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普考申論題 112年 [化學工程] 化工機械概要

第 一 題

📖 題組:
三、(一)請寫出一般熱傳的驅動力(5分)與熱傳導的傅立葉定律。(5分) (二)有一材料相同的平板耐火磚緊密黏合,兩端溫度分別為1200℃與50℃,A片厚度5公分,B片厚度12公分,求A、B二片耐火磚介面溫度為何?(10分)
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

請寫出一般熱傳的驅動力(5分)與熱傳導的傅立葉定律。(5分)

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解題核心在於明確指出熱傳的根本原因與基本物理定律。先點出「溫度差」是所有熱傳機制(傳導、對流、輻射)的唯一驅動力;接著寫出傅立葉定律公式 q_x = -k A (dT/dx),並依序解釋變數定義、負號的物理意義(高溫流向低溫),最後可略提其實務應用以展現工程專業度。

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一般熱傳的驅動力為「溫度差」($\Delta T$)。熱量會依據熱力學第二定律,自發地由高溫區域傳遞至低溫區域,此系統間的溫度差即為推動熱能轉移的唯一動力。 「熱傳導的傅立葉定律」(Fourier's Law of Heat Conduction)指出,在均質材料中,一維熱傳導速率與垂直熱流方向的截面積成正比,並與該方向的溫度梯度成正比。公式表達為:$q_x = -k \cdot A \cdot \frac{dT}{dx}$。 特徵包含:

小題 (二)

有一材料相同的平板耐火磚緊密黏合,兩端溫度分別為1200℃與50℃,A片厚度5公分,B片厚度12公分,求A、B二片耐火磚介面溫度為何?(10分)

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看到此題,應立即聯想到「一維穩態熱傳導」的概念。解題關鍵在於理解串聯平板中,各層的熱傳速率皆相等。代入傅立葉定律後,由於材料及面積相同,熱傳導係數與截面積可消去,直接利用溫度差與厚度成正比的數學關係即可解出介面溫度。

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【解題關鍵】穩態串聯熱傳導中,各層的熱傳速率(q)相等,利用傅立葉定律推導即可求解。 【解答】 計算:

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