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moea_joint_essay 112年 [機械] 熱力學與熱機學、流體力學與流體機械

第 二 題

📖 題組:
三、某渦流管共有 3 處開口,其截面構造略如【圖 1】所示,將 298 K、2.0 bar 之理想氣體由上方入口灌入,並以渦流管本身之閥門調節兩側出口空氣流量,於穩定狀態下,兩側出口空氣溫度分別為 271 K 及 316 K。進口及出口空氣流速差異忽略不計,渦流管與環境之間無熱量傳遞,請計算下列各項(氣體常數 R = 0.287 kJ/kg-K、定壓比熱 CP = 1.0 kJ/kg-K;ln 316 = 5.756、ln 298 = 5.697、ln 271 = 5.602、ln 2 = 0.693)。(2 題,共 15 分)
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (二)

每單位質量氣體所增加之熵為何(計算至小數點後第 3 位,以下四捨五入)?(10 分)
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根據題目給定對數值推知排氣壓力為 1 bar。分別計算冷流(左側)與熱流(右側)的熵變化量,再依質量流出比例加總求得每單位總質量的熵增。

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理想氣體熵變化公式: $\Delta s = C_p \ln(\frac{T_{out}}{T_{in}}) - R \ln(\frac{P_{out}}{P_{in}})$ 由題目提供之 $\ln 2 = 0.693$,推知出口排至環境壓力 $P_{out} = 1.0 bar$(進氣 $P_{in} = 2.0 bar$,故 $\ln(P_{out}/P_{in}) = -\ln 2$)。 左側冷氣流之比熵變:

小題 (一)

進入之氣體有多少比例由左側出口流出?(5 分)
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利用絕熱渦流管的能量守恆與質量守恆,建立進口溫度與兩側出口溫度、質量流率的關係方程式。

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由於渦流管與環境間無熱量傳遞(絕熱),且忽略流速差異造成的動能變化,依據穩流能量守恆: $m_{in} h_{in} = m_{c} h_{c} + m_{h} h_{h}$ 對於理想氣體,$h = C_p T$,可改寫為:

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理想氣體熱力學性質與能量轉換過程分析
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