Thermodynamics: An Engineering Approach, 8th Edition
Yunus A. Ç engel, Michael A. Boles
McGraw-Hill, 2016
工程熱力學
第一章
熱力學基本概念
1
學習目標
•瞭解熱力學的專有名詞。
•複習公制（SI）與英制的單位互換。
•解釋系統、狀態、狀態假說、平衡、過程與循環。
•瞭解溫度、溫標、壓力、絕對壓力與錶壓力的概
念。
2
熱力學與能量

熱力學 (thermodynamics) :可以稱為
是一門能量的科學。能量 (energy) :
一種能引發改變的能力

熱力學的英文thermodynamics 來
自於希臘字therme（熱）與
dynamis（功），用來描述早期熱
轉換為功的現象。

能量守恆 (conservation of energy
principle) :是大自然界中一個基本的
定律，描述不同能量之間可以轉移，
但是能量的總量不變；也就是說，
總能量不會無故地增加或減少。

熱力學第一定律 (first law of
thermodynamics) :就是能量守恆定律，
主張能量是熱力學的性質之一。
3
 熱力學第二定律 (second law of
thermodynamics) :確立能量不只是
一個量，同時也具有質的特性，
亦即能量會往質較低的方向進行。
 古典熱力學:主要從巨觀觀點來研
究系統性質的變化，不需要瞭解
每一個分子的行為，一般工程上
的問題皆使用此種方法。
 統計熱力學:則從微觀觀點來分析，
主要是利用統計物質中各分子的
性質，來描述熱力學系統中各種
性質的變化。
4
熱與其它形式的能量
•能量存在的形式: E
 熱能thermal,
Q單位 : J , q單位 : J/kg Q  mq
 機械能mechanical,
 動能kinetic,
 位能potential,
 電能electrical,
 磁能magnetic,
 化學能chemical, and
 核能nuclear.
• 所有以不同型式存在的能量之總合稱為一個系統的總能
E(total energy) (或單位質量的能量 e)
• 所有微觀型式能量總合稱為內能(internal energy,u).
5
• 熱力學第零定律:當兩個系統分別
與第三個系統達到熱平衡，則此兩
個系統亦達到熱平衡
• 當A與C分別與B達到熱平衡，則A與
C兩個系統亦達到熱平衡
If T (A) = T(B) and T (B) = T(C)
 Then T (A) = T(C).
 熱力學第一定律:能量守恆定律，
主張能量可以被轉換，但不能被創
造或毀滅。
6
 熱力學第二定律:則從微觀觀點來分析，主要是利用統計物
質中各分子的性質，來描述熱力學系統中各種性質的變化。
第二定律有兩種古典的陳述，即凱爾文－普朗克敘述與克
勞修斯敘述。
• 凱爾文－普朗克敘述（The Kelvin-Planck statement）：不可
能建造一可在循環內操作，除了舉高重物以及與單一熱槽
交換熱外，不會產生其他效應的裝置。
• 克勞修斯敘述（The Clausius statement）：不可能建造一可
在循環內操作，除了自低溫熱槽傳熱至高溫熱槽外，不會
產生其他效應的裝置。
7
凱爾文－普朗克敘述
克勞修斯敘述
8
 熱力學第二定律:
 熱不可能自然的由低溫傳向高溫
 在一個系統中熱會朝總熵增加的方向發生
 在一個循環過程中，熱不可能完全轉換為功
 熱力學第三定律:當一個系統趨近於絕對零
度(理論溫度)，所有的過程會停止且系統
的商會趨近最小值
9
熱力學的應用領域
10
11
因次與單位

任何物理量需要用因次（dimension）來
描繪其特性。

單位（unit）就是指定給因次的大小計
量尺度

物理量的基本因次（primary dimension；
fundamental dimension）包括質量m、長
度L、時間t 與溫度T。由基本因次衍生
的因次稱為衍生因次（secondary
dimension；derived dimension），包括
速度V、能量E 和體積。

SI公制單位:公斤(kg)、公尺(m)、秒(s)

英制單位:磅-質量(lbm)、呎(ft)、秒(s)
12
公制及英制單位
Work = Force  Distance
SI 單位的標準縮寫普遍應用於各種工程
1 J = 1 N∙m
領域。
1 cal = 4.1868 J
1 Btu = 1.0551 kJ
功率＝功÷時間 (單位時間所作的功) W ＝ P × t.
單位：瓦特[W] W＝J/s ＝ N．m/s
力 = 質量 × 加速度
力的單位定義
13
W 重量
m 質量
g 重力加速度
在地球表面上60公
斤的人，在月球上
只有10公斤。
牛頓、公斤重與磅重的相對關係
海平面處單位質量
的重量
14
EXAMPLE 1–1 Electric Power Generation by a Wind Turbine
A school is paying $0.12/kWh for electric power. To reduce its power bill,
the school installs a wind turbine with a rated power of 30 kW.
If the turbine operates 2200 hours per year at the rated power, determine
the amount of electric power generated by the wind turbine and the money
saved by the school per year.
15
16
EXAMPLE 1–2 Obtaining Formulas from Unit Considerations
A tank is filled with oil whose density is ρ = 850 kg/m3. If the volume of the
tank is V = 2 m3, determine the amount of mass m in the tank.
16
EXAMPLE 1–3 The Weight of One Kilogram
Using unity conversion ratios, show that 1.00 kg weighs 9.807 N on earth
(Fig. 1–16).
17
19
系統與控制體積

系統(system):是指一個所欲研究的
物質或區域。

外界(suroundings):系統外的物質或
區域稱為外界。

邊界(boundary):系統與外界的中間，
它可以是移動，也可以是靜止的。

系統可分為開放系統與封閉系統
封閉系統(closed
system)又稱為控制
質量(control
mass):當物質不能
穿透系統邊界時。
18




開放系統(open system):或稱為控制體積，
是選擇空間中一個區域做為研究的對象。
這個空間包含一些流體可以流進與流出
的裝置，例如壓縮機、渦輪機或噴嘴。
開放系統允許物質與能量穿過邊界。
控制表面(control surface):此表面可以是
真實的，也可以是虛擬的。
開放系統(控制體積
(control volume))的入口與
出口
19
系統的性質







性質(property):系統的任一特性。
常見的性質包括壓力P、溫度T、
體積V、與質量m。
性質可以分為兩種，即內延性質
或外延性質
內延性質(intensive property):代
表此性質與系統的質量大小無關，
例如:壓力、溫度與密度。
外延性質(extensive property): 代
表此性質與系統的大小有關，例
如總質量、總體積與總動量
大寫字母用來表示外延性質(質
量m是例外)，而小寫字母則用
來表示內涵性質(壓力P和溫度T
明顯地是例外)。
比性質(specific property):外延性 外延性質與內延性質的示意圖
質除以質量，例如:比容(v =V/m)。
20
連續體



任何物質都由原子所組成，
這些原子散布在整個空間中，
原子之間具有距離。當系統
的尺寸遠遠超過分子之間的
距離（或平均自由徑）時，
我們可以將此系統看成一個
連續體(continuum)。
當系統視為一個連續體時，
不再深入探討各個原子的行
為，只認為此物質是一個連
續且均勻的物質。若系統符
合連續體的假設，則系統的
性質就是點函數，而且在空 如果單位體積內的分子數足夠多，不論分
間的變化是連續的，不會發 子間的距離為何，介質皆可以視為連續流
體。
生劇烈變化。
所以只要系統的尺寸夠大，
都可以使用連續體的假設。
21
密度與比重
密度(density):
比容(specific volume):
比重(specific gravity): 比重
的定義是物質的密度除以水在
4°C 時的密度（ρH2O = 1000
kg/m3）。
比重量(specific
weight): 定義為單位體
積物質所具有的重量。
密度為單位體
積的質量，比
容的定義為單
位質量所具有
的體積。
22
狀態與平衡






熱力學的性質都必須在平衡狀態
(state)下量測才有意義。
平衡: 平衡意味著系統中沒有任
何驅動力，使性質進行改變。平
衡的形式有很多，例如熱平衡、
機械平衡等，而所得的熱力學平
衡（thermodynamic equilibrium）
是指系統中所有的平衡形式都必
須達成平衡。
熱平衡:例如，一個系統內各處的
系統在兩各不同的狀態下。
溫度皆相同則稱為熱平衡也就是
系統內沒有溫度差而引發熱的傳
遞。
機械平衡:則是指系統內的壓力不
再隨時間而改變。
相平衡: 如果系統內有兩種相，
若兩相達成一定的比例而不再變，
則稱為相平衡。
化學平衡:則是指系統內的淨化學
反應率為零，所以各組分不再隨
熱平衡前與熱平衡後的封閉系統。
時間改變。
23
狀態假設

一個系統的狀態是由性質來描
述，但問題是需要多少性質才
能完整地描述一個系統的狀態
呢？狀態假說提出：

對於一個簡單可壓縮系統，
可以用兩個獨立的內延性
質來描述其狀態。
簡單可壓縮系統: 當一個系
統內除了壓縮功以外，沒
有其他力作功的形式，如
電場、磁場功、重力功、
表面張力等。
24
氮氣的狀態由兩個獨立的內延性
質決定。
過程與循環

過程(process):當一個系統從一個平衡狀態變化至另一個平衡狀態時，
中間所經歷的變化。

路徑(path): 在過程中所經歷的一系列狀態，稱為過程的路徑若要完整
描述一個過程，就必須給定過程中的初始狀態、最終狀態、路徑與環
境的交互作用。

近似平衡過程(quasi-equilibrium process): 當系統進行一個緩慢的過程
時，則系統內部就有足夠的時間進行調整，使系統內各處性質的變化
都相同。
25

在工程上應用時，通常使用一
些熱力學性質（例如P、V、T）
當座標，畫出過程圖來表示過
程。

在應用上，有些系統會經歷一
些特殊的過程。

等溫過程(isothermal process):在
等溫過程中，溫度T 保持不變。

等壓過程(isobaric process):在等
壓過程中，壓力P 保持不變。

等容過程(isometric process): 在
等容過程中，在比容保持不變。

循環(cycle): 如果系統經歷一個
過程，初始狀態與最終狀態均
相等。
壓縮過程 P-V圖
26
穩態流動過程





穩態(steady state)代表系 在穩流過程中，
流體的性質只
統的性質不隨時間改變。
會隨空間位置
均勻(uniform)代表系統內的 改變，不隨時
性質不隨空間位置而改變。 間改變。
大多數的工程設備都在同一
狀態下運轉相當長的時間，
因此歸類為穩態流動的設備，
也可稱這些設備經歷穩態流
動過程。
穩流過程(steady-flow
process):一個過程中有流體
流進與流出控制體積
長時間穩定操作的設備都適
合使用穩流過程，例如渦輪
機、泵、鍋爐、冷凝器、熱
交換器或動力廠、冷凍系統
等。
在穩流過程中，控制體積內的質量與能
量皆為固定值
27
熱力學與熱力學第零定律

熱力學第零定律(zeroth law of thermodynamics):當A、B 兩個物體
分別與第三個物體C 達成熱平衡，則此A、B 兩物體也達成熱平
衡。

此定律提供了溫度量測正確性的基礎。若以溫度計來取代第零
定律中的第三個物體，則第零定律就可以說成當兩個物體有相
同的溫度讀數時，這兩個物體處於熱平衡。
在隔絕系統中，兩個物體
接觸後達到熱平衡。
28
溫標








溫標(temperature scale)提供一個共同
的溫度量測基準。現有的溫標有許
多種，大部分的溫標都是基於容易 在不同(低)壓
產生的狀態，例如水的冰點與沸點。 力下，以四種
冰點(freezing point):在1atm時，液態 不同氣體使用
水與固態冰平衡共存的狀態稱為冰 定容氣體溫度
點。在攝氏溫標中，冰點為0°C， 計的P-T實驗
在華氏溫標中，冰點為32°F。
值
沸點(boiling point):液態水與蒸氣共
存的狀態則稱沸點。在攝氏溫標中，
沸點為100°C；在華氏溫標中，沸
點為212°F。
攝氏溫標(°C): SI 使用的溫標。
華氏溫標(°F): 英制使用的溫標。
熱力學溫標:在熱力學中，我們希望
溫度的溫標不要與任何一種物質的
性質有關。
凱氏溫標(SI)K 朗肯溫標 (E)R
與凱氏溫標幾乎相同的是理想氣體
在絕對壓力為零時，定容器體溫度計的
溫標。一般使用定容氣體溫度計來
溫度為-273.15°C
量測此溫度。
29
不同溫標的比較。
不同溫標之單
位值大小的比
較。
30
EXAMPLE 1– 4 Expressing Temperature Rise in Different Units
During a heating process, the temperature of a system rises by 10°C. Express
this rise in temperature in K, °F, and R.
31
壓力
壓力(pressure):流體在單位面積上施予的
正向力。
68 kg
136 kg
Afeet=300cm2
0.23 kgf/cm2
0.46 kgf/cm2
P=68/300=0.23 kgf/cm2
肥胖的人其腳下所受的垂直應力(或「壓
力」)大於苗條的人。
壓力錶
32



絕對壓力(absolute pressure):絕對壓力是指此處真正壓力的大
小，但大部分的壓力量測設備（壓力錶）在大氣中的讀數皆
為零。
錶壓力(gage pressure): 這些壓力錶量測出來的壓力都是相對
於當地大氣壓的壓力（也就是絕對壓力減去當地大氣壓力），
這個相對壓力即稱為錶壓力。
真空壓力(vacuum pressure):當絕對壓力低於大氣壓力時。
絕對壓力、
錶壓力、
真空壓力
的比較圖。
33
EXAMPLE 1–5 Absolute Pressure of a Vacuum Chamber
A vacuum gage connected to a chamber reads 40 kPa at a location where
the atmospheric pressure is 100 kPa. Determine the absolute pressure
in the chamber.
34
壓力隨深度變化
當壓力隨高度變化時
液體內的壓力隨深度加深而變大。
在平衡下，流體元素的自由體圖。
35
房間內不同高度位
置的壓力變化可以
忽略。
液體內的壓力與深
度具有線性關係。
相連的同一種液體容
器內，相同高度上的
壓力皆相同。
36
巴斯卡原理(Pascal’s law): 由於在同
一水平高度的流體壓力都相同，所
以在被侷限住的流體內施加壓力時，
各處增加的壓力大小都相同。
A2/A1 稱為液壓起重機的理想
機械效益。
利用巴斯卡原理的起重機。
37
液體壓力計
液體壓力計(manometer)大多由玻璃或塑膠材質
的U 型管所組成，內部充填一種或多種液體，
例如水銀、水、
油、酒精。
流動區域或流動裝置的
壓力差可由壓力計
中的液體高度差判讀。
液體壓力計
示意圖。
在堆疊的流體中，跨越一層密度ρ 與
高度h 之流體的壓力差為ρgh。
38
其他的量測設備
波登管(Bourdon tube): 波登管是由中空的
金屬管構成，金屬管彎曲成鉤子的形式，
其中一端封閉並連接讀表的指針。
壓力轉換器(pressure transducer):較新型的
壓力感測器都是電子式的，原理是將壓力
的效應轉成電的效應，例如電壓、電阻或
電容的改變。
壓力轉換器的體積小、反應時間快，比機
械式的壓力感測器靈敏、可靠且精確度高，
可以量測的範圍從百萬分之一大氣壓到幾
千大氣壓。
用來量測壓力的各式波燈管
39
氣壓計與大氣壓力


氣壓計(barometer)是用來量測大氣壓力的設備，所以大氣壓力又可
稱為氣壓計壓力。
常用的壓力單位為標準大氣壓力，定義為在標準重力加速度（g =
9.807 m/s2）下，0°C 時760 mm 高的水銀柱所產生的壓力（0°C
時，水銀的密度為13,595 kg/m3）。
當管子內徑較大時，
可以避免液體表面張
力的影響（毛細管現
象）。管子的內徑與
長度對氣壓計中的液
體柱面高度沒有影響。
基本型氣壓計
在氣象預報時壓力的大小都以水銀(汞)柱高度表示，
單位為mmHg，又稱為torr，1atm = 760 torr。
40
EXAMPLE 1–6 Measuring Atmospheric Pressure with a Barometer
Determine the atmospheric pressure at a location where the barometric reading
is 740 mmHg and the gravitational acceleration is g = 9.805 m/s2.
Assume the temperature of mercury to be 10°C, at which its density is
13,570 kg/m3.
41
EXAMPLE 1–7 Gravity Driven Flow from an IV Bottle
Intravenous infusions usually are driven by gravity by hanging the fluid bottle
at sufficient height to counteract the blood pressure in the vein and to
force the fluid into the body (Fig. 1–51). The higher the bottle is raised, the
higher the flow rate of the fluid will be. (a) If it is observed that the fluid
and the blood pressures balance each other when the bottle is 1.2 m above
the arm level, determine the gage pressure of the blood. (b) If the gage pressure
of the fluid at the arm level needs to be 20 kPa for sufficient flow rate,
determine how high the bottle must be placed. Take the density of the fluid
to be 1020 kg/m3.
42
45
EXAMPLE 1–8 Hydrostatic Pressure in a Solar Pond with Variable Density
Solar ponds are small artificial lakes of a few meters deep that are used to
store solar energy. The rise of heated (and thus less dense) water to the surface
is prevented by adding salt at the pond bottom. In a typical salt gradient
solar pond, the density of water increases in the gradient zone, as shown
in Fig. 1–52, and the density can be expressed as
where ρ0 is the density on the water surface, s is the vertical distance measured
downward from the top of the gradient zone (s = -z), and H is the
thickness of the gradient zone. For H = 4 m, ρ0 = 1040 kg/m3, and a
thickness of 0.8 m for the surface zone, calculate the gage pressure at the
bottom of the gradient zone.
43
47
48
EXAMPLE 1–9 Measuring Pressure with a Manometer
A manometer is used to measure the pressure of a gas in a tank. The fluid
used has a specific gravity of 0.85, and the manometer column height is
55 cm, as shown in Fig. 1–56. If the local atmospheric pressure is 96 kPa,
determine the absolute pressure within the tank.
44
50
EXAMPLE 1–10 Measuring Pressure with a Multifluid Manometer
The water in a tank is pressurized by air, and the pressure is measured by a
multifluid manometer as shown in Fig. 1–59. The tank is located on a mountain
at an altitude of 1400 m where the atmospheric pressure is 85.6 kPa.
Determine the air pressure in the tank if h1 = 0.1 m, h2 = 0.2 m, and
h3 = 0.35 m. Take the densities of water, oil, and mercury to be 1000 kg/m3,
850 kg/m3, and 13,600 kg/m3, respectively.
45
52
EXAMPLE 1–11 Effect of Piston Weight on Pressure in a Cylinder
The piston of a vertical piston–cylinder device containing a gas has a mass of 60
kg and a cross-sectional area of 0.04 m2, as shown in Figure. The local
atmospheric pressure is 0.97 bar, and the gravitational acceleration is 9.81 m/s2.
(a) Determine the pressure inside the cylinder. (b) If some heat is transferred to
the gas and its volume is doubled, do you expect the pressure inside the cylinder
to change?
53