第一章　熱力學基本概念施陽正 / 陳誌生 97 年 9 月

冷凍空調熱力熱傳學（一） 第一章　熱力學基本概念施陽正/陳誌生 97年9月

CHAPTER 1 熱力學基本概念

1-1 熱力學與能量 • 熱力學 (thermodynamics) 可予定義為能量科學。雖然每個人均能感受到能量，但很難給予準確的定義。能量可被視為引起改變的能力。 • 熱力學一詞係源自希臘字「熱 (therme)」與「動力 (dynamics)」，為早期致力於將熱轉換為動力的描述。目前，此名詞被擴大解釋為函蓋所有的能量與能量轉換，包括動力的產生、冷凍，及相關物質之性質間的關係。

1-1 熱力學與能量 • 熱力學第一定律即能量不滅定律的呈現，並謂能量為一個熱力性質。熱力學第二定律則謂能量不僅有「量」，而且有「質」，一個過程係朝降低能量的質之方向進行。 • 熱力學第一及第二定律同時出現於1850年代，主要出自威廉朗肯(William Rankine)、魯道夫克勞休斯 (Ruddph Clausius) 及凱爾敏公爵 (Lord Kelvin)的研究工作。熱力學一詞首次用於凱爾敏公爵在1859年的出版品。熱力學教科書則係格拉斯哥 (Glasgow) 大學的威廉朗肯於1859年完成。

1-1 熱力學與能量 • Classical thermodynamics：熱力學的巨觀研究不需有關粒子特性的資訊，而稱為古典熱力學。它提供解決工程問題直接而簡易的方法。 • Statistical thermodynamic：基於大量粒子之平均特性的更為精確之研究，稱為統計熱力學。

圖 1-5熱力學的若干應用領域

1-2 因次與單位 • 因次 (dimension)：任何物理量均可用 • 單位 (unit)：用以對因次指定其大小的 • 質量 m、長度 L、時間 t 及溫度 T，被選定為一次 (primary) • 基本 (fundamental) 因次，而如速度、能量 E 及容積 V 等，係以一次因次表示，則稱為二次 (secondary)

1-2 因次與單位

1-2 因次與單位 1N (Newton)= 1 kg m/s2 1 lbf = 32.174 lbm ft/s2 g = 9.807 m/s2; 9.807 N =1 kgf g = 32.174 ft/s2; 32.174 lbm ft/s2 = 1 lbf Work: 1 J (joule)= 1 N m Energy: kj ; Btu

圖 1-7力之單位的定義

功為能量的一種形式，可簡單地予以定義為力乘以距離；因此其單位為牛頓—米 (newton-meter)，稱之為焦耳 (joule, J)。亦即海平面上單位質量的重量 SI中能量更常用的單位為仟焦耳 (kilojoule, kJ)。英制系統能量的單位為英熱單位 (British thermal unit, Btu)，其定義為將 1 lbm 的水自升高所需的能量。公制系統則定義將 1 g 的水自升高所需的能量為 1卡 (calorie, cal)，而。kJ與Btu的大小幾乎相同。 1-2 因次與單位

1-3 密閉與開放系統 • 熱力系統 (thermodynamic system) 或簡稱為系統，係定義為選定用以研究的某量的物質或某區域的空間。 • 系統外面的物質與空間稱為外界 (surroundings)。 • 將系統與外界隔離的實際的或假想的面稱為邊界 (boundary)。

.圖 1-13系統、外界與邊界

系統 • Adiabatic system • 選定固定質量或固定空間為對象，系統可分為密閉或開放兩種。 • 密閉系統 (closed system)，亦稱控制質量 (control mass)，由固定的質量構成，無物質可流經邊界，亦即沒有物質可進入或離開密閉系統但能量可以熱或功之形式流經邊界；而密閉系統的容積並不一定為固定。 • 一個特例為，若能量亦不容許流經邊界，則該系統稱為隔絕系統 (isolated system)。 • 開放系統 (open system)，或經常稱為控容 (control volume)，為在空間選擇一適當的區域，經常是一個有質量流經的設施，如壓縮機、渦輪機，或噴嘴。

圖 1-16質量與能量均可流經控容的邊界

圖 1-17控容可包含固定、移動、真實，與假想的邊界。

系統的任何特性稱為性質 (property)。若干熟悉的性質為壓力、溫度、容積，與質量，以及較不熟悉的黏度、熱傳導係數、彈性係數、熱膨脹係數、電阻係數、速度與高度等。 • 並非所有的性質均各自獨立，有些係由其他性質定義的，如密度 (density) 係定義為單位容積之質量。 1-4 系統的性質

定義 • 單位質量的外延性質稱為比性質 (specific property)，例如比容及比總能量。 • 物質由原子組成，而氣相中原子間距離寬廣。但，不考慮此等原子自然現象，而將之視為不具孔洞的連續性且均質性的物質，即所謂的連體 (continuum)。

Density 密度： • Specific volume 比容： • Specific gravity 比重：定義為物質的密度與某標準物質在指定溫度的密度之比值，即 • Specific weight 比重量：物體單位容積的重量 1-4 系統的性質

1-5 狀態與平衡 考慮一系統未進行任何改變，可量測或計算整個系統所有的性質，而得到一組性質可完整地描述系統存在的情況或狀態 (state)。 -thermal equilibrium熱平衡：T -mechanical equilibrium機械平衡：P -phase equilibrium相平衡：m -chemical equilibrium化學平衡：t

簡單可壓縮系統 簡單可壓縮系統的狀態，由兩個獨立的內函或比性質予以明確訂定。　　當一系統無電、磁、重力、運動及表面張力等效應時，稱為簡單可壓縮系統 (simple compressible system)。

1-6 過程與循環 系統自一個平衡狀態進行改變至另一個平衡狀態稱為一個過程 (process)，而在過程中系統經過的一連串狀態稱為該過程的路徑 (path)。欲完整地描述過程，需指明過程的最初與最後狀態、依循的路徑及與外界的作用。當過程進行時，系統一直維持無限制地接近平衡狀態，稱之為似靜態 (quasi-static)或似平衡 (equasi-equilibrium)過程。似平衡過程可視為極低速過程，因此容許系統內部自行調整，使得系統某一部分性質的改變不快於其他部分。

圖 1-25狀態 1 與 2 間的過程及過程路徑

1-6 過程與循環 • 等溫過程 (isothermal process) 為過程中溫度維持固定；等壓過程 (isobaric process) 為過程中壓力維持固定；而等容過程 (isochoric或isometric process) 為過程中比容維持固定。 • 若系統在過程的最後返回其最初狀態，謂之進行了一個循環 (cycle)。對循環而言，最初與最後狀態是一致的。 • 工程設施在相同的情況下長時間運轉，被歸類為穩流 (steady-flow) 設施。含有此等設施的過程，可用稱為穩流過程 (steady-flow process) 的理想化過程合理地表示，該過程係定義為：流體穩定地流經一控容的過程。

圖 1-28壓縮過程的 P-V 圖

1-9 溫度與熱力學第零定律 溫標溫標使得溫度量測可以使用一個共同的基準，而歷史上曾提出數種溫標。目前SI與英制系統的溫標分別為攝氏 (Celsius)與華氏 (Fahrenheit)溫標。攝氏溫標中冰點與蒸汽點分別被指定為0與；華氏溫標的對應值為 32 與 212。極希望有一與任何物質的性質無關的溫標，此一溫標稱為熱力溫標 (thermodynamic temperature scale)，後面將與熱力學第二定律同時出現。SI 中熱力溫標為凱爾敏標度 (Kelvin scale)；英制系統中熱力溫標為朗肯標度 (Rankine scale)，以威廉朗肯之名命名，其單位為rankine，以R表示。最後被證明與凱爾敏標度為相同的溫標稱為理想氣體溫標 (ideal gas temperature scale)。此標度的溫度係使用定容氣體溫度計 (constant-volume gas thermomenter)量測，基本上是一個剛性容器充填低壓的氣體，通常是氫或氦。

圖 1-45定容氣體壓力計使用四種不同氣體在不同（但低的）壓力下實驗所得數據的 P-T 圖

圖 1-47溫標之比較

1-10 壓力 • 壓力 (pressure) 係定義為每單位面積被流體施加的力，僅有處理氣體或液體時才論及壓力。 • Units: - 1 pascal(Pa) = 1 N/m2 - 1 bar = 100kPa - 1 atm = 101,325 Pa = 1.01325 bar - 1 kgf/cm2 = 0.96788atm = 14.223psi - 1 atm = 14.696 psi

1-10 壓力 在某處的實際壓力稱為絕對壓力 (absolute pressure)，係相對於絕對真空（即絕對零壓力）之量測。然而，大部分的壓力錶係校正為在大氣中的讀數為零（圖1-50），故指出的是絕對壓力與該處大氣壓力間的差，而稱之為錶壓力 (gage pressue)。低於大氣壓力的壓力稱為真空壓力 (vacuum pressure)，係以真空錶量測，指出大氣壓力與絕對壓力間的差。絕對、錶及真空壓力均為正值，彼此間的關係為

圖 1-51絕對、錶與真空壓力

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