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1、1熱力學熱力學熱力學(thermodynamics)(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（熱（heatheat） ，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，
2、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
3、於 100。 在西元 1840 年，焦耳（焦耳（JouleJoule）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（克耳文（KelvinKelvin）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（威廉冉肯
4、（RankineRankine）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 （ManualManual ofof SteamSteam EngineEngine andand otherother PrimePrime MoversMovers） ，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 SISI 系統。在 SISI 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2單位定義於表 1.2 中。 表 1.2 四種基
5、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M s K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，速度時間長度其單位為 （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） 質量長度3kg3m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
6、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 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 m 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3單位為 （J）/（s）J/s 通常用瓦表示功率單位，並以 W W 作為其符號 W 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
7、 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 Wt75.3678105 .36787時間作功量功率單位字首表 1.3 列出一般 SISI 系統所使用的乘數因子。 表 1.3 SISI 系統中常用的乘數乘數字首符號109 106 103 10-2 10-3 10-6giga mega kilo centi milli microG M k c m 可將能量表成（kJkJ） ，譬如 36,787.5J36.8kJ。功率則可以 MWMW 或 KwKw 來表示。流率的單位以升計算，並用符號 來表示，其中
8、 10-3m31 壓力壓力壓力（pressurepressure）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 PaPa 表示， Pa（壓力單位）N/m2 （PaPa）非常小，因此很難用來描述流體壓力。在實際上往往使用 kPakPa 及 MPaMPa。此外也可使用巴巴（barbar）來定義壓力單位41 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
9、 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
10、，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
11、.68 kPa）0011. 03 . 081. 9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5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
12、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 SISI 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 1K1K 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 l
13、ow）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 SISI 系統，通常會以符號 kmolkmol 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 kmolkmol 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C H2 N2 O212 2 28 32 例題 1.3一 kmolkmol 的空氣可考慮為包含 79體積的氮及 2
14、1體積的氧，試求 其包含的空氣質量 Sol： 1 kmolkmol 的空氣0.79kmolkmol 的氮0.21kmolkmol 的氧 m（nM）N2（nM）O2 0.79280.213222.126.7228.84Ans6例題 1.4求出 2kmolkmol 甲烷氣體的質量，甲烷的化學組成為 CH4 Sol： CH4的分子量12+2（2）16mnM21632Ans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，假設水銀比容為 7.3510-5m3/，取 g9.81 m/s2 。 2.在一管中的空氣壓力，可以使用水柱壓力計測得。若在壓力計中 的水柱高度為 400，且此時氣壓計讀數為 750汞柱。試求空 氣絕對壓力。水的比容為 0.001m3/，水銀比容為 7.3510-5m3/，g9.81 m/s2 。3.一氣體混合物中包含 1 kmolkmol 的二氧化碳及 4 kmolkmol 的氮，試求 1 kmolkmol 的氣體混合物質量。
