暖通专业常用的法定计量单位及换算

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1、户一一一一/、尸、曰、法定计t单位 制介绍认护产、声门.犷一,一.夕一,r一、尸、暖通专业常用的法定计量单位及换算郑启华我国法定计量单位,是以国际单位制(51 )为基础,结合国情 制定的。8 1是现代科学计量单位的全面概括,逻辑严紧,体系完整,基本单位及导出单位在各学科内适应范围广。8 1把科研、生产及各行各业的度量衡在全世界统一了。近年我国推广米制.改革市制、限制英制等方面成绩显著,为采用51打下 了良好基础,现在凡属8 1单位,均为我国法定单位。51包括5 1单位、5 1词头和5 1单位的十进倍数与分数单位三部分。其用 法详见中华人民共和国法定计 量单 位使用方法,此处无需缀述。5 1的基

2、本单位比旧制多,有七个(旧制一般只有三个),再加上5 1的两个辅助单位,简言之,是, .匕基二辅”,均已纳入我 国法定单位(详见表1、表2)。这“七基二辅”,表面看,基 本单位增多了,实际上 各专业使用的计量单位却减少了,免除了多种 单位制并用、借用,相互 矛盾,省去大量烦 琐换算,顺应了现代科技的简捷化要求。就暖通专业来51的基本单 位表1说,安培用得不多,坎德拉儿乎不用。又如,研究热力学时要用摩尔,一般则不用;研究热辐射及太阳能时,要用弧度及球面度,通常也不用。可见采用81,能提高功效,得益甚多。同样,8工中有专门名称的导出单位约2 0 余个,而 暖通专业常遇的只有表3中的6个。此外,我国

3、选定的非8 1的法定单位中,暖通专业常用的如表4所列。51中具有专门名称的导出单位表3量的 名称 单位名称单位符 号其式白表示例Za,H N PJ认频率力;重力压力,压强;应力能量;功;热量功 率;单 位时间传热量摄氏温度赫兹 了牛仁 顿帕 斯长j焦仁耳瓦L特摄氏度名一 lkgm/52N/m”N.mJ/s我国法定单位中增用的非5 1单 位表4量的名称单位名称单位符号换算关系量的名称单位名称单位符号长度质量时间电流热力学温度物质的量发光强度米千克(公斤)秒安培开尔 文摩尔坎仁德拉间 小J时mkgSAKm0ICd天仁H习11 1 Inl1dInl lf l=605lh一6OInin一360 05l

4、d二21h 二8 6 4 0 05旋转速 度 转敏分rIrlI n量 l l . h积升lr厂m正 n只(l厂60)s一 l1七二 okgIL 二ldm二10一3m3、矛产.、L差分贝d B51的辅助单位表2量的名 称单位名称单位符 号平 面角立 体角弧度球面度rad下表所示为51白勺词头。关于词头的应用,要注意以下两点:1.h、da、d、c这四个词头符号,只适用于表示长度(包括面 积、体积)的几何尺寸。2,要注意词头符号的大小写,不得写错。例如:把千克(kg)错写成Kg,把千米2了用于构成十进倍数和分数 单位的词头表5所表示的因素词头名称词头符号E T G pMkhd adom召npfa10

5、18101101210,10610310210!10一 11 0一21 0一31 0一 1 0一 g1 0一1210一151 0一 18艾 可萨拍仁它太拉吉 咖乡匕千百十分厘毫微纳诺皮可飞母托阿 托一k m)错写成Km;把毫来(m m)错写成MM,等等,都是常见的错误。实践证明,要推广 国际制,执行我国法定制,必须解决两个问题:一是阐 明有关物理概念,使人心中有 数,得以辨明是否有误,用来 得心应手;二是解决换算向题。本文试图以此为课题。以前,白然科学计量单 位为厘米克秒制(Cgs),但其量值因科 技发展而失之过小,又 用米千克秒 制(MKS),简称米制,在工程方面又有以重力为基本单位的工程制

6、即米千克(力)秒制MK(f)S 。鉴于以上三种计量制对工程技术影 响较大,本文 将着重讨论它们与51(现为我国法定制)的关系,且仅限于暖通专业常用范围。至于英制,原 很 少用到,国家又严加限制,故不涉及。关于市制,工程上原也未用,亦不涉及。一、温度温度是宏观物理量,其分度 法为温标。原用摄氏温标t,单位是摄氏度(。C)。51的热力学温标是T,单位为开尔文(简称开,代号K)。由于单位“C与K等值,所以两者的关系式为:t=T一2 73.15(1)近似式为t二T一2 73。例如T=30 0K,可换算得t=27OC。当表示温差时,可用:1oC=IK二、长度长度表示物体的几何尺寸或 空间两点的直线距离。

7、8 1的长 度基本单位是米(m),与习用的米制一致。这样,有了m这个基本单位,再用词头,就可得 出:im=lodm=10em=10,mm“1 06户m,以及io3m=zkm,等 等。又如,有了长度m(米)和 时间s(秒)这两个基 本单位,从运动学中可导出速率(速度 的大小)的单位m/s和加速度单位m/52。三、质量及力质量 及力是任何单位制中至关重要的两个物理量。质量概念是牛顿首先采用的。牛 顿指出,质量是物体惯性大小的量度,并假定 当物体与外界没有质交换时,其质量是不变 的。另一方面,牛顿又从万有弓 力定律中得出引力质量,尔 后又经证明,惯性质量与引力质量具有等同性。爱因斯坦的相对论进而论证

8、出,当物体作远小于光速的机械运动,或在一般的宏观热工过程 中,质量随能量的变化甚 微,可视为不变。可见,5 1取 物体(系统)在宏观上不变物理量即质量的单位 作为基本单位(kg)是正确白 勺。质量与力密切相关,牛顿第二定律定量地表明了二者的关系。该定律表述为:物体受到 外力作用时,其所获 得的加 速度的大小与合外力的大小成正比,并 与物体的质量成反比,加速 度的方向与合外力的方向相同。按此,可确定力F、质量,和加速度a之间的瞬时关 系为:F=ma(2)于是,我国采用8 1,把 力的 单位 作为导出单位,并规定:“加在质量为Ikg的物体上使之产生lm/52加速度的力为IN”,即:1牛顿=1千克米

9、/秒2或IN=Ikgm/s(3)这就是1牛顿力(简称“牛”)的定义。式(3)右侧表明,这个定义显然 是在mks制基础上得出的。同理,cgs制中,质量单位为克(g),加 速度单位为厘米/秒空(cm /s“),导出力的单位为达因,即:1达因=1克厘米/秒2或ldyn=19cm/。把牛顿换算成达因:Ikg一m/s“=1039.102em/s,二1059一em/52,24即:IN=105dyn(4)或1牛顿二1 05达 因所以,8 1及cgs制 均先规定质量单位为基本单位,再导出力的单位。但工程制 则相反,是先定力的单位为基本单位千克力(公 斤力,代号为kgf)。1千克力相 当于在纬度45“的海 平面

10、上千克原器 所 受 的重力,后又经国际 度量衡委员会规定:ikgf=9.806 6 5N9.s07N 二9.5 1牛顿于是,有了重力单位,再来规定质量单位。工程制中质量单位就是这样 规定:一物 体在1千克力作用下,得到1米/秒的加 速度,这物体的质量即为1质量工程单位,即:l千克力( kgf )二1质量工程单位Xl米/秒2(5)按此,又可得出各质量的换算式为:1质量工程 单位二9.s07kg=9.507只1039质量单位的换算表6法定制CgS工程制国际制(51 )千克(kg)克(g)质量工程单位01021 0一30 2x1 0一49.8 0 79.807沐103力的单位换算表7法定,。cgs分

11、全场工程制国际制(51 )牛顿(N)达因、d二);。:9.8)工 。:千克力(kgf )0.1 0 20 2汉1 0一6显然,工程制属于重力单位制。重力又称为重量,本质上是万有引 力。地球上,重 力是地心对物体的引力。而质量不 变的物体,在地球上 各点所受的重力并不相同,该物体的重量将因高度、纬度和地质情况的不同而异。质量 没变的人造卫星,在地上有重量,在宇宙空间运行时,则“失重”。可见重力单位制不能满足现代科技要求。还应指出,工程制 中的“质量 工程单位”,一是没有专 门的代称,二是它的量值随重 力而 变,不是定常数,不便比较,不利使用。问题还在于,如按 牛顿第二定律将式(5)改写为:1千克

12、力二1千克质量)x9.8 07米/秒2(并令g=9.80 7m/s:为地球表面各点的平均重力加速度),显 然,这里1千克力(工程制力的单位)与1千克(MK S制的质量单位)在数值上 完全相同。此表达式在逻辑上虽属不严(因这里 的g是平均值,而不是一时一地的实测值,而且混淆了两种单位制的 本质差别),但以往在 工程界 却习以为常,认为质量 为Ikg的原器就是1公 斤的重量(重力)。人们知 道,用天 平在地球上 各点测一物体的质量,都是相等的,而用弹簧秤所 测得的重量却是不同的。而人们又往往忽略两者本质上的差异,这就引起质量和重量概念上的混乱。初学者常因取值概念不明,使换算出现差错。实践中,随测量

13、精度提 高,问题日益严重。为将二者区分,多数 国家只用kg专表质量,再用kgf表示重量,德国人则索性以Kp(Kilopo nd)取代kgf。今后,按 我国法定,除“人民生活和贸易中,质量可按习惯称为重量”外,将使与“公斤力( kgf)”有关 的一系列导出单位,随 同工程制一概废除。四、与质量和力有关的导出单位1.密度及重度密度是物体的质量与其体积的比值。8 1沿用MK S制的密度单位kg/ m”,工程界在多数文献 中也曾借用这个单位,而 放弃用质量工程单位来表示此 分式中的分 子,cgs制中密度单位为g/cm3(g/e.e)。例如,纯水的密度在4oC(277K)时为p,二1 00 0kg/m3

14、=19/ cm。标准状况 下干空气的平均密度为户。=z.29skg/m=1.2 93Xl o一39/em3o重量是物体 的重量 和其体积的比值,又称为比重或容重。其 中,以比重的概念及单位最为混乱。借用cgs制时,比重单位混 同于密度单位,强取g/cm”,这样,g实际上是以质量单位(克)代替了重量单位。同样,工程制中,比重单位原曾借用kg/m“,且因与密度混同,后又改 为kgf /m3,但其数值又与密度的雷同。实际上只要得知密度,就确知单位体积中物质的 多少,而t L匕重、重度、容重”等概念则属多余,按我国 法定,在工程技术上应废弃不用。2.压强(压 力)压强系作用在物体表面单位面积上的垂 直

15、压力,但我国约定俗成,也称 其为压力。a.帕斯卡Pa)51.的压强单位为帕斯卡(简称帕,代号Pa ),定义式为:1帕=1牛顿/米.即IPa二iN/mZ(6)b.毫米水柱(m mH:O)毫米水柱是工程制中用以侧量微压的单位。设在1平方米的水平面上承受1毫米高水液 的重力,则此重力为1千 克力,即得:immH:O=zkgf/m=9.so7N/mZ=9.so7Pa,(7)c.工程大气压(at )工程制中针对较大的压强(如锅炉压力)常用此单位,测量超过环境大 气压的压差时,又用其表示表压石-1工程大气压一1 0m H:O二1 0mmH:O二9.50 7火10Pa,即:lat=9.807x10Pa=98

16、.07k Pa(8)d.毫米汞柱(mm Hg)毫米汞柱又称毛( Tor r),原是科 研、气象、医学 及工程上常用的压强单位。为了简化计算,我国通常的水银密度户二 。一1 3.5 99/cm吕及水 的密度p。一lgZcm,按此可得:1毫 米汞柱二1 3,5 9毫米水柱=1 3.5 9x9.807帕-153.5帕,即:lm mHg=13 3.3Pa(9)e.标准大气压(a七m)通常规定76 0mmHg作为1标 准 大 气 压,它是地球 中纬度地区大气压强的平均值。利用式(9)可得:i标准大气压二760xz3 3.3Pa=1.0 13x105Pa,即latm二1.oz 3xi05Pa(10)f.巴

17、(bar)出于传统习惯,国际上很多人推荐了bar这个单位,且规定:lbar=1 05Pa(11)因lbar在数值上接近latm,所以它在我国也 颇流行。但国际标准化组织(工 50)并未批 淮将其纳入国际制,究其原因,是ba r与a七m毕 竟不同,而且1 05在5 1中又无特定的词 头(见表5)。所以,应以81的千帕(kPa)表示较大的压强。以上各压强单 位,在 暖通专业主要 用于计量流体参数,因此,只要我们能深刻理解重力概念,记住几个有关的物理参数,灵活运用,换算问题即迎刃而解。而且,只有8 1在表示压强时摆脱了重力的束缚,用克服惯性的牛顿 力,取代了重力。这正是国际制的优点之一。3.动力粘度

18、及运动粘度暖 通专业研究对流换热、管道 设备 中流体边界层内的阻力及流速场,以及气流组织相似性理 论时,都要用到动力粘度数据。动力 粘度(粘滞 系数),是指宏观上彼此滑动的两层流体间,若沿滑动面法线方向每米距离内速度 差为lm/日时,每平方米接触面上所具有的摩擦阻力。与此相 应,81的动 粘度单位为牛顿秒/米:(Ns /mZ)或 帕秒(Pa。)。以前的文献中表示动力粘度的单位,用法不一。Cgs制中有专名,称为泊(P ):iP=idyns/emZ=o.INs/mZ(12)压强(压力)单位的换算表8法定制毫米水柱m mH:O工程大气压毫米汞柱(毛)标准大气压巴ba rat帕斯卡Pa公斤力/米“kg

19、f/m“公斤力/厘米“kgf /cmZm mHgl1 059.8 0 79.8 0 7丫10透13331,0 1 3只10弓10一s19.8 0 7x1 0一50.9 8 0 71.33 3x1 0一31.0 1 30.1 0 21.02x1 04l1041 3.5 91.0 33x101.0 2X1 01.0 21 0一通11.3 5 9x10一31。0 3 37.503x10一37 50.37.3 5 8x1 0一223 5.8aLm(7 6 0毛 )9.872x1o一0.9 8729.6 8 2x10一s0.96 821.3 16x1 0一326动力粘度单位的换算表9法定制cgs制MKS

20、制工 程制牛顿秒/米”Ns/mZ帕sPaS泊(P)千克/米小时千克力秒/米“dyn,g/em“kg/mhkgfs/mZ2.7 7 8x1 0名2.7 7 8x1 0一33 60 03 6010。1021.0 2x102,8 3 3只10一59.8 0 798.073.53只104工程制的单位为千克力秒/ 米( kgf,川mZ):Ikgfs/mZ=9.8 07Ns/m,(13)科技界有人用MK S制而导 出单位为 千克/米小时(kg/mh):Ikg/mh -N.SjmZ3 600=2,7 7 5x1 0一Ns/mZ(14)流体力学中动 力粘度常用刀表示,刀与流体密度p的比值又称为运 动粘度。,于

21、是有:(15)刀户一一卜按此,51中运动粘度的单位为米“/秒(mZ/s)。cgs制对运动粘度有 专有名词作单位,称为斯托克斯(简称斯,代一号s七),换算成51单位如下:lst=lemZ/s二10一mZ/s( 6)运动粘度单位的换算表1 0法定制米2/小时Cgs斯米“/ 秒mZ/sm“/h斯(st)em”/s力节与位移亨两矢量的标积:A =节.言。所以,功是标量,设有 方向性。上式表明,计量上有意义的是,功的单位为力的单位与长度单位的乘积。热力学引伸了功的概念,规定气体作的功等于压强与其体积变量的乘积,微分表达式为:d A=Pdt ,式中:P压强:dy气体容积改 变 量。这里不再强调力的方向性,

22、但功的单位仍与机械功相同。S 工中力的单位是牛顿,位移的大小取长 度单位米,所以,功的单位是 牛顿.米,又称焦耳(简称焦,代号为J ),即:1焦耳一1牛顿米或IJ =iNm(17)能是功的来源,物体能作功.因其具有能量。宇宙中物质运动形式变化多端,也就 有各种形式的能(机械能、热能、总能、原子能、化学能、生物能 等)与之相适应。各种能又可 互相转换,并遵循能量守恒 的客观 规律。因此,传热也是物体 间能量交换的形式之一。如说,某 物体具有若干热量,就毫无意义,只 可说,物体间传递了多少热量。既然作功和传热都是物体间能量的交换,那么,功、热量和能量,就应有相同的量纲和单位,都可用焦耳表示,于是就

23、没必要再用卡作热量的单位了。8 1正是这样科学地规定的。著名的焦耳实验证明,作功与传热有共同点,都是系统内能变化的量度,并得出:1卡的热量相当于4.1868焦耳的功,即:1卡二4.186 8焦耳或leal二4.ls 68)(15)与此相应,可把物体(系统)在单位时间内所作的功 或传递的热量,皆用功率单位表 示。81的功 率单位为瓦(代号W),定义式为:36002.7 78只10一弓2.7 7 8功率单位的换算表1110一名0.3 6法定制米制马力千克力米/ 秒kgfm /s千卡/小时瓦W千瓦kwHPkeal/h五、功、能及热量功是物体间发生机械力作用,产生 宏观位移过程中,能 量传递和交换的量

24、度。力学中所谓“功”,不但要有作用力,而且 要有受力物体上的作用点和在力的方向上的位移。数学对功概括为:功A就是11 0373 59.8 071.16 310一31.36x101.3 60.7359.8 0 7x10一31.1 6 3又10一3010 2102751.333x1 01.5 8又10一30.1 190。8 59886 063 2.48。4 3、12 7功、热里及其它能量的单位换算表1 2法定制马力小时千克力米千一卜(大卡)焦耳瓦小时Wh千瓦4小时kwhHPhkgfmkeal13.6又1 033.6X1 062.6 4 7x1 0已9,8 0 74.1 8 6 8x1032.7 7

25、 8x1 0一通11037.3 5x1022.7 2 3x1 0一31.1632.7 78x1 0一710一310.7 352.723x1 0一。1.1 6 3又1 0一33.7 7 7x10一71.3 6x10一31.3 613.70 3又1 0一1.5 8 2x1 0一30.1023.6 72x102367 2火1052.7x10514.2 71x1032.3 8 8火1 0一40.8 68 6 06 3 22.34 1又1 0一311瓦一1焦耳/秒或z甲=IJ/s(19)我国原用 的功率单位有瓦及冠(现为 法 定 单位)、米制 马力、千克力米/秒 等,唯每小时传热量用千卡/小时(大卡/小

26、时)表示。反之,用功率单位乘以时间单位,也可得出功、热量或其它 能量的单位。六、与热量有关的导 出单位1.嫡与热容根据热 力学第二定律可得,一切自发的不可逆过 程,总是沿着物质系统和环境和嫡增加的方向进行。此嫡增加原 理按数学推算,可导出嫡的单位应是热量单位除以温 度单位的商。再者,当我 们考虑整个物体(或系统)在温度变化1度 下吸收 或放 热的能力时,又可引入物体的热容这一概念。这样,热容与嫡应有相同的单位。原用千卡( kca l)作热量单位,用o C 作温度单位;现采用5 1时,只需参照式(,1 8)将 千卡换算成千焦,并以K取代。C,即可得到嫡或热容单位的换算数据。2.烩、熔解 热、汽

27、化热及此能大家所 熟知 的烩、熔 解热、汽化热及物理学常用的比能 都可概括为,物体(或系统)在发生能量变化过程中,对应于单位质量的能量变化量。其单位均为能量单位除以质量单位的商。81中,它们的单位是焦耳/千克( J/kg)或 千焦/千 克( kJ/kg),因此,在热学中只需将热量改用焦耳作单嫡与 热容单 位的换算表 1 3法定制焦耳/ 开J/k千焦厂开kJ/K千卡/Cke al/。C1 0一32.388x1 0一40。2 3 8 8刁.1 8 6 8x1034.186 8焙、熔解热、汽化热及比能单位的换算表14表法定制千卡/千克焦 耳/ 千克J/kg千焦/ 千克kJ/kgkeal/kg10一3

28、2.3 8 8丫10一40.2 3 8 84.1 8 6 8又103刁.1 8 6 8比热容(比热)及比嫡的单位换算表15法定制(亦为51 )千 l、/千克。ckca /kgc法定制焦耳/ 千克开J/(kgK)千焦 /千克开k J( /kgK)千瓦小时/千克。Gkwh/kg。G10一32.3 8 8,102.7 78) 二10一70.2 3 8 82.7 7 8x104.18 6 8欠10峨.1 868163x10一33.6又1 063.6x10位而废弃以卡或千卡(大卡)的原单位,即可得出换算数 据。可见表1 2与表13的换算数据相同,只是单位不相同。3.比热容(比热)及比嫡物体的热容与其质量

29、之比,称为比 热容(比热)。物体(系统)的嫡变与其质量之比,称为比嫡。51中,这两个物理量 的单位均为焦 耳/千 克.开 J/(kgk)了或千 焦/千克开kJ/(kgk)。这里应注 意到,51的导出单位若用代 号 表示时,分 母若由两个或两 个以上 的基本单位的乘积构成,则应将其纳入圆括号中。以下关于热流量、传热面热负荷、导热 系数(热导率)、传热系数和换热系数(放热系数或吸热系数)的概念,在暖通专业中是尽人皆知的,故不缀述,这里仅提供有关的单位及换算数据(见表15、16、17)。综上 所述,对暖通专业来说,用焦耳 表示 热量,用瓦(w)或酥(kw)表示每秒时间 内物体间的热 交换量,是应熟练

30、掌握的新概念。因此,以下两个数据及涉及的物理概念在应用法定单位的换算中,是至关重要的,即:地球表面上平均的重 力加速度:g=9.8 07m/52;焦耳热功当量换算式:kca l=4.186 8kJ。-热流量 及传 热面热负荷单位的换算表16法定制瓦/米“W/mZ千卡/ 米“小时keal/xn“h卡/厘米2秒eal/em“.50.8 602.3 88x10一51.1632.7 78x10一5硕.1868x1043.6又1 0召导热系数(热导率)的单位换算表17法定制瓦I米开W八mk)千卡/ 米小时二Ckeal/mh二C卡/ 厘 米秒二Ce al/ems二C0。8 6 023 8 8x1 0一31

31、.16 32.7 78x10一3减18.6 8传热系数及换 热系数单位的换算、表1 8法定制瓦/ 米“开W/(m“K)千卡/ 米“小时二c J卡/厘来2秒。Ckeal/m“h二eeal/emZs二C0,86 01.1632.388x10一52.778x10一5d.18 68火103.6火10心心必 石冲.创冲创冲万哈四创冲曰抽农,别冲,.自钾石哈四哈, 石今吕公吞g 石今,哈召分今四 冲盛 咯。嘴曲咯.幽!公今目 今, 哈卫 石亏四咯姻啼心乞哈曰币.分食日苗喻田夕今因心四州冲每哈召心 哈日舀啼.Q叼,今 l(上接 第3 4页)来推算将来的值,所以包含 了 不 确定的因素,例如 维护费用是 以某

32、个时 间为中心来考虑的,所 以它会有 一个变 化 的范 围。为此必须研究维护费的变化范围以及它 对年平均费用和总现价有什么样的影响,也就是 说求 出评价方 法 的误 差范围。1)制定出比较方案(基准、替代方案)。2)逐 个地 变化 对于年平 均费用和现价累计值影响 大 的因素,研究变化 的结果及其影响 的程度。变 量选在最 大值和最 小值之间为好。变化的因素如下:l)建设费的变化;2)修理费的变化、3)占有费的变 化;4)共它。图6的纵轴为L CC,横轴为使用年数,各种因素的影响均 包括在方式A、B的 最大值(最坏 条件)和最小值(最优条件)范 围之内。从图中可知,两者的交点为n;和nZ,使用年数少 的。,时,则方式A有利。霍瓢霹跳!A方案有利B方案有f l l一经过年数(原载日本空气调和卫生工学学术论文集 1984年第1 0期2 5 27页,李先瑞译,吴元炜校)