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地特三等申論題 114年 [機械工程] 熱力學

第 一 題

📖 題組:
一、考慮一個活塞-汽缸系統。一開始裡面裝有0.15 kg的氮氣。汽缸內壓力為110 kPa,溫度為 100℃。然後汽缸內的氮氣開始等溫膨脹至另一狀態。新狀態的壓力為90 kPa。 (一)請問一開始的體積是多少?(5 分) (二)最後的體積是多少?(5 分) (三)這個膨脹過程產生的功是多少?(10 分) (氮氣的氣體常數為0.2968 kJ/kgK)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

請問一開始的體積是多少?(5 分)

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看到本題,首先要辨識出核心考點為「理想氣體狀態方程式」。給定質量、壓力、溫度和氣體常數,求體積。接著要注意熱力學計算中的大忌——溫度單位,必須將攝氏溫度轉換為絕對溫度(K),最後代入方程式 PV=mRT 求解。

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【考點分析】 本題考查理想氣體狀態方程式的應用,測試考生是否熟悉基本氣體性質與狀態參數間的關係,以及是否具備正確的單位換算觀念。 【理論/法規依據】

小題 (二)

最後的體積是多少?(5 分)

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本題延續上一題,考點在於「等溫過程」的特性。由於溫度不變,可以直接使用波以耳定律 (P1V1 = P2V2),或者再次使用理想氣體狀態方程式 PV=mRT 代入新的壓力來計算最終體積。

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【考點分析】 本題考查在特定熱力學過程(等溫過程)下狀態參數的變化,以及對波以耳定律(Boyle's Law)或狀態方程式的應用能力。 【理論/法規依據】

小題 (三)

這個膨脹過程產生的功是多少?(10 分)

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本題考查封閉系統邊界功 (Boundary Work) 的計算。這是一個等溫過程,應該由功的定義式 W = ∫ P dV 展開。對於等溫過程,公式積分解為 mRT ln(V2/V1) 或 mRT ln(P1/P2)。將前面得到的數據代入即可得出答案。

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【考點分析】 本題考查封閉系統(活塞-汽缸)進行等溫膨脹時,邊界功(Boundary Work)的計算方法。考生必須掌握功的積分定義式以及針對不同過程的推導結果。 【理論/法規依據】

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