110年 高普考 高考三級 材料工程 材料熱力學 試卷

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110年公務人員高等考試三級考試試題
類 科
:
材料工程
科 目
:
材料熱力學
考試時間
:
2
小時
座號
:
※注意:可以使用電子計算器。
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。
本科目除專門名詞或數理公式外,應使用本國文字作答。
代號:
36320
頁次:
2
-
1
一、一個系統經過甲路徑,從狀態 a改變到狀態 b;系統吸熱 1500 J,對外
做功 500 J。當此系統經過乙路徑,從狀態 b回到狀態 a;若是外界對此
系統做功 400 J,則此系統是吸了多少熱或是放了多少熱?(10 分)
二、A與B系統生成理想溶液,溶液的組成為,溫度為 T。理想溶液的
莫耳混合焓(molar enthalpy of mixing)為何?(3分)混合熵(molar
entropy of mixing)為何?(3分)莫耳混合自由能(molar Gibbs free
energy of mixing)為何?(4分)
三、一莫耳理想氣體:起始的狀態是溫度 T1與壓力 P1,經過斷熱壓縮
(adiabatic compression)程序到溫度 T2與壓力 P2,經過等壓(P2)程序
回到起始的溫度(T1),然後經過等溫程序(T1)回到起始的狀態:溫度
T1與壓力 P1。T1與T2,何者的溫度較高?並請說明理由。(5分)
請在 P-V 圖上畫出上述的程序。(5分)
四、一個標準大氣壓,A與B純元素的熔點分別為 800℃與400℃。A-B 二
元系統中具有 A2B化合物。在此二元系統中,具有一個包晶(peritectic)
反應與共晶(eutectic)反應。包晶反應為 L+A→A2B,溫度為 600℃;
共晶反應為 L→A2B+B,溫度為 300℃。請畫出此 A-B 二元系統相圖。
(10 分)
五、完成以下這個馬克斯威爾公式(Maxwell equations)(
T
)S=?(2分)
完成以下這個馬克斯威爾公式(
P
T
)V=?(2分)莫里爾圖(Mollier
diagram)是 H-S 圖。在氣相區的等壓線(isobar)的斜率必須為正?
為負?正負皆可?為什麼?(6分)
代號:
36320
頁次:
2
-
2
六、一莫耳理想氣體,起始狀態是溫度 T1與壓力 P1,經過斷熱膨脹(adiabatic
expansion)到達最終狀態溫度 T2與壓力 P2。此斷熱膨脹程序是可逆程
序(reversible process),此系統(不含環境)的 Q、ΔH與ΔS改變是正
值?是負值?或是零? 並請說明理由。(7分)此斷熱膨脹程序是非可
逆程序(irreversibleprocess),此系統(不含環境)的 Q、ΔH與ΔS改變
是正值?是負值?或是零? 並請說明理由。(7分)
七、原始進料 1莫耳的氨氣,在一標準大氣壓(1 atm)與溫度為 673K 時進
行氨氣分解,反應式為
(
)
=
(
)
+
(
)
。假設氣體可以依
理想氣體來描述,此反應在 673K 的反應自由能(Gibbs free energy of
reaction )為∆
= −47370  。請寫出此反應平衡常數
(equilibriumconstant)的數學式。(不需將平衡常數確實數字求解出,只
要寫出包含了各成分組成與反應自由能...等的平衡常數數學式。(5分)
氨氣反應消耗的量與原始氨氣的進料比定義為反應坐標(reaction
coordinate),ε。請畫出此系統的定性的「整體自由能-反應坐標」(∆G-ε)
圖,反應坐標 ε的值從 0到1。(5分)因為反應自由能為負值,從熱
力學的條件得知,上述反應會進行。但是從平衡常數的計算可以得知,
當此反應到達平衡時,氨氣的組成並不會為零。為何氨氣不會完全分
解?(6分)
八、在一個標準大氣壓,元素 A與元素 B具有不同的晶體結構,它們的熔點
分別為 330℃與230℃。A-B 二元系統具有一個共晶反應,共晶溫度為
180℃,共晶組成為 60at.%B。A中溶有 B的為 α相,B中溶有 A的為 β
相。在 180℃,α相中 B的溶解度為 20at.%,β相中 A的溶解度為 5at.%。
請畫 A-B 二元相圖,溫度從 100℃到600℃。(6分)請畫 A-B 二元
系統中,B組成從 0到100%,液相、α相與 β相在 200℃的吉布斯自由
能(Gibbs free energy)。(6分)請畫出在 200℃,B的組成從 0到100%
的活性(activity)。(8分)
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