热力学(thermodynamics)可以被定义成与能量有关的科学....doc

熱力學 熱力學(thermodynamics)可以被定義成與能量有關的科學。在工程中常常需要應用到熱力學知識，例如在工程師設計及製造蒸汽廠，以做為動力來源或輪機引擎，使它成為現代飛機的推進器，為了要設計這些設備，他們必須對熱力學有一整體的認識並能夠去應用它。 熱力學可被認為是一門工程科學，由於能量的使用及轉換在現代社會中是必須的，所以在工程師的教育中，熱力學的知識是不可或缺的。 熱力學絕大部分是在考慮將熱轉換成功，所謂熱（heat），事實上就是熱能，經由燃料的燃燒或核子反應爐，熱能可以被釋放出來。某些熱能可以被傳遞成熱以被轉換成為功，功則可能以旋轉軸所形成的動力，或飛機引擎所產生的推力型式出現。可以對熱力學作更適切的定義：熱力學是一門與熱能轉變成機械功有關的工程科學。 為了要分析熱功轉換，狀況下流體的行為，而且熱傳遞主要是由於溫度差異，所以也必須了解熱傳遞。熱力學的發展 在本世紀初期，熱的觀念引起極大的爭論，較受歡迎的是，將熱當成一種無色無味的流體，並稱之為“Caloric”，當一物體充滿“Caloric”時，他變成飽和。後來，卡諾從熱的觀念提出只要是引擎必有熱的損耗，在1824年，卡諾（Carnot）並明確地陳述所謂的熱力學第二定律的觀念；就是熱機的熱效率必低於100。 在西元1840年，焦耳（Joule）作了精確的實驗發現：熱並不是流體，而是一種型式能量，因此熱也能轉換成其他型式的能量。這項結果導致熱力學第一定律（能量守恆）能夠被發現。更特別的是，由熱力學第一定律，我們知道在一引擎中，熱可轉換為功或功可因摩擦轉為熱，因此在工程熱力分析中，第一及第二定律可視為熱力學的基礎。 西元1848年，克耳文（Kelvin）利用卡諾有關熱機熱效率的結論提出絕對溫標的觀念，絕對溫標是以攝氏溫標作基礎並命名為克氏溫標以紀念其貢獻。克耳文也是第一個將這門科學定義為熱力學的人。 對英國工程師而言，威廉冉肯（Rankine）是第一個將工程熱力學寫成教科書的人，名為蒸汽機和其他主要動力機手冊（Manual of Steam Engine and other Prime Movers），首先於西元1859年出版，直到20世紀初仍在出版。單位系統 在本書中，我們使用國際單位系統，亦即SI系統。在SI系統中，相對於4種因次有4種基本單位。由這些基本單位可以推導其它的單位。這四種基本因次是長度、質量、時間及溫度，分別與其相對應的單位定義於表1.2中。表1.2 四種基本因次尺度單位符號長度質量時間溫度公尺公斤秒克耳文MsK導出單位 速度定義為一段時間內所移動的距離，往往用以描述流體流動或機器如飛機運動時所必須的，速度其單位為（m）/（s）m/s 容積定義，為一定量流體或物體所占滿的空間，單位為m3。比容則定義為每單位質量所占的容積，所以比容（v） 力的單位則可以由牛頓第二運動定律推導而得力（F）質量（m）加速度（a）其單位為（）（m/s2）m/s2通常可以用牛頓來表示力的單位，並以符號表示Nm/s2 牛頓的正式定義為以1m/s2的等加速率加速1的質量所需的力，物體的重量則定義為作用於物體上的地心引力，同樣的運用牛頓第二定律重量mg 能量的單位，可以定義為與功相同，因為熱與功都具有能量的型式，由基本力學得知，功可表示成功（Nm）力（N）距離（m）的單位，一般都以焦耳表示能量單位，並以J作為其符號（能量單位）JNm焦耳的正式定義為1的功作用1m的距離所產生的能量。 功率則是作功的速率，亦即在一段時間內所作的功功率功/時間單位為（J）/（s）J/s通常用瓦表示功率單位，並以W作為其符號WJ/s因為熱與功都是能量，所以熱傳遞率具有與功率相同的單位，可以用瓦表示。例題1.1 求出在10秒內將質量75的人舉升50公尺所需的功率，假設g9.81m/s2。Sol： 人重量（F）mg759.81735.75作用在人上的功重量距離 WFS735.755036787.5JAns單位字首 表1.3列出一般SI系統所使用的乘數因子。表1.3 SI系統中常用的乘數乘數字首符號10910610310-210-310-6gigamegakilocentimillimicroGMkcm可將能量表成（kJ），譬如36,787.5J36.8kJ。功率則可以MW或Kw來表示。 流率的單位以升計算，並用符號來表示，其中10-3m3壓力 壓力（pressure）是由一流體施加在一單位面積上的力，因此壓力是一種流體的性質，相對於固體中的應力。壓力的單位定義為壓力力/面積力/長度2（N）/（m）2N/m2且可用Pa表示， Pa（壓力單位）N/m2（Pa）非常小，因此很難用來描述流體壓力。在實際上往往使用kPa及MPa。 此外也可使用巴（bar）來定義壓力單位1巴105Pa100kPa定義標準大氣壓力為101.325 kPa。 如果使用零壓力的基準來定義壓力，代表這種壓力是絕對壓力，如以100 kPa的大氣壓力代表絕對壓力，因為它比0 kPa的基準高出100 kPa。如圖1.1所示，為代表高於大氣壓的正錶壓力，及小於大氣壓力的負錶壓兩種情況，並用下式來說明絕對壓力、錶壓力及大氣壓力間的關係。P絕對P錶P大氣 圖1.2顯示兩種測量設備，第1種是氣壓計（Barometer），用來量測大氣絕對壓力，第2種是液體壓力計（Manometer），用來量測錶壓力。 氣壓計的作用原理，就是在封閉管中的一端保持真空，以便使液面高度與大氣壓力有關。 在氣壓計中所使用的流體是水銀，因為其密度是水的13.6倍。基本上，一標準大氣壓力等於760水銀柱高。在液體壓力計中，也常使用水銀去量測水壓。在量測氣體壓力時，則可在液體壓力計中裝填水。一般而言，壓力與液面高度z的關係，可以由1989年，梅西（Massey）所提出的液體靜力方程式表示Pgz/v其中v代表液體比容。 若要求較準確的量測，液面高度應儘可能高愈易讀取準確數值，這意謂著加大液體的比容便可增加液面高度。而在量測氣體壓力時，則可用酒精取代水以便得到較高的準確度，因為酒精比容較水大。例題1.2 使用液體壓力計測量槽中氣體壓力，所使用的液體比容為0.0011 m3/，柱面高300，若局部大氣壓力微101 kPa，試求氣體的絕對壓力，取g9.81 m/s2 。Sol： 液面高3000.3m錶壓力2675.4 Pa（2.68 kPa）絕對壓力2.68101103.68 kPaAns溫度 溫度通常被定義成：一物體或流體的冷熱程度，流體的溫度與壓力比容一樣是屬於流體的性質。為了要確定流體的狀態，有必要得到精確的溫度值。假如流體的溫度改變，則流裡的狀態也會產生變化。溫度計內的液體與物體具有相同的溫度 著名的熱力學第零定律來說明：“假如兩物體分別與第三個物體達到熱平衡，則此二物體彼此也會達到熱平衡”，這是一項十分明顯的陳述，而且可當成溫度量測的基礎。就如同溫度計外的物體及溫度計內的液體，雖然沒有直接接觸，但只要彼此溫度相同，仍可達到熱平衡。 為了測量溫度有必要先定義溫標，在SI系統中使用攝氏溫標，以標準大氣壓力下水的凝固點及沸點定義為0及100，然而當溫度低於0時會出現負號。 為了避免負號，在熱力學中常使用絕對溫標，如同絕對壓力一般，在絕對於標下最低絕對溫度為0，絕對溫標以1K大小與1相等。T（K）T（）273 對溫度差異而言，只要兩原始溫度已知，同時轉換成絕對溫標即可。例如，在汽車散熱器中，由引擎流出的水溫度95，進入的冷卻水15，兩者差異為80，若轉換成絕對溫標，則溫差（27395）（27315）80 K分子單位 亞佛加德羅定律（Avogardos low）曾提到：在特定的壓力及溫度下，若氣體體積固定，不管氣體種類為何，應具有相同數目的分子數。因此對氫及氧而言，只要體積相同，則分子數也會相同。由此可見氧的質量比同體積的氫質量還大。 在SI系統，通常會以符號kmol來表示分子數，而氣體的實際質量可由下式求得mnM其中m代表氣體的質量，單位是 n代表的kmol數目 M代表氣體的分子量表1.4列出一些常見的分子量表1.4 一些常見物質的分子量物 質分子符號分子量碳-12氫氮氧CH2N2O21222832例題1.3 一kmol的空氣可考慮為包含79體積的氮及21體積的氧，試求其包含的空氣質量Sol： 1 kmol的空氣0.79kmol的氮0.21kmol的氧m（nM）N2（nM）O20.79280.2132 22.126.7228.84Ans例題1.4 求出2kmol甲烷氣體的質量，甲烷的化學組成為CH4Sol： CH4的分子量12+2（2）16 mnM 21632Ans習 題1. 在一槽中的水壓可利用水銀壓力計測得，若水銀柱高度500，且大氣壓力為100 kPa，試求水的絕對壓力，假