2025冷凍空調技師考試重點解析：熱力學觀念與高頻考題攻略（2025最新）

熱力學是冷凍空調技師學科中的基礎與核心領域，幾乎每年必考。從冷媒循環的效率計算、蒸氣壓縮系統的能量分析，到建築節能設計中的熱傳研究，熱力學無處不在。其核心價值在於：

• 解釋能量轉換與系統運作邏輯

• 預測冷凍設備的效率與性能

• 幫助工程人員做出更節能的系統設計

考生若能牢牢掌握第一與第二定律的核心邏輯，搭配應用題型訓練，應對冷凍空調技師考試將事半功倍。

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第一大重點：

熱力學第一定律（能量守恆定律）

熱力學第一定律的精神，就是「能量不滅，只能轉換」，這在實際冷凍系統裡，常體現於壓縮機做功、冷媒吸熱或放熱等過程中。常見出題方式包括：

🔹 封閉系統分析

這類題目中，系統內部的質量不變，例如一個密閉氣缸，裡面的氣體膨脹或壓縮：

ΔU = Q - W

其中 ΔU\Delta U 是內能變化，Q 是熱量輸入，W 是做功量。

🔹 開放系統分析（穩流能量方程式）

例如冷凍設備中的壓縮機、節流閥屬於開放系統：

Q̇ - Ẇ = ṁ × (h2 - h1 + (V2² - V1²)/2 + g × (z2 - z1))

考試中常會簡化為焓變化來處理，例如：冷媒經過壓縮機後焓值上升多少、功輸入多少。

熱力學第二定律與熵的概念

若第一定律回答了「能量去哪了」，第二定律則說明「這樣的能量轉換是否可行，有效率嗎？」

🔹 熵（Entropy）觀念核心

熵代表一種「能量混亂程度」的指標：

• 可逆過程：熵不變

• 不可逆過程（如節流）：熵增加

• 熱機效率與熵變化息息相關

考題會要求你計算熵變或辨識是否為可逆過程，也常出現於效率推導與冷凍機COP題型。

🔹 可用能損失（Exergy Loss）

這在進階題中出現機率高，意指因為不可逆損失而導致的實際能量利用效率下降。

熱力性質與熱力圖表的應用

冷凍技師必須懂得查表與判讀圖表，尤其是：

🔹 焓（h）、內能（u）、比容（v）

這些都是計算做功與熱量的基礎，題型會要求：

• 計算焓變（Δh）

• 利用焓值查表判斷冷媒狀態（飽和／過熱）

🔹 莫利爾線圖（h-s圖）應用

h-s圖是蒸氣壓縮循環的核心工具，用來判讀：

• 壓縮機前後的焓變

• 冷凝器釋放熱量

• 判斷節流與蒸發器位置

流功與壓力－體積關係

這部分是經典出題區，尤其常見於活塞、壓縮機與氣缸內部做功問題：

🔹 P-V 做功公式

W=∫PdVW = \int P dV

若為等壓、等容、等溫等情況，可簡化公式。考題會要求你根據 P-V 圖面積計算做功。

🔹 流功定義

w_flow = P × v

這常用於穩態流系統的焓定義式中，配合焓值一起計算。

熱力學三大經典循環

考試中最常見的熱力循環包括：

🔹 卡諾循環（理論最高效率）

效率公式：

η_carnot = 1 - (Tc / Th)

溫度計得要用絕對溫度

考題會用來比較不同熱機的理論效率。

🔹 朗肯循環（蒸氣發電系統）

結合鍋爐、渦輪、冷凝器與泵浦的蒸氣循環，常出現計算各元件功率與熱輸入量。

🔹 布萊頓循環（氣體渦輪系統）

廣泛應用於燃氣渦輪、空氣壓縮循環等，出題會要求繪製T-S圖與效率計算。

熱傳學三大模式與傅立葉定律

熱傳學在冷凍空調技師考試中佔有關鍵地位，題目常涵蓋熱傳導（Conduction）、熱對流（Convection）、與**熱輻射（Radiation）**三大模式，且往往需要搭配公式計算與物理意義理解。

🔹 傅立葉熱傳導定律（定態）

最常考的定律之一，用於計算穩態導熱：

q = -k × A × (ΔT / L)qqq：傳熱速率（W）

• k：導熱係數（W/m·K）

• A：傳熱面積（m²）

• ΔT：溫差（K）

• L：傳熱距離（m）

這個公式應用廣泛，常見題型包括：多層牆體導熱量分析、保溫層設計問題、冷藏箱壁厚計算等。

熱交換器分析與LMTD／NTU應用題

熱交換器是冷凍系統中不可或缺的元件，像是冷凝器與蒸發器就是兩個最常見的例子。考試會針對其分析方法出題，尤其是以下兩種方法：

ΔT_lm = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)

• ΔT1：入口溫差

• ΔT2：出口溫差

這種方法常見於並流與逆流交換器效率比較題，出題會給予進出口溫度與熱流需求，要求考生計算所需傳熱面積或熱負載。

🔹 熱效能法（NTU Method）

效率定義如下：

ε = q_actual / q_max

計算步驟通常為：

1. 先找出 C_min 與 C_max

2. 判斷流動類型（並流、逆流、交叉流）

3. 查表或代公式求 NTU

4. 根據 NTU 與 ε 計算實際熱傳

出題方向會以：給定效能求熱負載、或已知面積反推交換器長度或材料設計。

Biot數與Nusselt數的實戰應用

這些無因次數是工程熱傳中常見的分析指標，用於判斷系統的熱傳模式與計算方法是否成立。

🔹 Biot，比爾數（Bi）

Bi = hL / k

• 若 Bi < 0.1 → 可使用總容量法（Lumped System）

• 若 Bi > 0.1 → 必須使用分佈參數方法

這在非定態熱傳問題中特別重要，例如「塊狀熱容系統受熱後溫度變化推導」題目，需先判斷是否能簡化為 Lumped Capacitance Model。

🔹 Nusselt，紐賽數（Nu）

Nu = hL / k

表示對流熱傳與導熱能力的比值，是對流強弱的指標。高 Nu 代表對流強（如渦輪風扇），低 Nu 則代表對流較弱（如自然對流）。

出題常見於圓管內流動加熱、冷卻分析題，會與雷諾數 Re、普朗特數 Pr 結合使用。

控制容積能量方程式與穩流分析

🔹 控制容積穩流能量方程式（簡化形式）

在冷凍空調系統中，許多元件如壓縮機、蒸發器、冷凝器等都是典型的「控制容積系統」，我們通常用穩流能量方程式來進行能量分析。

Q̇ - Ẇ = ṁ × (h2 - h1)

適用於系統進出質量與能量穩定時

• 無需考慮動能與位能差異時的簡化形式

🔹 應用情境與常見考法：

• 壓縮機輸入功與焓差計算

• 蒸發器吸熱量與冷媒焓差計算

• 控制容積中的冷媒狀態分析（乾度變化）

舉例：若已知冷媒流量、進出焓值，可直接求出系統每秒吸收或排放多少熱能（kW）。

濕空氣與除濕原理在冷凍系統中的應用

濕空氣分析是冷凍空調考試中的熱門主題，尤其當題目涉及除濕、冷卻、車窗除霧等情境時，常搭配濕度圖（Psychrometric Chart）來進行分析。

🔹 重要濕空氣參數：

• 相對濕度（Relative Humidity, RH）

• 含濕量（Humidity Ratio, W）

• 露點溫度（Dew Point）

• 焓值（Enthalpy, h）

🔹 濕度圖應用技巧：

• 橫軸找乾球溫度，縱軸找含濕量

• 等焓線與冷卻線用來分析除濕過程

• 濕球溫度用於估算蒸發冷卻效果

🔹 常見考題類型：

• 冷氣機進出風條件分析

• 露點溫度判讀與除濕量估算

• 水氣凝結與熱負載分析（Q = m × Δh）

熱阻網路法與複合牆體分析

當涉及多層牆體、保溫材料設計或複合材質時，需使用「熱阻網路法」進行分析，是傅立葉定律的延伸應用。

🔹 熱阻基本公式：

R = L / (k × A)

• R：熱阻（K/W）

• L：厚度（m）

• k：導熱係數（W/m·K）

• A：面積（m²）

🔹 傳熱量總公式：

q = ΔT / R_total

🔹 常見熱阻配置：

串聯（多層牆）：R_total = R1 + R2 + R3 ...

🔹 題型例子：

• 多層牆體計算總熱阻與熱流方向

• 更換保溫材質後熱流改變比率

• 從熱阻比較判斷何處溫降最大

散熱片（鰭片）設計與效率計算

散熱片是冷凍空調系統中常見的提升熱傳效率的裝置，常用於蒸發器、冷凝器等單元上。考試中會針對其幾何設計與熱傳效率出題。

🔹 散熱片功能與設計要點：

• 增加傳熱面積，提高熱交換速率

• 材質導熱性好（如鋁、銅）

• 形狀設計影響效率（平片型、針狀、波浪型等）

🔹 重要公式與觀念：

➤ 鰭片效率公式：

η_f = q_actual / q_max_possible

• η_f：鰭片效率

• q_actual：實際熱量

• q_max_possible：整片鰭片達表面溫度時能傳的熱

➤ 鰭片組效率（Fin Array Efficiency）：

η_o = (A_f × η_f + A_b) / (A_f + A_b)

• A_f：鰭片面積

• A_b：基底未覆蓋區域面積

🔹 常見題型：

• 比較不同鰭片材料與長度的效率差異

• 題目給定幾何參數，求熱流或效率

• 判斷是否適合用於自然對流或強制對流情況

常見高頻題型解析與解題技巧

歷屆考題中出現頻率最高的，不外乎以下這些類型。理解題型結構與關鍵字，將大幅提升作答速度與正確率。

🔸 氣缸活塞做功題（P-V 變化分析）

• 考點：做功公式 W=∫PdVW = ∫PdVW=∫PdV，等壓／等容／多方程式解題

• 技巧：若題目說明「等壓過程」，可直接用 W=PΔVW = PΔVW=PΔV

🔸 焓值表／莫利爾線圖使用題

• 考點：查焓、熵、比容等數據，求效率或功率

• 技巧：學會快速定位乾度、狀態點位置

🔸 蒸氣渦輪／壓縮機效率與功率分析

• 考點：效率定義 η=Wactual/Widealη = W_actual / W_idealη=Wa​ctual/Wi​deal

• 技巧：若題中給「實際功率」與「理想焓差」，可直接代公式求效率

🔸 熱泵／冰箱 COP 題型

• 熱泵 COP 定義：COPhp=QH/WCOP_{hp} = Q_H / WCOPhp​=QH​/W

• 冰箱 COP 定義：COPref=QL/WCOP_{ref} = Q_L / WCOPref​=QL​/W

通常搭配卡諾效率題一起出現，需理解高溫與低溫儲槽概念。

🔸 熱交換器與 LMTD／NTU 題型

• 題型：已知溫差與熱流，計算傳熱面積或效能

• 技巧：先判別是並流或逆流，再代入 LMTD 或 ε-NTU 公式

🔸 濕度圖應用題（除濕、冷卻）

• 題型：車內除霧、空氣冷卻至露點下方產生冷凝

• 技巧：對照乾球與濕球溫度變化線，找交叉點估算焓差與除濕量

冷凍空調系統整體熱效率提升策略

除了基礎運作外，現代冷凍系統也強調「效率提升」，許多設計與控制策略都成為考題焦點。

🔹 二段壓縮與中間冷卻

• 增加中間冷卻可減少壓縮功，提高整體效率

• 題型常見於焓圖查值與中間壓力計算

🔹 節流裝置設計與效率控制

• 壓降設計需配合焓變與濕度控制

• 論述題可能問「為什麼不能用可逆膨脹機取代節流閥」

🔹 高效熱交換器設計

• 改用逆流設計比並流更節能

• 使用高導熱材料與高鰭片密度

🔹 運轉參數優化

• 適當設定冷凝壓與蒸發壓

• 避免超壓運轉造成系統損耗與安全問題

考前總整理與速讀重點清單

臨考前最重要的是聚焦在可快速回想的核心觀念與常見計算式。以下是建議的衝刺架構：

✅ 熱力學快速複習

• ΔU = Q - W（封閉系統）

• Q̇ - Ẇ = ṁ(h2 - h1)（穩流系統）

• 熱機效率 η = 1 - Tc/Th

• COP 冰箱 = Q_L/W，熱泵 = Q_H/W

✅ 熱傳學關鍵公式

• q = -kA(ΔT/L)

• LMTD = (ΔT1 - ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)

• ε = q_actual / q_max

• Bi = hL/k（決定能否用 Lumped Model）

✅ 圖表與線圖應用題

• h-s 圖 → 焓變計算、狀態辨識

• 濕度圖 → 除濕量、露點溫度估算

✅ 小技巧：

• 把題目中的「關鍵字」與「公式」建立對應表，例如：

  • 「等壓過程」→ W = PΔV

  • 「不可逆損失」→ 計算熵變 ΔS