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Chapter 4. 流體特性. 熱力學. 本章大綱. 介紹理想氣體在定容及定壓下的比熱. 定義理想氣體和比熱與比熱之間的關係. 理想氣體經歷下列過程的基本關係式： 等溫過程 絕熱過程. 介紹理想氣體經一絕熱過程的比熱比. 定義理想氣體狀態方程式. 本章大綱 ( 續 ). 解釋發生在兩相過程間的變化. 以兩相流體過程定義下列狀態 飽和狀態 濕蒸汽 臨界點 乾 度. 介紹如何使用查表方式了解蒸汽的特性. 以熱力學的過程介紹流體的種類. 4.1 理想氣體. 波以耳定律 即指在 等溫 條件下， 理想氣體 (ideal gas)
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Chapter 4 流體特性 熱力學
本章大綱 • 介紹理想氣體在定容及定壓下的比熱 • 定義理想氣體和比熱與比熱之間的關係 • 理想氣體經歷下列過程的基本關係式： • 等溫過程 • 絕熱過程 • 介紹理想氣體經一絕熱過程的比熱比 定義理想氣體狀態方程式
本章大綱(續) • 解釋發生在兩相過程間的變化 • 以兩相流體過程定義下列狀態 • 飽和狀態 • 濕蒸汽 • 臨界點 • 乾度 • 介紹如何使用查表方式了解蒸汽的特性 以熱力學的過程介紹流體的種類
4.1 理想氣體 • 波以耳定律即指在等溫條件下，理想氣體(ideal gas) • 的壓力變化與體積的關係。 查理定律即為等壓下，理想氣體的體積變化與溫度 的關係為
4.1 理想氣體 適用於每公斤流體 適用所有氣體
4.1 理想氣體 試求氮的比容，已知 M=28，壓力200kPa，溫度15oC。 [解]
4.1 理想氣體 一個5m4m3m的房間裡，壓力101 kPa，有72公斤的 空氣，試求此房間內空氣的溫度？ 已知空氣 R=0.287 kJ/kg K。 [解]
4.2 氣體的比熱 氣體的比熱 比熱：使每單位質量的物質，溫度上升1度所需 的熱量。 固體與液體可視為不可壓縮，即比容不變，其比熱 為一定值。 氣體經不同過程，其比熱值亦不同。 Cv = 等容過程的比熱 CP = 等壓過程的比熱 理想氣體在任何溫度及壓力下，Cv 與 CP 皆為常數。
4.2 氣體的比熱 理想氣體之等容過程 0 (體積固定，作功=0) 因為Cv 為常數，故內能 u 應為溫度 T 的函數
4.2 氣體的比熱 1公斤之理想氣體，於一定容之密閉系統進行一可逆 過程，系統由外界獲得75 kJ的熱量，氣體溫度由20oC 上升至120oC，試求內能變化量，Cv值與最終壓力及最 初壓力之比值？ [解]
4.2 氣體的比熱 理想氣體之等壓過程 因為CP 為常數，故比焓 h 應為溫度 T 的函數
4.2 氣體的比熱 例題4-4 1公斤之理想氣體，分子量26，置於一氣缸與無摩擦活 塞所構成的密閉系統內，活塞上有負載使系統壓力維持 200 kPa，若系統由體積 0.5 m3變至 1 m3，試求系統於 此過程中之熱傳量？設Cp=1.08 kJ/kg K。 [解]
4.2 氣體的比熱 例題4-4
4.2 氣體的比熱 CP 與Cv 之關係
4.2 氣體的比熱 例題4-5 若1公斤之理想氣體在等壓下，由20oC加熱至80oC需 熱量120 kJ，同樣的氣體於等容下，則只需 90 kJ 之 熱量，試求氣體常數R？ [解]
4.3 理想氣體之等溫過程 理想氣體之等溫過程
4.3 理想氣體之等溫過程 例題4-6 一溫度20oC，壓力100 kPa之理想氣體，經可逆等溫 壓縮過程，壓力變為 500 kPa，試求在此過程1公斤 氣體所作的功？假設分子量為28。 [解]
4.4 理想氣體之絕熱過程 理想氣體之絕熱過程 0 (絕熱)
4.4 理想氣體之絕熱過程 理想氣體之絕熱過程
4.4 理想氣體之絕熱過程 例題4-7 空氣的溫度800K，壓力500 kPa，經一可逆絕熱膨脹 過程，壓力下降至 200 kPa，假設空氣可視為理想氣 體，且CP =1.005 kJ/kg K，R =0.287 kJ/kg K，試求 空氣在此膨脹終了時的溫度？ [解]
本章第1部份 習 題 1, 2, 3, 4
4.5 真實氣體 理想氣體須滿足： 2.比熱 Cv 、 CP 皆為常數 真實氣體，例如空氣的CP： 方程式雖不滿足， 但仍很近似！ CP 值不固定！ 半理想氣體： { CP 為溫度的函數
4.6 經熱力過程的流體 在前章一密閉系統經歷一個過程或循環，除非有特別 說明，否則均假設系統中物質的化學組成不變，而視 為一純物質。 一純物質可為單一的組成，例如純氮氣，亦可為不同 組成的混合物或化合物，例如空氣是由許多氣體組成 的混合物，但仍視為一種純物質。 流體的型式可為液體、水蒸汽或氣體，或可能是液氣 共存的型式。 流體的不同狀態型式稱為相(phase)，當水在沸騰過程 中，同時有液體與氣體兩種狀態，稱作兩相狀態。
4.7 流體和相的變化 0→1：液態水被加熱，溫度上升而至沸點。 1→2：沸騰過程，溫度保持一定。 2→3：已全為水蒸汽，繼續加熱，溫度再上升。 此時之狀態稱為過熱蒸汽。
4.7 流體和相的變化 前面溫度上升過程，其他熱力性質也會隨著變化！ T-s 圖
4.7 流體和相的變化 兩相液體狀態 在一特定壓力下，液體變為蒸汽時對應一個溫度， 一般稱為沸點，在熱力學中則稱為飽和溫度(Saturation temperature)。 參見課本 P338. 水在P=0.100MPa(=100kPa)下，飽和溫度 TS=99.63oC 水在P=0.200MPa下，飽和溫度 TS=120.23oC 水在P=75 kPa下，飽和溫度 TS=91.78oC
4.7 流體和相的變化 飽和液體(Saturated liquid) 飽和蒸汽(Saturated vapor) 在飽和液體與飽和蒸汽之間，液體與蒸汽同時 存在，稱為濕蒸汽(Wet vapor)
4.7 流體和相的變化 當壓力增加： 飽和溫度亦上升！ 飽和液體與飽和蒸汽的熵值也較接近！ 至一臨界點，飽和液體與飽和蒸汽的熵值相同！ 即飽和液體可立即變成飽和蒸汽！
4.7 流體和相的變化 濕蒸汽區 水的臨界點，為壓力22.12 MPa、溫度374.15oC 因此必須再多一個 獨立性質才能決定濕蒸汽的狀態。 在濕蒸汽區，飽和溫度與壓力是相關的，所以 只能取其一當作獨立性質。 濕蒸汽的乾度(以 x 表示)，即可為另一獨立性質！
4.7 流體和相的變化 濕蒸汽區 乾度= 在濕蒸汽中，蒸汽所佔的質量比例。
4.7 流體和相的變化 例題4-8 乾度為 0.7 的濕蒸汽 1 公斤，若飽和蒸汽與飽和液體 之焓分別為 2675 kJ/kg 及 417 kJ/kg，試求此濕蒸汽 的比焓為若干？ [解] 濕蒸汽 1 kg = 飽和蒸汽 0.7 kg + 飽和液體 0.3 kg
4.7 流體和相的變化 例題4-9 乾度為 0.75 的濕蒸汽，若飽和蒸汽比容為 0.12 m3/kg，且飽和液體比容為 0.0017 m3/kg，試求此 濕蒸汽之比容？ [解] 濕蒸汽 1 kg = 飽和蒸汽 0.75 kg + 飽和液體 0.25 kg 很小！可忽略！
4.7 流體和相的變化 達到飽和蒸汽狀態後，若繼續加熱，則溫度會繼續 上升，而形成過熱蒸汽(Superheated vapor)。 在過熱區，溫度與壓力是 2 個獨立的性質！
4.8 蒸汽表的使用 濕蒸汽中含飽和液體與飽和蒸汽，分別以 f表示飽和 液體，以 g表示飽和蒸汽。 飽和液體性質： 飽和蒸汽性質：
4.8 蒸汽表的使用 使用表A1.1(各溫度下)，表A1.2(各壓力下)
4.8 蒸汽表的使用 例題4-10 1 kg 濕蒸汽於 200 kPa壓力，體積 0.1m3，若體積 保持一定，且加熱至壓力達 800 kPa，試求此濕蒸 汽之初始乾度與最後乾度？ [解] 查表A1.2，P = 200 kPa (0.2 MPa)下 太小！可忽略！
4.8 蒸汽表的使用 例題4-10 1 kg 濕蒸汽於 200 kPa壓力，體積 0.1m3，若體積 保持一定，且加熱至壓力達 800 kPa，試求此濕蒸 汽之初始乾度與最後乾度？ [續] 同理，查表A1.2，P = 800 kPa (0.8 MPa)下 忽略
4.8 蒸汽表的使用 例題4-11 上題中輸入多少熱量？ [解] 0(等容) 查表A1.2，P = 200 kPa下： P = 800 kPa下：
4.8 蒸汽表的使用 內差法求熱力性質： 例如：求過熱蒸汽在 200 kPa 與220oC下之h值 假設在該溫度範圍內， h 成線性變化：
4.8 蒸汽表的使用 例題4-12 1 kg 過熱蒸汽於 200 kPa壓力，220oC下置於汽缸內， 假設活塞無摩擦，而系統於等壓下放熱直到乾度下降 至0.5，試求此系統放出多少熱量？ [解]
4.8 蒸汽表的使用 例題4-12 查表A1.2，P = 200 kPa下：
本章第2部份 習 題 5, 6, 7, 8, 9
