機械工程 109 年熱力學與熱傳學考古題

109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、 109年第二次專門職業及技術人員特種考試驗光人員考試試題 等 別：高等考試 類 科：機械工程技師 科 目：熱力學與熱傳學（包括熱機） 考試時間：2小時 座號： ㈡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。 ㈢本科目除專門名詞或數理公式外，應使用本國文字作答。 一個封閉熱力系統經過三個連續熱力過程（process）所組成的熱力循環 （cycle），這三個過程的加熱分別是Q1 = 10 kJ，Q2 = 30 kJ，Q3 =5 kJ。 在第一個過程中，系統的能量變化為E = 20 kJ。第三個過程中系統的 能量變化為E =20 kJ。 請問：（每小題5 分，共15 分） ㈠封閉系統的熱力學第一定律的公式為何？ ㈡第二個過程的系統的功是多少？ ㈢另外整個熱力循環所產生的淨功是多少？ 考慮一噴嘴，空氣經過此一噴嘴時以等熵絕熱膨脹。在噴嘴入口處， 空氣狀態為1359 kPa，溫度為150℃，速度非常小，幾乎可忽略。在出口 處空氣狀態為680 kPa。（空氣的Cp 為1.01 kJ/kg℃，Cp/Cv = 1.4） 請問：（每小題5 分，共10 分） ㈠出口處的空氣溫度是多少？ ㈡出口處的空氣速度是多少？ 空氣流動進入一個渦輪機。入口狀態是350 kPa 和550℃，出口壓力為 100 kPa。入口的速度為30 m/s，出口是300 m/s。假設是一個等熵絕熱 過程。 請問：（每小題5 分，共15 分） ㈠出口溫度？ ㈡比焓的入出口變化？ ㈢渦輪機每公斤空氣輸出的功是多少？ 考慮一個不變形且絕熱的盒子，裡面有空氣，體積為0.1 m3。壓力為100kPa， 溫度為300K。如果對盒內空氣加入輪槳功（Paddle-wheel work），使得盒內 空氣溫度上升至500K。（空氣的氣體常數為287J/kg·K，Cv=0.718kJ/kg℃） 請問如果環境溫度為25℃：（每小題5 分，共20 分） ㈠盒子內的空氣質量？ ㈡加入的功有多少？ ㈢熵增加多少？ ㈣其可用能（available energy）有多少？ 25℃的空氣吹過表面溫度為300℃，大小為75 cm×80 cm 的平板。空氣 的對流熱傳係數為25 W/m2℃。求一小時後空氣帶走多少熱量？（5 分） 請列出計算公式。（5 分） 考慮一中空長圓柱體，內半徑為ri，外半徑為ro，長度為L。內徑和外徑 的溫度差為Ti - To。 請問：（每小題5 分，共10 分） ㈠一般的熱傳問題中熱阻是如何計算？請列出公式。 ㈡在這個中空圓柱體問題中，如果只考慮徑向熱傳導，且圓柱體的傳導 熱傳係數以k 表示，請問熱阻在這個問題的計算公式為何？ 試解釋下列熱傳物理名詞及其意義，如果有公式請一併列出： （每小題5 分，共20 分） ㈠Nusselt number。 ㈡Prandtl number。 ㈢熱邊界層。 ㈣接觸熱阻。