熱力學 Chapter 1 簡介

本章大綱 ‧定義熱力學 ‧熱力學發展的前瞻性 ‧簡介 SI 單位系統 ‧簡介 SI 系統中基本因次 ‧簡介力、能量及功率等導出單位 ‧定義壓力並解釋錶壓力及絕對壓力的差異 ‧定義攝氏及絕對溫標 ‧簡介千莫耳為氣體的莫耳質量

熱能 熱機 功 何謂熱力學？ 熱力學是一門與熱能轉變成機械功有關的工程科學 1.1 熱力學 何謂熱力學？ 熱力學是一門與熱能轉變成機械功有關的工程科學 熱能(簡稱熱 (heat))，主要經由燃料的燃燒或核子反應爐，而釋放出熱能來。 功(work)則可能以旋轉軸所形成的動力，或飛機引擎所產生的推進力型式出現。 熱能 熱機 功

熱力學是一門先經由觀察和實驗，以得到若干結果後，再創造理論以便去配合這些已知的結果的科學。 1.2 熱力學的發展 熱力學是一門先經由觀察和實驗，以得到若干結果後，再創造理論以便去配合這些已知的結果的科學。 阿基米德 (Archimedes，西元前287年—前212年 ) 在洗澡時發現，當一物體置放於液體內時，所移出液體的體積剛好等於物體的體積。 4

在 1824 年，卡諾 (Carnot，1796-1832 )從熱的觀念提出只要是引擎必有熱的損耗。 1.2 熱力學的發展 在 1824 年，卡諾 (Carnot，1796-1832 )從熱的觀念提出只要是引擎必有熱的損耗。 明確地陳述所謂的熱力學第二定律的觀念。 5

1840年，焦耳 (Joule) ：熱並不是流體，而是一種能量型式，因此熱也能轉換成其它型式的能量。 1.2 熱力學的發展 1840年，焦耳 (Joule) ：熱並不是流體，而是一種能量型式，因此熱也能轉換成其它型式的能量。 這項結果導致熱力學第一定律 ( 能量守恆 ) 能夠被發現。

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。 1.2 熱力學的發展 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。 克耳文也是第一個定義熱力學這門科學的人

1859年，威廉冉肯 (Rankine) 出版”蒸汽機和其他主要動力機手冊” 。 1.2 熱力學的發展 1859年，威廉冉肯 (Rankine) 出版”蒸汽機和其他主要動力機手冊” 。 第一本工程熱力學相關教科書 8

1.2 熱力學的發展 熱力學發展的重要階段 9

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。 1.3 單位系統 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。

1.3.1 導出單位 導出單位 所有熱力性質或變數均可由基本單位推導出 例如：速度定義為一段時間內所移動的距離 11

1.3.1 導出單位 例如：容積定義為一定量物體所占滿的空間 例如：比容定義為單位質量所占的容積 12

1.3.1 導出單位 例如：力的單位可由牛頓第二運動定律推導 13

1.3.1 導出單位 例如：重量定義為作用在物體上的地心引力 能量的單位與功相同，而功乃定義為 14

功率是作功的速率，即在一段時間內所作的功 1.3.1 導出單位 功率是作功的速率，即在一段時間內所作的功 15

求出在 10 秒內將質量 75 kg 的人舉升 50 公尺所需 的功率，假設 g = 9.81 m/s2。 1.3.1 導出單位 求出在 10 秒內將質量 75 kg 的人舉升 50 公尺所需 的功率，假設 g = 9.81 m/s2。 [解] 人重量 = 75×9.81=735.75 N 作用在人上的功 = 重量×距離 = 735.75×50=36787.5 J 功率 = 作功量 / 時間　　 = 36787.5/10=3678.75 W　　

1.3.2 單位字首

1.3.2 單位字首 1ℓ= 10 3 m3 = 1 公升 = 1000 cm3 = 1000 cc 18

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，相當於固體 中的應力。 1.4 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，相當於固體 中的應力。 壓力的單位定義為 19

但是 1 Pa 是非常小的壓力，因此很難用來描述流體 的壓力。所以往往使用 kPa 及 MPa 單位。 1.4 壓力 但是 1 Pa 是非常小的壓力，因此很難用來描述流體 的壓力。所以往往使用 kPa 及 MPa 單位。 小寫 小寫 大寫 大寫 接近 1 Bar

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。 1.4 壓力 絕對壓力與錶壓力 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。 然而，多數壓力計所讀出的並非絕對壓力，而是 絕對壓力與大氣壓力的差值，此差值稱作錶壓力。

符號： Pabs= 絕對壓力 ，Patm= 大氣壓力 Pgauge= 錶壓力(相對壓力) Pabs= Pgauge+Patm 1.4 壓力 22

1.4 壓力 錶壓 為負的情況 = 負錶壓 23

1.4 壓力 真空 水銀 v =壓力計內液體之比容 z =壓力計內液體之高度差 24

1.4 壓力 密度 25

1.4 壓力 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/ kg，柱面高 300 mm，若局部大氣 壓力為 101 kPa，試求氣體的絕對壓力，取 g = 9.81 m /s2。 [解] 液面高 = 300 mm = 0.3 m

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。 熱會由溫度高處往溫度低處傳遞，當A物體的溫 1.5 溫度 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。 熱會由溫度高處往溫度低處傳遞，當A物體的溫 　度提升到與B物體相同時，二者就達到熱平衡 。 熱力學第零定律： 　“ 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 ”

以標準大氣壓力下水的凝固點及沸點定義為0℃ 及 100℃，液態氮的沸點為 -183℃。 1.5 溫度 以標準大氣壓力下水的凝固點及沸點定義為0℃ 及 100℃，液態氮的沸點為 -183℃。 ℃(攝氏)與F(華式)換算： 絕對溫度 K： 28

分子單位 1811年，亞佛加德羅：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 1.6 分子單位 分子單位 1811年，亞佛加德羅：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 (Avogadro's law) 。 Equal volumes of ideal or perfect gases, at the same temperature and pressure, contain the same number of particles, or molecules.

在 SI 系統，通常會以符號 kmo1(千莫耳) 來表示 分子數，而氣體的實際質量可由下式求得 1.6 分子單位 在 SI 系統，通常會以符號 kmo1(千莫耳) 來表示 分子數，而氣體的實際質量可由下式求得 m 代表氣體的質量，單位是 kg n 代表 kmol 的數目 M 代表氣體的分子量 每 mol 12g (每 kmol 12kg) 30

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。 1.6 分子單位 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。 [解] 1 kmol 空氣 = 0.79 kmol 氮+ 0.21 kmol 氧

本章結束 求 2 kmol 甲烷氣體的質量。甲烷的化學組成為CH4。 [解] CH4的分子量 = 12 + 2(2) = 16 1.6 分子單位 求 2 kmol 甲烷氣體的質量。甲烷的化學組成為CH4。 [解] CH4的分子量 = 12 + 2(2) = 16 本章結束 32

習 題 3, 4, 5, 6 33