說到化工所另一個重點考試科目,那就是化熱化動了。化熱化動有不少地方也是相當抽象,尤其是化熱有不少地方是假想的概念,所以常有人說:熱力學是一種信仰!但老師強調的的是觀念,只要觀念建立夠完整詳盡,那就不必再擔心學不好了。老師最有名的一句話:「不管學生原本的基礎如何,我不會放棄任何一位學生!」目的就是希望不管大家的基準點如何,最後都能夠達到成功的終點!
以下針對化熱化動,提供課程架構與章節重點,供同學在準備研究所考試時之參考。
(一)化工熱力學:
1. 熱力學第一定律:
(1) 熱力學第一定律有三個方程式,所以要清楚分出: closed system/open system,steady-state/unsteady-state,即可選出 正確方程式。
(2) 理想氣體 (ideal gas)所引出的重要關係式要活用。
2. 氣體行為論:
(1) 恆溫 (isothermal),恆壓(isobaric),恆容(isochore),絕熱(adiabatic), 四種特殊路徑的△H、△U、W、Q計算。
(2) 真實氣體壓縮因子 (compressibility factor)的認識。
3. 焓:
(1) △ H有三種,狀態變化熱(sensible heat),相變化熱(latent heat),化學反應熱(reaction heat)。
(2) 反應熱以非標準反應熱為主,解法是利用標準反應熱、經 diagram修正成非標準反應熱。
4. 熱力學第二定律:
(1) 熟記熱力學第二定律的文字敘述 (statements)與數學表示式 (mathematical expression)。
(2) 熟機的原理及公式。
(3) 五種△ S的基本計算。
(4) 題目很活,須多做題目以增加想像力。
5. 熱力學關係式與純物質相平衡:
(1) 魔術方塊所引出的 12個關係式須熟記(口訣)。
(2) 真實氣體△ H、△U、W、Q、△S計算的兩種方法要知道,尤其是全微分法。
(3) 純物質相平衡 (SLE、VLE)的方式推導與計算均重要、代數法與作圖法亦要熟。
6. 單一相溶液熱力學:
(1) 要以物理意義了解 Mi、fi、O、M、ri。
(2) 分類整理這五個熱力學性質的各種解法。
(3) 單一相理想溶液的兩種類型: Lewis-Randa11 Law/Henry's Law。
7. VLE溶液熱力學:
(1) VEL理想溶液的兩種類型:Raoult's Law/Henry's Law。
(2) VEL的三種相圖:P-x1 ,y1 、 T- x 1 ,y1、 P-T diagram。
(3) Ki valuc計算(flash calculation)。
(4) 溶液的數學 models。
(5) 此單元教難,須多做考古題以增加熟練度。
8. 流動系統的熱力學:
(1) 須學習如何將熱力學第一定律、第二定律配合使用。
(2) W idcal 認識與計算。
(3) W lost 認識與計算。
(二)化工動力學:
1. 動力學導論:
(1) 熟記反應速率的五大定義及速率常數的三大 models。
(2) 學習如何利用 PSSH或RDS,解mechanism推導出rate equation。
(3) 化學計量關係式 (stoichiometric relationship)要超級熟練,這太重要了。
2. 批式反應器 (batch)的數據處理:
(1) 熟知 batch的三個design equation及適用範圍。
(2) 實驗數據整理成 rate equation的五種方法。
(3) 反應工程題目要注意三件事:相、反應、反應器。
3. 複雜反應 (multiple reaction)於批式反應器的動力學:
(1) 熟悉五種複雜反應的特色,以得到正確的 rate equation。
(2) 將 rate equation 與design equation聯立解即可得到動力學方程式 。
4. 單一反應器設計:
(1) 熟悉三大反應器的 design equation(batch、PFR、CSTR)。
(2) 將 rate equation 與design equation聯立解即可得到動力學方程式。
5. 復雜反應器 (multiple reactor)設計:
(1) 面對 multiple reactor design時,PFR及CSTR的design equation須作修改。
(2) 每一個反應器均可視為獨立的反應工程。
(3) rccyclcd reactor是介於PFR及CSTR之間的反應器。
6. 複雜反應於 PFR及CSTR:
(1) 並聯反應之定性討論: selectivity S。
(2) 並聯反應之定量討論: instantaneous yield O,overall yield O,desired product concentraction C RI。
(3) 串聯反應:熟練 elementary reaction的原則,即可得到正確rate equation。
7. 觸媒及催化現象:
(1) 熟知觸媒反應的七大步驟。
(2) 以 RDS來推導rate equation(一般假設表面化學反應為速率決定步驟)。
8. 非恆溫反應器設計:
(1) 此單元較難,須利用 rate equation,design equation及energy-balance equation聯立解。
(2) CSTR考得比較多,PFR較少。
(3) 熟記熱力學第二定律的文字敘述 (statements)與數學表示式(mathematical expression)。
(4) 熟機的原理及公式。
(5) 可逆反應的 Van't-Hoff equation考得比較多。
化動化熱考情趨勢
(一)單元重點分析 化工熱力學 各校各單元之比重分析表
針對上述章節綱要,以下針對「化工動力學」以及「化工熱力學」兩科,幫同學整理出部分國立學校,研究所考試中較常考的重點,星號越多代表越重要,也提醒同學在準備時,不要忽略各校的差異性。
化工動力學 各校各單元之比重分析表
二)準備方向
化工熱力學及化工動力學,是為國內化工同學於大三所修的超級大主科,要同時把這兩科考得很好,說實在並非容易的事!若同學能掌握正確的學習觀念及準備技巧,仍可輕而易舉地獲得高分。
在化工熱力學方面,準備方向應以:
1. 定理與公式的証明不重要,物理意義的了解才重要!
2. 熟記公式及使用時機。
3. 因熱力學很活,所以需懂得題型整理及歸類。
4. 多做考古題,增加實戰經驗及想像力。
在化工動力學方面,準備方向應以:
1. 不重視公式的記憶,理論推導才重要!
2. 須注意各類型化學反應的特色,以獲得正確的 rate equation。
3. 須注意各類型反應器的特色,以獲得正確的 design equation。
4. rate equation與design equation聯立解,即可完成化工動力學的推導。
以近年來各校錄取分數來看,此科須:
台大:50,清大:40,成大化熱:60,成大化動:50,台科大:70,中央:60等分數,才有上榜的機會,但同學也不必恐慌,只要跟著老師的步伐走,要金榜題名絕非難事!
(三)參考用書
1. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics--by Smith/Van Ness
2. Chemical Reaction Engineering--by Levenspiel
3. Elements of Chemical Reaction Engineering--by Fogler