專利師 97 年物理化學考古題

H O( ) H ( ) O ( )

l g g ⎯⎯⎯→ + ←⎯⎯ ⎯ 電解 燃燒 ⎯⎯⎯→ ← 電解 ⎯⎯⎯→ ← 電解 一、考慮在25℃及一大氣壓下，水的電解反應以及氫氣和氧氣的燃燒反應： 已知相關的電化學和熱力學資料為： 標準半電池反應還原電位： O2+4H++4e- 2H2O ε0=1.23 V 2H2O+2e- H2+2OH- ε0=－0.83V H2(g), O2(g), H2O(l)的標準莫耳生成熱（ΔHf 0），莫耳生成自由能（ΔGf 0），及莫耳熵（S0）為： ΔHf 0（kJ/mol） ΔGf 0（kJ/mol） S0（kJ/mol） H2(g) 0 0 131 O2(g) 0 0 205 H2O(l) -286 -237 70 液態水的比熱為4.184 J/(g、K)；1 卡（cal）= 4.184 焦耳（J）。 問：（每小題6 分，共30 分） 在純水中，[H+] = [OH-] = 10-7 M，求上述二個半電池反應在純水中的還原電位？ 在純水中裝上白金電極，並加入適量的電解質，用電來電解水，産生H2(g)及O2(g)。 問在理想狀況下，電解1 莫耳的純水需要多少的電能？ 在家中，我們常用電鍋或電熱器煮東西。問上述題中所使用的電能能將25℃1 公升 的水加熱到幾度？ 某發明家聲稱他發明了一套水的電解裝置，能使用家裡的電，先將水電解為H2 及O2， 再燃燒來煮飯燒水，可用來節省電費。如果此發明家設計的電解槽和燃燒爐非常完 美的話，問由所得到的H2 和O2 可用來加熱中所提到的水至多少溫度？ 臺灣的家庭用電，很大部分來自火力發電廠。站在臺灣電力公司立場，上述的發 明真的能為地球節能減碳嗎？說明您的理由。 二、太陽能熱水器主要是由一片太陽輻射吸收板及一熱水儲水槽所組成。太陽輻射吸收板吸 收了太陽光，轉為熱能，將水加溫，再輸送到儲水槽中。隨著太陽光的照射，儲水槽中 的水會不斷和輻射吸收板中的熱水進行熱對流循環，水溫即可逐漸升高。常見的太陽能 熱水器儲水槽的水量約為150 公升左右，輻射吸收板的面積為2 平方米。為了簡化我們 的問題，假設太陽能熱水器的環境溫度一直維持在25℃，整個熱水器系統（亦即水加不 銹鋼容器及管件等）的比熱即等於200 公升水的比熱，在這些條件下解答下列問題： 假設整個熱水器隔熱非常好，沒有任何熱能流失。已知晴天時地表的日照強度約為 400 W/m2，假設日照時間為8 小時，問熱水器的溫度可達幾度？（註：該熱水器起始溫 度即為環境溫度25℃，1 W = 1 J/sec。）（6 分） 在沒太陽照射下或是晚上，環境溫度為25℃時，該産品規格書中說明70℃的水溫經12 小時，溫度會降到40℃。問該熱水器在每一秒鐘每一溫度差的條件下，會流失多少熱量？ （註：亦即求該熱水器的散熱係數或熱傳導係數。）（10 分） 在所標示的熱能流失的條件下，如果日照時間可無限延長，請問該熱水器理論上最高可 達到的溫度為多少？如果該項産品的規格表聲稱最高溫度可達70℃，問此溫度規格是在合 理範圍內或是有誇大之嫌？說明您的理由。（註：假定環境溫度一直維持在25℃。）（10 分） 00460 01060 高等考試律師、民間之公證人、會計師、社會工作師 不動產估價師、專利師考試暨普通考試地政士 97年專門職業及技術人員 考試試題 代號： 類 科： 專利師 全一張 （背面） 00460 01060 F A E D C B 水 溫度計

下圖為彈卡計（Bomb Calorimeter）的實驗裝置示意圖。請寫下A、B、C、D、E、F 所標 示的配件或物品名稱，並簡述其在儀器中所擔負的功用。（24 分）

考慮如下圖所示氣體逸散的實驗： 我們已知氣體和氣壁碰撞的頻率和下列三個因素成正比 氣體分子的平均速率 m T k u B π 8 = 氣壁的面積 氣體的密度 經過小心分析，上述關係之間的比例常數為1/4。 寫下氣體碰氣壁的頻率的公式。（4 分） 如圖所示逸散實驗，氣體容器體積為V，起始氣壓為P0，氣體分子量為M，溫度為T。 容器只有一個0.10 cm 直徑的圓形開口，推導出容器氣壓（或是容器氣體的莫耳數）隨時間 變化的方程式，並求其積分解。（註：假設氣體為理想氣體）（8 分） 如果容器是1 公升，起始氣壓為1 大氣壓，氣體為氧氣，溫度為300K。問容器氣壓降為 一半所需時間多長？（8 分） （註：R = 1.987 cal/mol-deg = 8.314 J/mol-deg = 0.082 L atm K-1mol-1） 真空 0.1 公分 直徑針孔 P,V,T