進二冷三 冷凍空調熱力熱傳學 ( 一） 授課教師：施陽正 / 陳誌生 老師 2008 年 9 月

CHAPTER 4 The First Law of Thermodynamics

V.The First Law of Thermodynamics 1.The First Law of Thermodynamics 2.Energy Balance for Closed Systems 3.Energy Balance for Steady-Flow Systems 4.Some Steady-Flow Engineering Devices 5.Energy Balance for Unsteady-Flow Processes

1. The First Law of Thermodynamics  Energy can be neither created nor destroyed.  First law of thermodynamics, or the conservation of energy principle, is based on experimental observations.  During an interaction between a system and its surroundings, the amount of energy gained by the system must be exactly equal to the amount of energy lost by the surroundings.

岩石在某一高度具有某一 位能，當岩石落下時此位 能的一部分轉換為動能 （圖 4-1 ）。實驗數據證明， 當空氣阻力為可忽略，位 能的減少量恰等於動能的 增加量，因此印證了能量 守恆定律。

圖 4-3 無任何功作用，系 統能量的改變等於 淨熱傳遞。

圖 4-4 作用於絕熱系統的功（電力）等於 系統能量的增加量

圖 4-5 作用於絕熱系統 的軸功等於系統 能量的增加量

能量平衡 能量不滅定律可表示為：一過程中系統總能量的淨改變量 （增加或減少）等於該過程中進入系統之總能量與離開系 統之總能量間的差。亦即在一過程中 或 此關係式經常被視為能量平衡 (energy balance) ，可應用於 任何系統進行任何過程。 能量不滅定律可表示為：一過程中系統總能量的淨改變量 （增加或減少）等於該過程中進入系統之總能量與離開系 統之總能量間的差。亦即在一過程中 或 此關係式經常被視為能量平衡 (energy balance) ，可應用於 任何系統進行任何過程。

Energy Balance

圖 4-6 作用於絕熱系統的 （邊界）功等於系統 能量的增加量

圖 4-7 過程中系統能量的 改變量等於系統與 其外界間熱與功傳 遞的淨量

Energy Balance

2. Energy Balance for Closed Systems  The first law of thermodynamics, or the conservation of energy principle for a closed system or a fixed mass, may be expressed as follows: or

Net heat transfer across system boundaries Net work done in all form Net change in total energy of system

 For a stationary closed systems

 For a cyclic process

 Various forms of the first-law relation for closed systems.

圖 4-22 穩流情況下，控 容的質量與能量 含量維持固定。

圖 4-23 穩流情況下，進口或出口的流體性質維持 固定（不隨時間而改變）。

圖 4-25 穩定操作的熱水器

3. Energy Balance for Steady-Flow Systems  Mass balance for steady-flow systems:

 Energy balance for steady-flow systems:

4. Some Steady-Flow Engineering Devices  Nozzles and Diffusers  Turbines and Compressors  Throttling Valves  Mixture Chambers  Heat Exchangers  Pipe and Duct Flow

(Fig. 4-25)

Nozzle and Diffuser

Turbines and Compressors

Throttling Valves

The temperature of an ideal gas does not change during a throttling(h =constant) process since h = h (T)

Mixing Chamber

Heat Exchanger The heat transfer associated with a heat exchanger may be zero or nonzero depending on how the system is selected

圖 4-44 熱交換器中，熱傳遞決定於 選擇的控容。

圖 4-45 從流經未絕熱的管路或管道的熱流體，傳至 較冷的環境之熱損失可能極為明顯

Pipe and Duct Flow.

圖 4-49 自供應線對剛性容器充填為 非穩流過程，因為控容內含 有改變

圖 4-50 非穩流過程中控容的形狀 與大小可能改變

質量平衡 系統進行任一過程的質量平衡可表示為 質量平衡： 其中 ，為過程中系統質量的改變。控容的 質量平衡亦可更明確地表示為：

能量平衡 在分析非穩流過程時，需考慮控容的能量含量以及進與出流動 流體的能量。 稍早提出的一般能量平衡為 能量平衡： (4-25) 一般的非穩流過程，因過程中在進口與出口之質量的性質可能 改變，故難以分析。然而，大部分的非穩流過程可合理地以均 流過程 (uniform-flow process) 表示，其具有下列的理想化：在 任一進口或出口的流體流為均一與穩定，因此在一進口或出口 的整個截面上流體的性質不會隨時間或位置而改變。

圖 4-51 當所有的進口與出口被關閉，均流系統的能 量方程式減化成密閉系統的能量方程式。

圖 4-52 均流系統可同時具有電 力功、軸功與邊界功。

圖 4-56 只要在壓力鍋內有水，就 存在於飽和情況，而溫度 維持固定於飽和溫度。