Chap1热力学基础1

Chap1：熱力學基礎 1

§1-1基本觀念與熱力性質

1.熱力名詞: 系統, 性質, 狀態, 過程, 循環, 熱力平衡

2.熱力系統（system ）： 控制質量(control mass C.M )，或稱密閉系統(closed system):無質量

進出

控制容積(control volume C.V)，或稱開放系統(open system):有質量進出

open system 可分為:

(1)Steady state steady flow process 穩態過程（S.S.S.F ）

應用於:壓縮機、泵、渦輪機、熱交換器（冷凝器、蒸汽發生器）噴

嘴、節流閥等設備的分析

(2)Uniform steady Uniform flow process 暫態過程（U.S.U.F ）

應用於:氣瓶的充填的分析 S.S.S.F system ── C.V(系統)需滿足下列條件： （1）C.V 內之任一點性質不隨時間改變

（2）流進（出）C.S 之質量流率與性質不隨時間改變 （3）進入C.S 之質量流率＝離開C.S 之質量流率 i e m m ⇒=

（4）系統與外界之能量傳遞率維持恆定速率 U.S.U.F system------- C.V(系統)需滿足下列條件：

( 1 ) C.V 內之質量與性質隨時間改變,但在任何時間內C.V .之狀態為均勻 ( 2 ) 流經C.S.之質量流率隨時間改變,但性質不隨時間改變

3.物質之熱力性質

內涵性質：壓力（P ）、溫度（T ） 外延性質：容積（V ）、儲能（E ）、內能（U ）、焓（H ）、熵（S ） 比性質＝

系統質量

外延性質

以小寫字母表示

V v m =(比容) , E m ＝e ＝u +2

2V + gz(比儲能)

U m ＝ u(比內能)，H m ＝ h(比焓) , S

m

＝ s(比熵)

觀念：物質之性質隨其存在之狀態而變

*簡單可壓縮系統之狀態法則：

一物質（系統）之狀態可由兩個獨立性質來描述。即z＝f（x，y）

如u=f(P,T）

P,T獨立與否跟物質相態有關

P,T獨立

P.T相依

狀態確定,則物質的其他性質皆可求出

工作介質：純質熱力性質可查熱力性質表

理想氣體熱力性質可由熱力性質表或公式求出

(A) 純質的性質

名詞介紹

1.飽和狀態:純質相變化時的狀態

2.飽和性質

Ex: 水在1atm下T sat = 100℃

水在100℃下P sat = 1atm

3.飽和液:

4.飽和汽:純質相變化時的汽相

飽和液性質以下標f表示: v f u f h f

飽和汽性質以下標g表示: v g u g h g

飽和汽與飽和液性質的差以下標fg表示: v fg = v g – v f , u fg = u g– u f 純物質相變化的T-v相圖（液汽）水之T-v圖

水之T-v圖

純物質之熱力性質 熱力性質表

（1）飽和性質表

只需知道物質之溫度（或壓力）即可查得飽和性質

．溫度表

．壓力表 表B1.2

（2）壓縮液體表 需知兩個獨立性質（通常為P,T ）即可查出壓縮液體之性質 表B1.3 （3）過熱汽體表 需知兩個獨立性質（通常為P,T ）即可查出過熱汽體之性質 表B1.4 *( 4 )因在濕區P,T 為相依，故無法確定其狀態需引出另一個與P 或T 獨立之性質，此性質稱為乾度。 乾度≡

汽相之質量

液相汽相質量

+ x ＝

x ＝都是汽體，所以是過熱汽體。 即x ≡

v

l v

m m m + x ＝0.5 兩相共存區的中間。

利用性質與乾度之關係式 v ＝v f +xv fg

u ＝u f + xu fg h ＝h f + xh fg

s ＝s f + xs fg

ex:水在下列情況試決定其相態並求其焓值

3Mpa,500℃ T ＝100℃,x ＝0.3

●5Mpa,40℃ ❍50Kpa,70℃

(B)理想氣體（ideal gas ）

其性質可由氣體熱力表或公式來計算。 何謂理想氣體

真實氣體存在狀態為低壓（P ＜＜P c ）,高溫（T ＞＞T c ）下可視為ideal gas 。 P c ：臨界壓力，Tc ：臨界溫度。 物質之臨界性質如表A.2

濕氣體之性質需知（x,P ）or （x,T ）即可求其性質 ＜sol ＞ 過熱汽體，3456.48kg

kj

濕汽體，h ＝hf + xh fg ＝419.02 + 0.3 × 2257.03＝1096.13kg

kj

●壓縮液，h ＝171.95kg kj

❍壓縮液，h ＝292.96kg

kj

查壓縮表無資料可查 ∴以相同溫度飽和液之焓值近似。

ideal gas 氣體狀態方程式

＝RT PV ＝mRT PV=n R T P ＝ρRT

量化研究ideal gas 之近似方法 P.543 可由壓縮性因子 Z ＝

RT

PV

當Z

1

可視為ideal gas Z 可由通用之壓縮性圖查（附圖D-1）

P r ＝

c P P （簡化壓力） T r ＝c

T

T （簡化溫度）

ideal gas 內能與焓

純質u ＝f （P,T ）

u ＝f （T ） 焦耳定理:理想氣體之內能僅與溫度有關。 定容比熱 C v ＝(

)v c u

T

=∂∂ 是 ideal gas ∴C v ＝du

dT

⇒ du ＝C v dT ⇒ ⎰

2

1

du ＝21

T v T C dT ⎰⇒ u ∆=2

1

21T v T u u C dT -=⎰

ideal gas 之h ＝g （T ） 定壓比熱⇒C p ＝(

)p c h

T

=∂∂ ⇒C p ＝dh

dT

⇒dh ＝c p dT ⇒⎰21dh ＝21T v T C dT ⎰⇒

h ∆=h 2－h 1＝21T p T C dT ⎰

求u h ∆∆、有三種分析模式 C p 、C v 為T 之函數

找出C p ，C v 與T 之間關係 例如:C p ＝C 0＋C 1θ＋C 22θ＋C 33θ

其中θ＝1000

T

利用附表A6查出3210,,,C C C C 代入12h h -＝21T p T C dT ⎰積分求得

將C p ，C v 視為常數（通常以3000K 之值為此常數值）

其中P ：壓力（kpa ）, v ：比容（3

m kg

）

R ：

M

R

R ：氣體通用常數＝8.1314o kJ kmole k -

R ：氣體常數o

kJ kg k

- M ：氣體分子量（kmole kg ） T ：溫度(o K )