機械工程 94 年熱工學考古題

簡答題： 考慮一鍋沸水煮熟玉米之過程，試解釋此沸水煮食過程相關之熱傳遞模式。（6 分） 考慮一輸油管路，若欲裝置鰭片以增加油管與管外周遭空氣間熱交換量，請問應 將鰭片裝置於管外或管內？理由為何？（6 分） 何謂黑體？並請簡述其特徵。（8 分）

請簡單扼要的回答以下問題： 何謂三相點？何謂臨界點？（4 分） 請定義往復式引擎的上死點，下死點，及衝程。（4 分） 請說明壓縮因子的物理意義。（4 分） 理想氣體的內能及比熱相對於一般氣體有何特殊之處？（4 分） 一個封閉系統經歷一個不可逆過程的熵值變化是否可能為零？請說明之。（4 分）

一理想氣體進行一個熱力循環，其過程為：先從某一狀態進行絕熱壓縮過程，再 進行等溫膨脹過程至原始壓力，再進行等壓過程恢復至原始體積。試問：（25 分） 畫出此一循環之Temperature-Entropy（T-S）圖以及Pressure-Volume（P-V）圖， 並於圖中標出過程與狀態的說明。 那一過程是吸熱的？那一過程是減熱的？為什麼？ 整個循環的吸熱多還是減熱多？為什麼？

3131thTTTTlnT1−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=η（14 分） > 答案：?

某一壓縮式熱幫浦（heat pump）系統，以一3 kW 馬達驅動壓縮機。空氣（密度 1.2 kg/m3、比熱1.005 kJ/kg-K）以0.96 m3/s 之體積流率穿越蒸發器，導致其溫度下 降4℃。若馬達之能量轉換效率與蒸發器熱能傳遞效率分別為75％與80％，試計算 此熱幫浦系統中冷凝器可釋放出之熱量。另外，此熱幫浦系統之製造廠商聲稱其具 有4.5 之COP 值，請問是否正確？（20 分）

關於理想蒸汽壓縮冷凍循環（ideal vapor-compression refrigeration cycle），請回答以 下問題： 請以P-h 圖（壓力-焓圖）及T-s 圖（溫度-熵圖）說明組成其循環的四個過程。 （15 分） 請定義其性能係數。（5 分）

在800oC 與15oC 之間運轉之熱機，可能的最高熱效率為多少？（25 分）

以質量流率0.052 kg/s 進出一離心式壓縮機之冷媒蒸氣狀態分別為壓力0.4 MPa， 溫度0℃及壓力1 MPa，溫度90℃。冷媒蒸氣可視為理想氣體，其等壓比熱為一定 值（1.1 kJ/kg⋅K）及比熱比值（specific heat ratio）為1.3。試計算驅動壓縮機所需之 理論輸入功率及壓縮機之等熵效率（isentropic efficiency）。（20 分）

關於理想奧圖循環（ideal Otto cycle），請回答以下問題： 請以P-v 圖（壓力-體積圖）及T-s 圖（溫度-熵圖）說明組成其循環的四個過程。 （10 分） 請推導出其熱效率與壓縮比的關係式。（10 分） p C =1.099kJ/kg， v C = 0.812 kJ/kg 及比熱比k =1.354 均假設為 常數。

一個雙缸四衝程內燃引擎，汽缸之內徑為380 mm，衝程為585 mm，在240 rpm 時 ，產生之扭距為11.86 kNm，試求：（25 分） Break horse power（bp）為多少？（以kW 為單位表示出來） 活塞平均速度為多少？（以m/s 為單位表示出來） Break mean effective pressure（bmep）為多少？（以bar 為單位表示出來）

考慮一太陽熱水器集熱板（absorber surface），其表面發射率（emissivity）為0.09 及太陽吸收率（solar absorptivity）為0.87。已知入射至集熱板表面之太陽熱通率 （solar heat flux）為600 W/m2，且周遭空氣溫度為25℃及其對流熱傳係數為 10 W/m2⋅K。集熱板表面溫度已知為75℃，試計算可經由吸熱板背面水管傳輸之太 陽熱通率。史蒂芬菠茲曼（Stefan-Boltzmann）常數為5.67×10-8 W/m2⋅K4。（20 分）

速度很低的空氣以200kPa，1000K 的狀態進入一個絕熱噴嘴，並以100kPa 的壓力流 出噴嘴。假設噴嘴的等熵效率為92%，試求： 出口可能達到的最大速度。（7 分） 空氣的實際出口溫度。（7 分） 空氣的實際出口速度。（6 分）

冷凍廠有一往復式壓縮機，所使用之冷媒性質如下表所示。在壓縮開始時壓力為 2.01 bar，乾飽和狀態，依多變定律pv1.1=const 可逆壓縮至壓力為10 bar。使用所附 之冷媒性質表，試求在過程中specific entropy 之變化為多少（以kJ/kg⋅K 為單位表 示出來）？（25 分） 飽合值 在10 bar 之過熱值 pg (bar) vg (m3/kg) sg (kJ/kg⋅K) v (m3/kg) s (kJ/kg⋅K) 2.01 0.0978 1.7189 0.0222 1.7564 10.00 0.0202 1.7033 0.0233 1.7847

電熱式暖氣系統係於空調風管內配置一300 W 風扇與電阻加熱器所構成。若空氣以 質量流率為0.6 kg/s 流經風管加熱後，其溫度可上升5℃。另外，暖氣風管對外之熱 損失估計達400 W，試計算電阻加熱器所需具備功率。假設空氣等壓比熱值為 1.005 kJ/kg⋅K。（20 分）

一個以理想布列登循環（ideal Brayton cycle）運作的動力廠其高壓低壓比為8。假設 壓縮機及透平機的氣體進口溫度分別為300K 及1200K，試求： 壓縮機及透平機的氣體出口溫度。（7 分） 壓縮機輸出功及透平機輸入功的比值。（7 分） 熱效率。（6 分）