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高考申論題 114年 [化學工程] 物理化學(包括化工熱力學)

第 三 題

📖 題組:
在定壓與定溫的狀態下,一個 A-B 二元系統的液體,其莫爾焓(molar enthalpy)可以由以下的方程式表示:H=600xA+400xB+xAxB(20xA+40xB),此 H 的單位為 J/mol。
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (三)

當 xB=0.4,B 的部分莫爾焓 HB 的值為多少?(8 分)

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看到二元系統的部分莫耳性質計算題,首先應想到利用截距法(Tangent-intercept method)的數學定義式:$\bar{H}_i = H + (1-x_i)\frac{dH}{dx_i}$。解題關鍵是利用 x_A + x_B = 1 的質量守恆關係,將莫耳焓方程式整理為單一變數(如 x_B)的函數,接著進行微分、代入定義式,最後代入所求莫耳分率即可求得精確解。

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【解題思路】利用二元系統部分莫耳性質的基本數學關係式:$\bar{H}_B = H + x_A \frac{dH}{dx_B}$,將系統莫耳焓轉化為單一成份莫耳分率的函數後微分求解。 【詳解】 已知:

小題 (一)

此液體是否為理想溶液(ideal solution)?為什麼?(8 分)

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看到這題,首先應聯想到「理想溶液」的熱力學定義條件,即混合焓變化必須為零(ΔH_mix = 0)。接著透過代入極端值(xA=1 與 xB=1)求出純物質的焓,再將給定的混合物總焓減去理想混合的預期焓,觀察是否存在混合熱(或過剩焓)來做判定。

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【解題思路】利用理想溶液混合時不產生熱效應(混合焓變化 ΔH_mix = 0)之熱力學定義,透過計算該系統的純物質莫耳焓與實際混合焓變化來判斷。 【詳解】 已知:二元系統的實際莫耳焓方程式為 $H = 600x_A + 400x_B + x_A x_B(20x_A + 40x_B)$ (J/mol)

小題 (二)

請寫出部分莫爾性質(partial molar property)的數學定義式子。(4 分)

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看到「部分莫耳性質」,應直覺聯想混合物中單一成分對整體廣延性質(Extensive property)的貢獻。下筆時務必寫出偏微分數學形式,並嚴格標註偏微分的下標條件(定溫、定壓、其他成分莫耳數不變),這是化工熱力學定義題的給分關鍵。

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部分莫耳性質(Partial molar property,符號通常記為 $\bar{M}i$)的數學定義式為: $\bar{M}_i = \left[ \frac{\partial (nM)}{\partial n_i} \right]{T, P, n_{j \neq i}}$ 各符號定義如下:

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化學平衡、相平衡與熱力學性質
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