高考申論題
114年
[機械工程] 熱力學
第 四 題
📖 題組:
如果有一個活塞-汽缸系統,內部有15 kg的空氣。起始溫度為 25℃,汽缸內部經過電阻加熱絲加熱,溫度升至 77℃。過程中為等壓。其壓力為300 kPa。系統與環境之間有熱損失為60 kJ。請問: (一)一開始體積是多少? (二)最後體積是多少? (三)整個系統的內能變化是多少? (四)加熱絲總共給了多少熱量? (空氣的氣體常數為0.287 kJ/kgK,Cv = 0.718 kJ/kg℃)
如果有一個活塞-汽缸系統,內部有15 kg的空氣。起始溫度為 25℃,汽缸內部經過電阻加熱絲加熱,溫度升至 77℃。過程中為等壓。其壓力為300 kPa。系統與環境之間有熱損失為60 kJ。請問: (一)一開始體積是多少? (二)最後體積是多少? (三)整個系統的內能變化是多少? (四)加熱絲總共給了多少熱量? (空氣的氣體常數為0.287 kJ/kgK,Cv = 0.718 kJ/kg℃)
📝 此題為申論題,共 4 小題
小題 (四)
加熱絲總共給了多少熱量?
思路引導 VIP
看到此題,應立即想到應用「封閉系統」的「熱力學第一定律」。由於過程為「等壓」,系統邊界作功與內能變化的總和等於「焓變化(ΔH)」,計算出 ΔH 後,再加上環境的熱損失,即可透過能量平衡方程式求出加熱絲的總供熱量。
小題 (一)
一開始體積是多少?
思路引導 VIP
看到求氣體初始體積,且給定質量、壓力、溫度與氣體常數,應立即想到理想氣體狀態方程式 ($PV=mRT$)。解題時務必記得將攝氏溫度轉換為絕對溫度 (K) 並確認單位一致性。
小題 (二)
最後體積是多少?
思路引導 VIP
看到求最終體積,首先確認工作流體為空氣,常溫常壓下可視為理想氣體。接著找出最終狀態的已知變數(質量、壓力、溫度),直接代入理想氣體狀態方程式(PV=mRT)即可求解,注意溫度必須換算為絕對溫度(Kelvin)。
小題 (三)
整個系統的內能變化是多少?
思路引導 VIP
看到計算理想氣體的內能變化,應直覺聯想到「理想氣體的內能僅為溫度的函數」,無論過程為何(等壓、等容等),皆可直接使用公式 ΔU = m·Cv·ΔT 求解。本題為計算內能變化,切勿被等壓過程或熱損失等干擾數據誤導,直接代入初末溫差即可。