2016年8月18日

化學工程師× 日常生活的輸送現象

作者康敦彥助理教授。2013 迄今任職於臺大化工系。蔡亞叡臺大化工系B01 級,目前就讀臺大化工所碩一,大學快畢業才開始慢慢理解化工所學的精神,期許化工應用可以更加走近日常生活。甘名揚畢業於105 學年台大化工系,目前就讀台大化工所一年級。大學四年學習讓我學會用工程師的角度去分析生活周遭的問題,希望未來能活用化工領域的知識,改變人類生活。曾與豪臺大化工B01 級。時光飛逝、不知不覺就念完大學四年畢業了,現在處在對未來既期待又怕受傷害的人生交叉口。

身為化工系的老師,時常被高中生問到兩個問題:「化工系和化學系有什麼不同?」、「我對化學很有興趣,我應該念化工系嗎?」。化工系和化學系僅一字之差,但4 年的課程內容差距千里;一直以來,不乏對於化學懷有高度熱忱的同學進入化工系就讀之後,發現化工課程一點都不「化學」、因而後悔轉系的例子。仔細分析國內、外的化工系課程設計,佔較大比例的核心元素其實是「物理」和「數學」(各佔50% 和40%),「化學」大約只佔10%。本篇文章希望呈現本人在課堂上帶著化工系應屆畢業生所做的專題研究成果,來闡述經過4 年的化工課程訓練後,一個化工系的畢業生將會具備哪些專長、而這些專長又能對人類生活做出什麼樣的貢獻?

化工系4 年的必修課程當中,有3 個學期的時間在學習「輸送現象」。輸送現象包含動量輸送、能量輸送、質量輸送3 個部份。本篇文章將呈現化工系學生們針對3 個日常生活中的輸送現象進行分析。分別是:腳踏車隊中破風手的角色(動量輸送)、超商開放式冷藏櫃的節能問題(動量與能量輸送)、公寓火場一氧化碳的分佈情形(動量、能量、與質量輸送)。要精準且定量地分析以上3個問題,需要化學工程師適當使用輸送現象的數學方程式、並且正確求解;前者考驗化學工程師對於這些現象背後物理原則的理解、後者考驗化學工程師的數學功力。值得強調的是,以上皆非關化學。

動量輸送─腳踏車隊破風手首先是臺大化工系B01 級曾與豪同學所研究的「腳踏車風阻析」。我們好奇一個5 人組成的腳踏車隊,一字隊形和如雁群一般的人字隊形(圖一),究竟對車手們所感受到的阻力有何差別?














圖一: 一字形(上)與人字形( 下) 腳踏車隊。





要回答此問題,我們將藉由求解流體(流體係指液體或氣體)的「動量守恆方程式」,得出腳踏車行進時,車手周遭空氣的壓力與速度分佈。流體動量守恆方程式的數學和物理概念若要精確解釋,恐怕超出高中課程範疇,因此本文略而不談。不過,我們可以把這個方程式想像成是一種對於「流體內部動量輸送」的數學描述;此方程式由流體動量守恆的物理觀念推導而來,方程式的求解則需要數學工具(再次強調,無關化學)。經由電腦運算求解之後,兩種隊形的壓力分佈如圖二。





















圖二:一字形(上)與人字形(下)腳踏車隊行進時的壓力分佈。



人在騎車時所感受到的阻力,由身體前、後兩端的壓力差決定:壓力差越大、感受到的阻力越大;反之亦然。在一字隊形的壓力分佈中,領頭的破風手身體前後的壓力差遠高於身後的衝線手。將壓力對受力表面(也就是人體表面)積分之後,可以得到車手所受到的阻力(阻力其實還有另一來源為空氣的黏滯力,不過在此實例中,其遠小於壓力所造成的阻力,故不討論黏滯力效應)。積分之後我們發現位在破風手身後的衝線手所受到阻力只有破風手的三分之一。反觀,若5 個車手排成人字隊形,從壓力分佈圖來看,每個車手身體前後的壓力差幾乎一樣大;實際積分之後,也發現五位車手受到的阻力趨於一致。以上分析說明了腳踏車隊行進時多以一字隊形行進,確實有其科學根據。......【更詳細的內容請見科學月刊第560期】

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