出混溶間隙的邊界方程式。 【詳解】 已知:

小題 (二)

請問該混溶間隙的臨界溫度為多少?

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看到規則溶液(regular solution)與混合焓,應先聯想公式 ΔH = Ω·X_A·X_B 求出交互作用參數 Ω。接著利用混溶間隙臨界溫度的熱力學條件(自由能對成分的二次微分為零,且規則溶液對稱於 X=0.5),推導出 Tc = Ω / 2R 進行求解。

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【解題思路】利用規則溶液的混合焓公式求出交互作用參數(Ω),再透過混溶間隙的熱力學臨界條件推導並計算出臨界溫度。 【詳解】 已知:

小題 (三)

推導該溶液生成旋節分解(spinodal decomposition)的 T 與 X 關係式。

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看到旋節分解,應立即聯想到其熱力學發生的條件為混合自由能對成分的二次微分小於零(∂²ΔG_mix / ∂X² ≤ 0)。先從題目給定的等莫耳混合焓求出規則溶液的交互作用參數 Ω,再代入混合自由能方程式進行二次微分並令其為零,即可求得分解界線的 T-X 關係式。

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【解題思路】利用規則溶液的混合焓求出交互作用參數 Ω,再根據旋節分解的熱力學判斷條件(混合自由能對成分的二次微分等於零)推導 T 與 X 的關係式。 【詳解】 已知:

小題 (四)

與 T=300 K 時旋節分解的成分區間。

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看到規則溶液(regular solution)與混合焓,應先聯想公式 ΔH_mix = ΩX_A*X_B 以求出交互作用參數 Ω。接著,利用旋節分解(spinodal decomposition)的熱力學不穩定條件 ∂²ΔG_mix/∂X² ≤ 0,將求得的 Ω 與溫度 T=300 K 代入,解一元二次方程式即可找出發生旋節分解的成分界線與區間。

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【解題思路】利用規則溶液混合焓公式求得交互作用參數(Ω),再代入旋節分解的熱力學條件式(∂²ΔG_mix / ∂X² ≤ 0)求出成分邊界與區間。 【詳解】 已知:

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