化學工程 95 年化工熱力學考古題

高壓氣體在一汽缸中膨脹將連結到轉軸（shaft）、完全無摩擦的活塞推出，使 得活塞對轉軸與一大氣壓的環境作功。在一個膨脹衝程（expansion stroke）中 記錄了下列的數據。試問在一個膨脹衝程這個氣體對轉軸提供多少焦耳的功？ （1 atm = 101325 Pa）（10 分） 開始 → 結束 汽缸中氣體體積（Q，公升） 2.0 2.4 3.0 4.3 7.6 汽缸中氣體壓力（P，大氣壓） 12 10 8 6 4

重量與溫度分別為100 kg 和100°C 的水將熱提供給一卡諾熱機，此熱機排熱給重量 與溫度分別為100 kg 和0°C 的熱源（sink），這個程序一直持續到高、低溫熱源都 達到相同的終溫。試計算水的終溫（K）與作功大小（Joule）。（10 分）

一定容絕熱容器中有一隔膜（diaphragm）將容器等分成兩半，左半邊體積中填充溫 度為300 K，壓力為3 bar 的空氣，右半邊體積為10 公升且為完全真空。假設這個 隔膜破裂使得左半邊的空氣填充整個容器體積，試問這個過程中熵的變化量（∆S） 為何？（10 分）

溫度在527°C 時，反應物A 可以藉兩個反應路徑：A(g) → R(g)與A(g) → S(s) + T(g) 分解，兩個反應的平衡常數分別為K1 和K2，K1 和K2 分別等於1 和2。假設將此一 純氣體反應物A 通過溫度維持在527°C、乾淨且長的不鏽鋼管，假如反應達到平衡 ，試問： 出口氣流中的組成為何？（10 分） 假如有任何固體產生，每莫耳進料氣體產生的固體沉積有多少? （10 分） PA0 = 1 atm。 95年專門職業及技術人員 高等考試建築師、技師考試暨 普通考試不動產經紀人、地政士考試試題 代號：01520 類 科： 化學工程技師 全一張 （背面）

2 公升塑膠汽水瓶中填有300 K 和11.5 bar 錶壓的空氣，將其加壓到11.5 bar 和300 K 後突然瞬間爆炸，假設瓶中有1 莫耳的空氣，空氣在高壓下可視為 理想氣體，塑膠瓶爆炸時撕裂、加熱和熔化塑膠的作功可以忽略，爆炸產生 的聲能和摩擦耗損可以忽略，試問爆開時所釋放的能量為何？（15 分） （1 bar = 105 Pa; Cv = Cp-R, R = 8.314 J/mol•K） 六、一20 公升容器不含空氣，僅有2 kg 純水，水溫為245°C，請問其中液態水的 體積（m3）和質量（kg）有多少。（10 分） 水和蒸汽-飽和性質： Temp Pressure Specific volume （m3/kg） (°C) (kPa) sat.liq. sat.vap. 240 3.344 0.001229 0.05976 250 3.973 0.001251 0.05013 七、試解釋下列熱力學名詞的意義。（每小題5 分，共25 分） 吉伯士自由能（Gibbs free energy） 赫爾姆霍茲自由能（Helmholtz free energy） 化學勢（chemical potential） 活性係數（activity coefficient） 內能（internal energy）