热力学基本概念课件_66页.ppt

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,CHAPTER,1,熱力學基本概念,Basic Concepts of Thermodynamics,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。,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。,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,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,(,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,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/m,3,體積,2 m,3,質量為何,?,質量的單位為,kg,密度的單位為,kg/m,3,而體積單位為,m,3,可推得,:,質量,=,密度,體積,=850 kg/m,3,2 m,3,=1700 kg,七個基本因次及其,SI,單位,因次,單位,單位英文名,長度,米,(,m),meter,質量,仟克,(,kg),kilogram,時間,秒,(,s),second,溫度,凱爾敏,(,K),kelvin,電流,安培,(,A),ampere,照明強度,燭光,(,cd,),candela,化學物質的量,莫耳,(,mol),mole,不是,K!,公制單位,=metric,SI,(,法文,S,yst,me,I,nternational d,Units,),SI,單位的標準字首,(prefixes),倍數,字首,10,12,tera,T,10,9,giga,G,10,6,mega,M,10,3,kilo,k,10,2,hecto,h,10,1,deka,d,10,-2,centi,c,10,-3,mi,lli,m,10,-6,micro,10,-9,nano,n,10,-12,pico,p,10,-15,femto,f,10,-18,atto,a,1,N,(Newton)=1 kg m/,s,2,1,lbf,=32.174,lbm,ft/,s,2,g,=9.807 m/,s,2,;,9.807 N=1,kgf,g,=32.174 ft/,s,2,;,32.174,lbm,ft/,s,2,=1,lbf,Work:,1 J(joule)=1 N m,Energy:,1 kJ=10,3,J;,1 cal=,1 cm,3,的水在,14.5,C,升溫,1C,所需的熱,=4.1868 J,1 Btu=1,lbm,的水在,68,F,升溫,1F,所需的熱,=1.0551 kJ=252 cal,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,68,F,升溫,1,F,所需的能量。公制系統則定義將 1,g,的水自,14.5,F,升溫,1,C,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,。,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,外界,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。,若能量亦不容許流經邊界，則該系統稱為隔絕系統(,isolated system)。,圖 1-1,4,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。,控容,的邊界稱為,控面,(control surface),，可為,真實的,(real),或,假想的,(imaginary),。,圖 1-1,6,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。,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。,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),。,密度,(density),：,比容,(specific volume),：,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,比重量,(specific weight,),：,物體單位容積的重量,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,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。,圖 1-25,狀態 1 與 2 間的過程及過程路徑,圖 1-2,6,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。,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,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,。,穩流過程,圖 1-2,9,穩流過程,流體性質不隨時間改變,圖 1-,30,穩流過程中,控容的質量,(,m,cV,),與總能量,(,E,cV,),維持固定,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,。,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,:,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,),。,1-7,能量之形式,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。,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：,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,。,內能為系統中所有微觀能量之總和。,內能與分子結構及分子的微觀運動有關。,系統內能中由分子動能構成的部分稱為顯能,(sensible energy),。,內 能,分子與分子間的結合力與物質的相,(phase),有關，固體最強、液體次之、氣體最弱。,與相變相關的內能稱為潛能,(latent energy),。,分子內原子結合構成的內能稱為化學能,(chemical energy),。,原子核內質子,、,中子等粒子結合的巨大能量,，,稱為核能,(nuclear energy),。,(,例題,1-3),內 能,Ex 1.3,核能,一汽車每天消耗,5 L,汽油,汽油密度,0.75 kg/L,熱值,44 MJ/kg,若改用,0.1 kg,的鈾,235,利用核分裂釋放能量為,67.3 TJ/kg,可行使多久,?,汽車每天消耗能量,=,質量,熱值,=(5L/,每天,0.75 kg/L),44 MJ/kg,=165 MJ/,每天,0.1 kg,鈾,235,的核能為,=,質量,熱值,=0.1 kg,44 MJ/kg,=6.73 TJ,故可行使天數,=6.73 TJ/(165 MJ/,每天,),=40790,天,不可再生的能源,:,石油、天然氣、煤、核能,。,消耗能量,=,汙染環境,可再生的能源,(renewable energy):,水力、風力、地熱、潮汐、,生質能,、太陽能,。,(,例題,1-4),1-8,能量與環境,Ex 1.4,地熱,利用地熱每年可省,18,百萬,therm,天然氣,已知天然氣爐的,NO,x,與,CO,2,排放分別為,0.0047 kg/,therm,及,6.4 kg/,therm,求使用地熱年減少,NO,x,與,CO,2,排放量,.,1,therm,=1 kcal,NO,x,減少量,=(,0.0047 kg/,therm,),18,百萬,therm,=8.5,10,4,kg/,年,CO,2,減少量,=(,6.4 kg/,therm,),18,百萬,therm,=1.2,10,8,kg/,年,1-9,溫度與熱力學第零定律,溫標,是溫度量測的共同基準，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,(,沸點,),分別被指定為 0,C,與,100,C,；華氏溫標的對應值為 32,F,與,212,F,。,與物質之性質無關的理想溫標，稱為,熱力溫標(,thermodynamic temperature scale),。,SI,中熱力溫標為,凱爾敏標度(,Kelvin scale),，,以,K,表示,(,不是,K,),；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。,理想氣體溫標(,ideal gas temperature scale),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。它與凱爾敏標度為相同的溫標。,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 1-4,6,在絶對零壓力,定容氣體溫度計將讀得,-273.15,C,圖 1-47,溫標之比較,(,例題,1-5),Ex 1.5,溫標,加熱時,溫度上升,10,C,試以,K,F,以,R,表示,.,T,=,1,C=,1 K=1.8,F=1.8 R,T,=,10,C=,10 K=18,F=18 R,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 Pa=1 N/m,2,-1 bar=100,kPa,-1,atm,=101,325 Pa=1.01325 bar,-1,kgf/cm,2,=0.96788,atm,=14.223,psi,-1,atm,=14.696,psi,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 pressure)。,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,(,例題,1-6),Ex 1.6,絶對壓力,在大氣壓力為,100,kPa,處,以真空錶測得某一密閉容器的錶壓力為,40,kPa,求容器內的絶對壓力,.,絶對壓力,=,大氣壓力,錶壓力,=100,kPa,40,kPa,=60,kPa,圖 1-55,不論形狀，流體在水平面上所有點的壓力均相同，只要各點間以相同的流體彼此連接。,圖 1-5,6,應用,巴斯葛原理 以小力舉起大重量,。,巴斯葛原理,(Pascals principle),1-11,液體壓力計,(manometer),許多工程問題與有些液體壓力計，包含彼此上下堆疊的多種不同密度之不混合流體。只要記得下述觀念即可簡易地分析此等系統：,通過高度,h,的流體柱之壓力改變為 ；,在一流體中向下壓力增加，向上降低(即 )；,靜止的連續流體中相同高度的兩點有相同的壓力。,圖 1-57,基本液體壓力計,(,例題,1-7,1-8),Ex 1.7,液體壓力計,在大氣壓力為,96,kPa,處,以液體壓力計測得,h,=55 cm,已知液體比重為,0.85,求容器內的絶對壓力,.,P,=,P,atm,+,g h,=,96,kPa,+(850 kg/m,3,9.81 m/s,2,0.55 m),=100.6,kPa,Ex 1.8,多流體液體壓力計,水,油,水銀密度各為,1000 kg/m,3,850 kg/m,3,13600 kg/m,3,環境壓力為,85.6,kPa,求容器內壓力,P,atm,=,P,+,水,g h,1,+,油,g h,2,水銀,g h,3,P,=,P,atm,+,水銀,g h,3,油,g h,2,水,g h,1,其它壓力量測設施,常用的機械式壓力量測設施為,波登管(,Bourdon tube,)，,係彎成像鉤子的中空金屬管，端部密封並連接至圓盤指針。,應變規(,strain-gage),係以細金屬線或箔製成，在受流體壓力的影響而產生應變時，其電阻會改變。電阻改變的求得是，供應電流至感知器，並量測對應的電壓降之改變，而它是與施加的壓力成正比。,介電物質,(dielectrics),在承受機械壓力時出現的電位，稱為,壓電效應(,piezoelectric effect,)，,此效應是,Pierre,兄弟與,Jacques Curie,在1880年首先發現的，此效應可應用於測量,(,或產生,),快速的振動，例如超音波,。,1-12,氣壓計與大氣壓力,大氣壓力係以,氣壓計,(barometer),量測,，故,大氣壓力,的英文亦,稱為,barometric pressure,。,Torricelli (1608-1647),發現，將裝填水銀的管子倒置於開放於大氣的水銀液體中，可藉水銀在管子內的高度測量大氣壓力,。,=13.57 kg/m3,水銀密度,g=9.81 m/s,2,重力加速度,h,水銀柱高度,圖 1-63,基本氣壓計,(,例題,1-9,1-10),Ex 1.9,大氣壓力,已知,h,=740 mm,水銀密度為,13570 kg/m,3,求大氣壓力,P,atm,=,水銀,g h,P,=?,Ex 1.10,大氣壓力,活塞質量,60 kg,面積,0.04 m,2,環境大氣壓力為,0.97 bar,(a),P,=?,(b),當氣體被加熱而使容積 變為兩倍,壓力如何變化,?,PA,=,P,atm,A,+,m,g,1-8,求體積為,6 m,6 m8 m,密度,1.16kg/m,3,的空氣之質量與重量,.,1-43,人體體溫,37C,等於多少,K?,1-60,證明,1 kgf/cm,2,=14.233,psi,1-66,空氣密度,1.2 kg/m,3,利用氣壓差,780 930 mbar,求高度差,.,1-75,血液密度,1050 kg/m,3,血壓,120 mmHg,求開口管內的血液高度,.,Ch1,習題,