流體力學是一門探討流體處於靜止或運動現象的科學,分析流體力學問題所採用的基本定律,包括:質量守恆、動量守恆(牛頓第二運動定律)、動量矩守恆、能量守恆(熱力學第一定律)、熱力學第二定律(熵增定律)及理想氣體狀態方程式等,上述各定律或方程式不用以解決許多流體靜力學與流體動力學問題。而求解流體力學問題可依下數步驟進行:
(一) 簡述以知條件
(二) 確認欲求答案
(三) 慎選與描繪控制容積及座標方向
(四) 依解題所需基本定律,寫下統御方程式
(五) 列出假設條件
(六) 假設條件,簡化統御方程式為單純代數式
(七) 代入已知條件(數值),以求得答案
(八) 檢驗答案,並確認假設條件的合理性

學習流體力學應熟悉流體運動概念,例如流體的性質、流體的種類、流體運動學、描述與分析流動的方法、流場在靜止或運動的壓力變化、邊界對速度與壓力分部的影響、阻力與升力的計算法、因次分析法、管流、明渠流及流動量測量法等。建議同學們每天針對每一個重要定義以及公式,找一個例題詳細演練,練習時配合題型、關鍵字、觀念公式口訣,以面對各校千變萬化的題型。


(一)章節重點分析
傳統上流體力學考題,是著重於計算題,但近兩年考題針對流動現象之描述,重要為因次參數之定義及重要物理觀念,所佔比重漸增。

依機械類各所流力命題重點分析,如下所述:
1. 機械/應力/工科/航太/能源/微機電所:命題焦點重於流體靜力學(求液靜壓力及壓力中心)、  流體運動學(求流線、經線、煙線、渦旋向量)、勢流理論(求速度勢函數、流線函數、組合複  數速度勢流場)、內部黏性層流(完全展開平板流及圓管流)、外部黏性層流(邊界曾方程式堆導、  邊界層厚度、動量厚度、摩擦係數)、伯努利方程式應用、因次分析等。

2.土木/環工/水利/船舶所:命題焦點著重於內部黏性層流(同心管旋轉流或軸向流平板間完全 展開流)、流體靜力學(求合力及壓力中心、穩定性)、流體運動學(求加速度、流動軌跡)、勢  流理論(不可壓縮性、渦旋性)、明渠流(水躍、臨界水深、比能曲線)、伯努利方程式的應用、 因次分析等。

(二)各類考情分析
1.機械/應力/工科/航太/船舶/微機電/能源類:
『不可壓縮管內黏性層流』為各校必考章節,同學應該注意圓管完全展開流的特性與定義,尤其是各區域內作用力、壁剪應力,及壓力之分佈。而平板間完全展開層流與柯提流之速度分佈、平均速度、壓降、最大速率、壁剪應力及摩擦因子皆為考題重點。圓管內完全展開流、同心管旋轉流與軸向流,以及傾斜薄層流動皆都是出題焦點。『控制體積之積分方程式』為第二個重要考點,包含C.與C.M.區分、雷諾傳輸定理之物理意義與證明、質量守恆定律(連續方程式)、動量方程式、動量方程式,及能量方程式之應用、統御方程式之無因次化、相似定律,及重要無因次參數、邊界層流域各區分類、邊界方程式推証與應用、動量積分方程式推証與應用等。其餘依序為流體靜力學、伯努利方程式、流體運動之微分方程式、勢流理論、紊流、明渠流及可壓宿流。

2.土木/環工/水利類:
『流體運動之微分方程式』為各校必考章節,同學應注意方程式推證及物理意義;動量方程式與納威爾史托克方程式應用之應用;應力與應變張量之計算、歐拉方程式之使用條件以及應用。
努利方程式之推證、流線、徑線、煙線之定義與功用;流線函數之定義與計算。『二次分析』為第二個重要考點,其中水庫流動模型最常見。『流體靜力學』為第三個考試焦點,包含巴斯凱定律之定律與推證;液靜壓力公式證明及計算;作用在傾斜平板與曲面板之合力與壓力中心;福利原理之計算應用;流體之剛體運動。其餘常考章節為能量方程式、伯努利方程式、控制體積之積分方程式、勢流理論、明渠流與邊界層流,但可壓縮流一定不會考。

(三) 97年流體力學配分表 (僅列部分學校)
1. 機械/應力/工程類


2. 土木/環工/水利類


熱力學是一門探討系統與環境能量交互作用的科學,分析熱力學問題所採用的定律,包含能量守恆(第一定律)、熵增定理(第二定理)、可用能方程式(第二定理)、第三定理(絕對 )、與第零定律。

準備熱力學時應認清基本定義,且對於各型熱力系統要靈活運用;熱力學第一定律用以探討功、熱與儲能的交互作用,使用時要謹慎判別工作流體是理想氣體、水蒸氣、混合氣體或是真實氣體;計算理想氣體需採用狀態方程式,水蒸氣需採用水相關,混合氣體需配合狀態方程式。

熵為熱力學第二定律的主角,熵是性質與所經過的熱力過程無關,故在最出與最末的狀態確定時,任何過程熵變化量可由可逆過程求得,使用熵定理時須注意系統包含的範圍,因為環境的不可逆不會被併入,不可逆性(或不可用能)於系統或環境之不可逆因素,同學也要熟悉各種熱力機構;壓縮機、泵浦渦輪機、燃燒器、蒸發器、冷凝器再熱力學第一定理與第二定理之應用。

將以上技巧應用於動力循環(空氣動力蒸氣動力循環與冷凍循環、過程工(熱)熱效率、熵變化不可逆性等等,對於無法直接由實驗量測得熱力性質例如內能熵變化量及比熱等需搭配熱力一般關係式與壓力溫度與比容求得。

 


(一)章節重點分析
熱力學考題首重各個定律的說明;熵與熵增定理是最常考的章節,例如:克勞休斯不等式之解釋與應用、熵的定義、熵增加原理之定義與應用考最多,吉布斯方程式、固體與液體的熵變化、理想氣體的熵變化量、理想氣體滴關係式、可逆穩流過程、穩流絕熱效率等;理想氣體章節是許多章節的應用基礎;熱力學第一定律(能量守恆)是基本章節;熱力一般關係式經常出現;動力與冷凍循環卡諾朗肯圖與迪塞爾很少缺席;可用能與不可用能混度混合器偶有佳作。

(二)各類組考情分析
機械/應力/工科/航太/船板/微機電/能源類組研究所,熱力考題主要分布在熵、理想氣體、熱力學第一定律、熱力一般關係式等章節,其次為熱力學第二定律、可用能與不可用能及純物質之熱力性質,燃燒學基礎與化學平衡,大都為交大機械、中央機械、及中山機電所考出;以動力與冷凍循環為例,奧圖循環熱效率的導証與計算、迪塞爾循環的導証與計算、奧圖與迪賽循環的比較、布雷登熱效率的驗證及提高熱效率的方法、朗肯循環熱效率的計算與提昇熱效率的方式、蒸 氣冷凍循環熱傳律與與不可逆變化率的計算皆為考題;而可用能的定義可逆功的定義與公式、不可逆性公式與定義,不用能平衡方程式也都是考題焦點。

(三)97年熱力學配分表 (僅列部分學校)

 

 


 

一、準備要領
「熱傳學」是熱流組裡面比較難準備的科目,一方面是學校只有花一個學期去上這門必修課:另一方面是學生在應付考試時總因為很少考熱傳而放棄,更加劇對熱傳的恐懼症。其實,只要把之前考過的考古題熱傳的部分一題一題把它弄懂,並且熟讀課本的內容,對熱傳還是有進一步的認識跟體會。

近幾年散熱模組特別熱門,所以散熱片的設計更形重要,此外,自然對流與強制對流的考題亦是出題的熱門,統體系統分析的考題亦有增加的趨勢,熱輻射的部分因為比較艱深,個人建議把解釋名詞跟基本題型看熟即可。在熱傳學考題上的比重分析為:
(1) 熱傳導(統體系統分析或二維穩態熱傳導或散熱鰭片)
(2) 自然對流與強制對流
(3) 熱輻射
(4) 熱交換器

二、章節架構

三、熱傳學與熱力學的差異
以兩者研究對象而言,熱力學係以巨觀角度去探討能量轉換的形式、各種物質因狀態、相改變或化學反應所產生的能量與物理性質的變化;反之,熱傳學則是用微觀角度看熱量以不同傳送方式在不同物質之下,利用能量平衡探討熱量傳送的速度與溫度分佈。

另以兩者內容而言,熱力學注重系統與環境之間能量形式的轉換(此能量為功與熱),並且不考慮狀態變化前後所需的時間。雖然有少部分系統為非穩態,但對大部分的穩態系統而言,在任意瞬間下都是均勻的(uniform);而熱傳學在傳熱過程中,完全不考慮功的作用,而且全部過程為不可逆(irreversible)。而除了穩態(steady state)的特例,否則均須考慮熱傳所需要的時間。並且除統體系統分析(Lumped system analysis)之外,在任何瞬間之下,溫度分布都是不均勻的(non-uniform)。

 


李 祥 老師
◆ 台大工程博士
◆ 教學年資:18年
◆ 名師著作:熱力學與熱機學(上、下冊)、 流體力學觀念剖析(上、下冊)、 熱傳學(全冊)、 流體力學題庫
◆ 名師經歷:大學院校副教授、 大碩專任流力、熱力、熱傳老師
◆ 名師特色:
  1、教學深入淺出從無到有,任何一個細節都不放過。將完全沒有基礎的同學引導進入領域。
  2、每一期都發補充講義,讓同學隨時掌握最新的考試方向,隨時修正準備要領,達到事半功倍之效果。
  3、上課過程中,隨時補充新的觀念,用圖形表達出較不易懂的觀念。
  4、以流體力學為基礎概念,進一步討論熱傳現象,引導同學進入熱傳導、熱對流與熱輻射的領域。
  5、在老師的教材中,裡面的例題全部是各研究所的考古題,其所涵蓋的範圍有84、85、86...到97學年度。
  6、上課隨時補充節能產業的訊息,包括太陽能晶片、燃料電池(Fuel Cell)、省油車、太陽能車、太陽能發電、風力發電、海洋溫差發電、奈米微系統發展及冷凍空調新發展。讓課堂上的知識與產業演變結合。

創作者介紹

台南大碩研究所

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