热力学基本概念
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
▪ 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。
m (kg / m3)
V
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)。
▪ 若能量亦不容許流經邊界，則該系統稱為隔絕系統 (isolated system)。
圖 1-14 物質不能流經密閉系統
(closed system ) 的邊界, 但能量可以.
▪ 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。
(例題1-1, 1-2)
Ex 1.1 因次 以下方程式計算錯誤之可能原因 E = 25 kJ + 7 kJ/kg
<Sol> 最後一項因次不正確, 可能忘記乘以質量
Ex 1.2 單位
油密度 850 kg/m3, 體積2 m3, 質量為何?
<Sol> 質量的單位為 kg, 密度的單位為 kg/m3, 而體積單位為m3, 可推得: 質量 = 密度 體積 = 850 kg/m3 2 m3 = 1700 kg
e E (kJ/kg) m
熱力學無法決定總能量 E 的絶對值，但是可以指定適當基準令總能 為零 (E = 0)，討論總能量的變化 (即相對值)。
構成系統的總能量可區分為巨觀(macroscopic)與微觀(microscopic) 兩種能量。
微觀形式的能量總和稱為系統的內能(internal energy)，以U表示。
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
1J 1Nm
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68F升溫1F所需的能量。公制系統則 定義將 1 g 的水自14.5F 升溫1C所需的能量為 1 卡 (calorie, cal)，而 1 cal =4.1868 J 。kJ與Btu的大小幾乎相 同 1 Btu = 1.055 kJ。
力 ( 質量 )( 加速度 ) F ma
1 lbm 0.45359 kg 1 ft = 0.3048 m
1N (Newton)= 1 kg m/s2 1 lbf = 32.174 lbm ft/s2
W mg (N)
g = 9.807 m/s2; 9.807 N =1 kgf g = 32.174 ft/s2; 32.174 lbm ft/s2 = 1 lbf
▪ 因次 (dimension)：物理量為特定因次之組合 ▪ 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)因次 ▪ 基本 (fundamental) 因次，而如速度、能量 E
及容積 V 等，係以基本因次表示，則稱為次級 (secondary)或引生(derived)因次
外界 系統
邊界
系統
▪ 選定固定質量或固定空間為對象，系統可分為密閉(closed) 或開放(open)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。
▪ 密度(density)： m (kg / m3)
V
▪ 比容(specific volume )： v V 1 (m3/kg)
m
▪ 比重(specific gravity)或相對密度(relative density)：物 質的密度與某標準物質在指定溫度的密度比值，即
s
H2O
七個基本因次及其 SI 單位
因次 長度 質量 時間 溫度 電流 照明強度 化學物質的量
單位
單位英文名
米 (m)
mewenku.baidu.comer
仟克 (kg)
kilogram
秒 (s)
second
凱爾敏 (K) 不是K !
kelvin
安培 (A)
ampere
燭光 (cd)
candela
莫耳 (mol)
mole
公制單位 = metric SI (法文 Système International d’ Unités)
4C
H2O 1000 kg / m3
▪ 比重量(specific weight)：物體單位容積的重量
w g
▪ 外延性質 (extensive property)： 例如 m, V, E, U, H, …
▪ 內函性質 (intensive property)：
例如T, P, , v, e, u, h, …
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 熱力平衡：T -mechanical equilibrium 機械平衡：P -phase equilibrium 相平衡：m -chemical equilibrium 化學平衡：化學成份
▪ 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。
圖 1-29 穩流過程—流體性質不隨時間改變
▪ 連續運轉的設施, 如渦輪機、泵、鍋爐、冷凝器、動力廠及 冷凍空調系統的熱交換器，均可極接近地視為穩流情況。
圖 1-30 穩流過程中, 控容的質量 (mcV) 與總能量 (EcV) 維持固定
1-7 能量之形式
能量以多種形式存在，如熱能、機械能、電磁能、光能、化學能、 以及核能。 將系統中物質所包含的各種能量總和 E 除以物質總質量m, 可得總 能的比性質:
圖 1-25 狀態 1 與 2 間的 過程及過程路徑
圖 1-26 似平衡與非似平 衡過程
▪ 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； 等容過程 (isochoric或isometric process) 為過程中比容維持固定。
Work: 1 J (joule)= 1 N m
Energy:
1 kJ = 103 J; 1 cal = 1 cm3 的水在 14.5C 升溫1C 所需的熱
= 4.1868 J 1 Btu = 1 lbm 的水在 68F 升溫1F 所需的熱
= 1.0551 kJ = 252 cal
圖 1-7 力之單位的定義
▪ 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 熱力學的應用領域
1-2 因次與單位
▪ 控容的邊界稱為控面(control surface)，可為真實的(real) 或假想的(imaginary)。
圖 1-16 質量與能量均可流經
控容 (control volume) 的邊界
圖 1-17 控容可包含固定、移動、真實，與假想 的邊界。
1-4 系統的性質
▪ 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。
SI單位的標準字首 (prefixes)
倍數
1012 109 106 103 102 101 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18
字首
tera, T giga, G mega, M kilo, k hecto, h deka, d centi, c milli, m micro, nano, n pico, p femto, f atto, a
▪ 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。
圖 1-28 壓縮過程的 P-V 圖
穩流過程
▪ 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。
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
熱力學基本概念
Basic Concepts of Thermodynamics
CHAPTER
1
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。
一系統在兩個不同的狀態
密閉系統達到熱平衡
簡單可壓縮系統
狀態原則(state postulate): 簡單可壓縮系統的狀態，由兩個獨立的內函性質 (intensive property)或比性質(specific property)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)。 將一性質固定，另一性質仍可在某範圍內任意改 變，則該兩個性質彼此獨立 (independent)。 例如: T 與 v 為獨立性質
氮的狀態被兩個獨立的內函性質所訂定
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 (quasi-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 所有性質在每一刻均接近平衡狀態。
巨觀形式的能量為整個系統所具有的動能與位能，位能的來源可為 重力、磁場、電場、及表面張力等外部效應。
除了內能以外，大部份的熱力學系統只需考慮動能及重力位能，磁 場、電場、及表面張力的影響可忽略不計。因此：
E U K.E. P.E.U m2 mgz (kJ) 2
大部分密閉系統在過程中可視為沒有動能及位能的改變 (亦即質心 速度與高度不變)，此類系統稱為固定系統 (stationary system)，其總 能量的改變 E 與內能的改變 U 相同。
m (kg / m3)
V
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)。
▪ 若能量亦不容許流經邊界，則該系統稱為隔絕系統 (isolated system)。
圖 1-14 物質不能流經密閉系統
(closed system ) 的邊界, 但能量可以.
▪ 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。
(例題1-1, 1-2)
Ex 1.1 因次 以下方程式計算錯誤之可能原因 E = 25 kJ + 7 kJ/kg
<Sol> 最後一項因次不正確, 可能忘記乘以質量
Ex 1.2 單位
油密度 850 kg/m3, 體積2 m3, 質量為何?
<Sol> 質量的單位為 kg, 密度的單位為 kg/m3, 而體積單位為m3, 可推得: 質量 = 密度 體積 = 850 kg/m3 2 m3 = 1700 kg
e E (kJ/kg) m
熱力學無法決定總能量 E 的絶對值，但是可以指定適當基準令總能 為零 (E = 0)，討論總能量的變化 (即相對值)。
構成系統的總能量可區分為巨觀(macroscopic)與微觀(microscopic) 兩種能量。
微觀形式的能量總和稱為系統的內能(internal energy)，以U表示。
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
1J 1Nm
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68F升溫1F所需的能量。公制系統則 定義將 1 g 的水自14.5F 升溫1C所需的能量為 1 卡 (calorie, cal)，而 1 cal =4.1868 J 。kJ與Btu的大小幾乎相 同 1 Btu = 1.055 kJ。
力 ( 質量 )( 加速度 ) F ma
1 lbm 0.45359 kg 1 ft = 0.3048 m
1N (Newton)= 1 kg m/s2 1 lbf = 32.174 lbm ft/s2
W mg (N)
g = 9.807 m/s2; 9.807 N =1 kgf g = 32.174 ft/s2; 32.174 lbm ft/s2 = 1 lbf
▪ 因次 (dimension)：物理量為特定因次之組合 ▪ 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)因次 ▪ 基本 (fundamental) 因次，而如速度、能量 E
及容積 V 等，係以基本因次表示，則稱為次級 (secondary)或引生(derived)因次
外界 系統
邊界
系統
▪ 選定固定質量或固定空間為對象，系統可分為密閉(closed) 或開放(open)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。
▪ 密度(density)： m (kg / m3)
V
▪ 比容(specific volume )： v V 1 (m3/kg)
m
▪ 比重(specific gravity)或相對密度(relative density)：物 質的密度與某標準物質在指定溫度的密度比值，即
s
H2O
七個基本因次及其 SI 單位
因次 長度 質量 時間 溫度 電流 照明強度 化學物質的量
單位
單位英文名
米 (m)
mewenku.baidu.comer
仟克 (kg)
kilogram
秒 (s)
second
凱爾敏 (K) 不是K !
kelvin
安培 (A)
ampere
燭光 (cd)
candela
莫耳 (mol)
mole
公制單位 = metric SI (法文 Système International d’ Unités)
4C
H2O 1000 kg / m3
▪ 比重量(specific weight)：物體單位容積的重量
w g
▪ 外延性質 (extensive property)： 例如 m, V, E, U, H, …
▪ 內函性質 (intensive property)：
例如T, P, , v, e, u, h, …
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 熱力平衡：T -mechanical equilibrium 機械平衡：P -phase equilibrium 相平衡：m -chemical equilibrium 化學平衡：化學成份
▪ 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。
圖 1-29 穩流過程—流體性質不隨時間改變
▪ 連續運轉的設施, 如渦輪機、泵、鍋爐、冷凝器、動力廠及 冷凍空調系統的熱交換器，均可極接近地視為穩流情況。
圖 1-30 穩流過程中, 控容的質量 (mcV) 與總能量 (EcV) 維持固定
1-7 能量之形式
能量以多種形式存在，如熱能、機械能、電磁能、光能、化學能、 以及核能。 將系統中物質所包含的各種能量總和 E 除以物質總質量m, 可得總 能的比性質:
圖 1-25 狀態 1 與 2 間的 過程及過程路徑
圖 1-26 似平衡與非似平 衡過程
▪ 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； 等容過程 (isochoric或isometric process) 為過程中比容維持固定。
Work: 1 J (joule)= 1 N m
Energy:
1 kJ = 103 J; 1 cal = 1 cm3 的水在 14.5C 升溫1C 所需的熱
= 4.1868 J 1 Btu = 1 lbm 的水在 68F 升溫1F 所需的熱
= 1.0551 kJ = 252 cal
圖 1-7 力之單位的定義
▪ 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 熱力學的應用領域
1-2 因次與單位
▪ 控容的邊界稱為控面(control surface)，可為真實的(real) 或假想的(imaginary)。
圖 1-16 質量與能量均可流經
控容 (control volume) 的邊界
圖 1-17 控容可包含固定、移動、真實，與假想 的邊界。
1-4 系統的性質
▪ 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。
SI單位的標準字首 (prefixes)
倍數
1012 109 106 103 102 101 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18
字首
tera, T giga, G mega, M kilo, k hecto, h deka, d centi, c milli, m micro, nano, n pico, p femto, f atto, a
▪ 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。
圖 1-28 壓縮過程的 P-V 圖
穩流過程
▪ 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。
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
熱力學基本概念
Basic Concepts of Thermodynamics
CHAPTER
1
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。
一系統在兩個不同的狀態
密閉系統達到熱平衡
簡單可壓縮系統
狀態原則(state postulate): 簡單可壓縮系統的狀態，由兩個獨立的內函性質 (intensive property)或比性質(specific property)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)。 將一性質固定，另一性質仍可在某範圍內任意改 變，則該兩個性質彼此獨立 (independent)。 例如: T 與 v 為獨立性質
氮的狀態被兩個獨立的內函性質所訂定
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 (quasi-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 所有性質在每一刻均接近平衡狀態。
巨觀形式的能量為整個系統所具有的動能與位能，位能的來源可為 重力、磁場、電場、及表面張力等外部效應。
除了內能以外，大部份的熱力學系統只需考慮動能及重力位能，磁 場、電場、及表面張力的影響可忽略不計。因此：
E U K.E. P.E.U m2 mgz (kJ) 2
大部分密閉系統在過程中可視為沒有動能及位能的改變 (亦即質心 速度與高度不變)，此類系統稱為固定系統 (stationary system)，其總 能量的改變 E 與內能的改變 U 相同。