化學工程 113 年化工熱力學考古題

113年專門職業及技術人員高等考試建築師、 32類科技師（含第二次食品技師）、大地工程 技師考試分階段考試（第二階段考試） 暨普通考試不動產經紀人、記帳士考試試題 等 別： 高等考試 類 科： 化學工程技師 科 目： 化工熱力學 考試時間： 2 小時 座號： 不必抄題，作答時請將試題題號及答案依照順序寫在試卷上，於本試題上作答者，不予計分。 得以本國文字或英文作答。 四氧化二氮（N2O4）氣體可反應分解成二氧化氮 N2O4(g)= 2 NO2(g) 與反應相關的物質在標準狀態下之莫耳生成自由能（Gf0）、莫耳生成熱 （Hf0）與定壓下之比熱（Cp），如下表所示： Substance Gf0（kJ/mol） Hf0（kJ/mol） Cp（J/molK） N2O4（g） 97.9 9.2 33 NO2（g） 51.3 33.2 23 利用上表所提供的熱力學性質，回答下列問題：  計算在25℃下，此化學反應之平衡常數為何？（5 分）  計算在25℃，1 大氣壓下，含有四氧化二氮與二氧化氮混和氣體之平 衡組成。（5 分）  計算在100℃下，此化學反應之平衡常數為何？（10 分）  計算在100℃，10 大氣壓下，含有四氧化二氮與二氧化氮混和氣體之 平衡組成。（10 分） 一個體積為1 立方公尺的鋼瓶內部裝有空氣，溫度在300 K 時，壓力為 1 大氣壓。請計算以不同程序，使用真空幫浦將鋼瓶內的空氣排出所需 耗費之最小功。  在抽真空過程，鋼瓶溫度保持在300 K，且排出的氣體之溫度為300 K， 壓力為1 大氣壓。（10 分）  在絕熱條件下進行抽氣，且排出的氣體之溫度與壓力與鋼瓶內之溫壓 相同。（10 分）  在15℃時，氧氣在水中的溶解度約為20 mg/L。若溶於湖水中的氧氣 與空氣中的氧氣達到平衡，請估算在1 大氣壓15℃時，湖水中溶氧的 逸壓（fugacity）。（5 分）  根據能量守恆定律，宇宙的總能量從古至今皆未曾改變，僅不同形式 的能量互相轉換，如燈泡將電能轉為光能與熱能。既然用電並沒有真 正消耗能源，請問人類為什麼必須節約用電以面臨能源問題？請用熱 力學定律說明之。（10 分） 以1 莫耳的正辛烷、12.5 莫耳的氧氣與50 莫耳的氮氣被裝填入一具引 擎內，此時引擎內的溫度為25℃，壓力為一大氣壓。相關化學物質的熱 力學莫耳生成熱（Hf0）與定容下比熱（CV），如下表所示： Substance  Hf0（kJ/mol） CV（J/molK） C8H18 -208 CO2 -394 43 H2O -242 31 N2 0 24 O2 0 25 考慮所有的氣體為理想氣體或理想氣體混合物，請回答下列問題：  若引擎內的正辛烷被點燃（爆炸）並完全反應，且此過程中引擎內部的 體積保持不變。考慮引擎內的物質為一系統，計算反應前後系統的內能 變化。（由於反應發生迅速，系統散失至引擎的熱可忽略不計）（7 分）  利用附表所提供之生成熱，計算此反應（如下式）在標準狀態下的反 應內能變化。（7 分） 8 18(l) 2(g) 2(g) 2(g) 2 (g) 2(g) C H 12.5 O 50 N 8CO 9H O 50 N       假設所有氣體比熱（如上表所示）皆不隨溫度改變，同時將產物（即 CO2, H2O 和N2 的混合氣體）在一大氣壓25℃時的內能視為0 kJ，計 算此產物氣體在任一壓力P 及溫度T 下的內能。（7 分）  計算 小題中，引擎內燃料爆炸後氣體的溫度與壓力。（7 分）  爆炸後引擎內的高壓氣體因推動活塞而膨脹，且由於過程發生迅速， 可視為絕熱膨脹。若氣體末壓為一大氣壓，計算氣體末溫以及在此過 程引擎可對外作功的最大值。（7 分）