熱學與熱學 周鑑恆 萬能科技大學 光電系 ( 台灣 中壢市 ) chou0717@gmail 0921 612 404

1. 熱學與熱學周鑑恆萬能科技大學 光電系 (台灣 中壢市) chou0717@gmail.com 0921 612 404

2. 熱學概念圖 好的教材， 要能從使整個科學主題”清析扼要”的角度，向學生介紹該科學主題。 就如同從不同角度看此盆景，有些角度此盆景顯得特別簡單。 盆栽

3. 力學: 剛體---轉動、移動 、平衡

4. 力學: 剛體---轉動、移動 、平衡

5. 力學:彈性體---震動(物質未動)

6. 力學:流體---流動(物質流動)

7. 熱學----與力學有何不同

9. 摩擦生熱

10. 摩擦生熱

11. 摩擦生熱

12. 微波加熱

13. 雷射加熱

14. 通電加熱

15. 渦電流加熱

16. 渦電流加熱

17. 渦電流加熱

18. (作)功

19. 因溫度差而傳遞的能量 --- (加)熱

20. 傳導

21. 輻射

25. 輻射

27. 對流

31. 溫度變化和相變 • Fig. 1 In a solid, the molecules are bond together as if they are connected by springs. The molecules are in random vibration and the temperature of the solid is a measure of the average kinetic energy of the molecules. • Fig. 2 The gas molecules in a container are in rapid random motion. The temperature of the gas is a measure of the average kinetic energy of the molecules.

32. 相變

34. 熱學最重要的兩個定律 • 熱力學第一定律 • (能量守恆) • 熱力學第二定律 • (狀態的機率)

35. 氣體動力論(simplest system) • Maxwell BoltzmannJohannes van der Waals

36. 把熱學的主角塞到熱機中成為工作流體 • 熱機成為熱力學第一定律及第二定律的重要且實用的例子 • 熱機成為最有趣的熱學核心實驗

37. 除了早期的蒸氣機之外，各種精巧的內燃引擎也陸續問世。這些能將熱能轉換成機械能的機器統稱「熱機(heat engine)」。從物理學的角度來看，儘管各種引擎的構造大異其趣，但所有熱機的主角都是工作流體(working fluid)。熱能進入工作流體之後，透過工作流體之運作，轉換成動能。打個比方來說，熱機好似公司行號，工作流體好似員工，無論公司之體制，聘僱方式如何，也無論員工領薪水的方式是用支票，還是給現金，總而言之，公司的營運方式都是員工領薪水然後辦理公事。 老式火車頭上的往復式活塞蒸汽機，現代核能電廠中的渦輪蒸汽機，不用火星塞的柴油引擎，常見的汽油引擎，戰機或客機搭載的噴射引擎(圖2-１)，推動高空偵察機SR-71以三倍音速巡戈的衝壓引擎，不用連桿的轉子引擎，無論這些熱機的構造複雜與否；也不論它們加熱工作流體的方式，是直接在工作流體中燃燒燃料(內燃)，還是經由鍋爐或汽缸來加熱工作流體(外燃)；也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、空氣、水蒸氣或其他物質；也不論他們是重複循環使用工作流體，或不斷使用用過即拋的工作流體，他們的工作原理都是一樣的：「工作流體被加熱或高溫狀態時，膨脹作正功，工作流體降溫或較低溫的狀態時，被壓縮作負功。」把工作流體的壓力和體積關係的封閉曲線畫在ＰＶ圖上，無論Rankine循環、Otto循環、Diesel循環，或者圖2-１所示的Brayton循環，工作流體狀態之變化都必須隨著相似的順時鐘方向。 熱機原理 從物理學的角度來看，儘管各種引擎的構造大異其趣，但所有熱機的主角都是工作流體(working fluid)。 熱能進入工作流體之後，透過工作流體之運作，轉換成動能。 圖2-2 二行程汽油引擎示意圖。 熱力學第二定律則指出，工作流體被加熱之後，又必然恢復到原來狀態時，被加熱時獲得的熱能，因為機率的原故，不可能完全經做功轉換成機械能，所以沒有完美的熱機。

38. 熱機原理 • 往復式蒸汽機、渦輪蒸汽機、柴油引擎、汽油引擎、噴射引擎、衝壓引擎、轉子引擎， • 無論這些熱機的構造複雜與否； • 也不論它們加熱工作流體的方式，是直接在工作流體中燃燒燃料(內燃)，還是經由鍋爐或汽缸來加熱工作流體(外燃)； • 也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、空氣、水蒸氣或其他物質； • 也不論他們是重複循環使用工作流體，或不斷使用用過即拋的工作流體， • 他們的工作原理都是一樣的：「工作流體被加熱或高溫狀態時，膨脹作正功，工作流體降溫或較低溫的狀態時，被壓縮作負功。」 • 把工作流體的壓力和體積關係的封閉曲線畫在ＰＶ圖上，無論Rankine循環、Otto循環、Diesel循環，或者Brayton循環，工作流體狀態之變化都必須隨著相似的順時鐘方向。

39. 熱力學第二定律則指出，工作流體被加熱之後，又必然恢復到原來狀態時，熱力學第二定律則指出，工作流體被加熱之後，又必然恢復到原來狀態時， • 被加熱時獲得的熱能，因為機率的原故，不可能完全經做功轉換成機械能， • 所以沒有完美的熱機。 • 其他熱學現象，同樣也因為機率的原故，其變化有一定的方向(例如：熱平衡)

40. 熱機原理 往復式蒸汽機

41. 熱機原理 汽油引擎

42. 熱機原理 噴射引擎

43. 熱機原理 噴射引擎

45. 史特林引擎的定義 • 史特林引擎是一種外燃式的熱機 • 嚴格而言，凡是利用工作流體在冷、熱區之間移動，遂行壓縮的工作流體經加熱而膨脹作正功，膨脹後先冷卻再壓縮作負功的熱機循環，這樣的機構都稱為史特林引擎。

46. 熱力學第一、第二定律利用史特林引擎、蒸汽機、噴射引擎，演示熱和功進出工作流體的情形。熱力學第一、第二定律利用史特林引擎、蒸汽機、噴射引擎，演示熱和功進出工作流體的情形。