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国际电气工程先进技术译丛能量产生、转换、储存、节能与耦联美 雅萨尔.德米雷尔（Yaar Demirel）著 闫怀志 等译机 械 工 业 出 版 社本书是能源领域的综合性图书，全书按照能量平衡和热力学的内在联系这条主线，以循序渐进、图文并茂的方式，全面、系统地阐述了能量产生、转换、储存、节能与耦联的诸多方面。其中，重点介绍了能源类型、机械能和电能、内能与焓、能量平衡、能量产生、能量转换、能量储存、节能和生物系统的能量耦联等问题。全书还结合各章重点内容，给出了130 道全解例题。本书可用作能源类专业本科生、研究生课程和相关培训的教材，也可作为能源发电、动力工程、工程热物理、电力工程、可再生能源以及相关行业的工程人员、研究人员和管理人员的参考资料。Translation from English language edition：Energy：Production，Conversion，Storage，Conservation，and CouplingBy Yaar Demirel.Copyright 2012 Springer London Springer London is a part of SpringerScience+Business Media.All Rights Reserved.本书中文简体字版由机械工业出版社出版，未经出版者书面允许，本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有，翻印必究。北京市版权局著作权合同登记 图字：01-2013-4244 号。图书在版编目（CIP）数据能量产生、转换、储存、节能与耦联/（美）德米雷尔（Demirel，Y.）著闫怀志等译.北京：机械工业出版社，2015.6（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：Energy：Production，Conversion，Storage，Conservation，andCouplingISBN 978-7-111-50132-9.能.德闫.能-研究.O31中国版本图书馆 CIP 数据核字（2015）第 091939 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：顾 谦 责任编辑：顾 谦责任校对：张 征 封面设计：马精明责任印制：北京振兴源印务有限公司印刷2015 年 7 月第 1 版第 1 次印刷169mm239mm.23.5 印张.453 千字00012500 册标准书号：ISBN 978-7-111-50132-9定价：89.00 元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务网络服务服务咨询热线：010-88361066机工官网：读者购书热线：010-68326294机工官博： 洋译者序 毫无疑问，我们当下正处于信息时代的信息社会。信息社会是指脱离工业化社会以后，信息将起主要作用的社会，其典型特征是信息技术和信息产业在经济和社会发展中的作用日益加强。因此有人认为，只有在从事大规模物质生产的农业社会和工业社会中，物质和能量才是主要的资源 而在信息社会中，信息成为比物质和能量更为重要的资源。因此，在某种意义上，能量的作用有被逐渐弱化的趋势，进而其地位也日益遭到人们不应有的忽视。实际上，现代科学认为，物质、能量和信息作为客观世界的三个基本要素，无论是从哲学还是从系统科学的角度来看，这三者之间的关系都非常紧密。世界万事万物都处于不断的发展运动之中，而能量是物质运动转换的测度（简称“能”），用以表征物理系统做功的本领。物质的运动形式不同，能量的形式也随之不同，它们可以通过一定的方式互相转换。物质是信息的源泉，任何信息运动的过程都离不开物质的运动过程。信息又与能量密不可分，信息的获取和传递离不开能量，能量的产生与转换也离不开信息。而且，信息、物质、能量三者之间可以相互转化。信息虽然既不是物质也不是能量，但在一定条件下，信息可以转化成物质和能量。因此，从这个意义上说，能量在任何社会都是不容忽视、不可或缺的基本资源，在目前的工业 4.0 时代，也不例外。在气候变暖、环境恶化和自然资源枯竭的危机不断加剧的今天，能源相关问题的重要性，无论是对于全球还是对于我国这样的发展中大国来说都是不言而喻的。寻求环境友好、可持续发展的能源解决方案一直是科学界和工程界不懈追求的目标之一。从物理学意义上来讲，能源的能量平衡是与热力学本质上联系在一起的。讨论能量问题，自然离不开其产生、转换、储存、节能与耦联等一系列问题。然而，目前国内外就上述问题系统、全面地专门著述的图书尚不多见。由国际知名的能源工程专家、美国内布拉斯加大学林肯分校（University of NebraskaLincoln）教授 Yaar Demirel 博士撰写并由全球著名科技出版商德国施普林格（Springer）集团出版的 Energy：Production，Conversion，Storage，Conservation，and Coupling 一书，是本领域难得的一本综合性专著。本书可用作能源类专业本科生、研究生课程和相关培训的教材，也可作为能源发电、动力工程、工程热物理、电力工程、可再生能源以及相关行业的工程人员、研究人员和管理人员的参考资料。以“为中华崛起传播智慧”为使命的机械工业出版社适时引进了本书的中文版权，并邀请我担纲本书主译，作为同样以传播知识为使命的科教工作者，我很愉快地接受了邀请。我们有理由相信，本书中译本的出版，必将有力地推动我国能源相关领域的教学和科研水平的提升。本书以能量平衡和热力学的内在联系为主线，采用循序渐进、图文并茂的方式，分 10 章全面、系统地阐述了在重要的物理、化学和生物过程中的能量产生、转换、储存、节能和耦联等诸多问题。全书首先介绍了能量的基本术语、性质、形式、来源和平衡等若干基本概念，随后逐章重点阐述了能源类型、机械能和电能、内能与焓、能量平衡、能量产生、能量转换、能量储存、节能和生物系统中的能量耦联等问题。全书每章都包含一系列支撑数据和热力学图表，并提供了130 道全解例题和 642 道习题。最后还在附录部分提供了包括蒸汽表在内的所有必要的数据，方便读者使用。需要说明的是，为了便于读者查询数据，原书附录全部以电子版形式放在机械工业出版社官网 上，搜索本书，在本书页面中单击“相关下载”即可下载，书中则不再出现附录。本书由闫怀志担任主译，在翻译过程中，牟启希、卢道英、闫振民、黄凯、顾帆、姚峰、成亮、赵茂祥、郝鹏飞、王冬、王维、李娟、宋杰、张小坤、杜智聪、高能、冯金生、秦暕和夏映辉等人分别参与了资料调研、图表绘制、文字校对和名词审核等部分工作，在此一并致谢！在本书的选题策划和编辑出版过程中，本人得到了机械工业出版社顾谦编辑的充分信任、大力支持和热情帮助，他的敬业态度和专业水准给译者留下了深刻印象。最后，本人要衷心感谢父母给予我的无限包容和作出的无私奉献，感谢小女给予我的热切期盼和带给我的无尽慰藉，感谢朋友们给予我的热情鼓励和真诚帮助。有了他们的理解和支持，本人才能以平和的内心，心无旁骛地做好自己想做的事。由于本书内容丰富，涉及专业领域众多，加之时间仓促和水平所限，翻译难免有不妥之处，还请广大读者批评指正。闫怀志bityhz001 2015 年初春于北京中关村能量产生、转换、储存、节能与耦联原 书 前 言 本书是旨在满足能源领域综合性需求的首次尝试。能源及其对日常生活影响的重要性不容置否，因此现在很多教育机构都会开设能源方面的主修或者辅修课程。本书是为背景各异而且有兴趣学习更多的能源知识并攻读该方向学位的学生准备的。虽然，本书是通过能量平衡与热力学自然地联系在一起的，但它涵盖了涉及速率和传输过程的系统中有关能源的许多问题。本书以由浅入深的方式循序渐进地分章介绍了有关能源的五大方面，主要内容涉及能量产生、转换、储存、节能与耦联等方面。在讨论这些内容之前，本书首先在第 1 章给出了绪论和基本概念 在第 2 章讨论了一次能源和二次能源类型 第 3 章论述了机械能和电能 第 4 章讨论了内能、焓、反应热、传热 而第5 章则讨论了能量平衡 第 6 章论述了主要是通过循环过程的能量生产 第 7 章以热效率为重点讨论了能量转换问题 第 8 章讨论了包括通过显热、潜热实现储热在内的储能技术 第 9 章论述了节能 第 10 章则是简述了生物系统中的能量耦联问题。全书各章共给出了 130 道全解例题，各章后总共列出了 642 道习题。这些例题和习题为读者提供了一个深入了解能量概念和各方面知识的机会。我要感谢帮助我准备、撰写以及改进本书的所有人。我要特别感谢 BradHailey 和 Nghi Nguyen 在准备图表、检查问题以及反复审读文字方面给我的帮助。显而易见，本书将会得益于学生和同事的建议而使得重印本不断成熟与完善。我特别期盼本书的使用者与我联系，为未来可能的再版提供宝贵的修订建议和意见。林肯，内布拉斯加州Yaar Demirelydemirel2 unl.edu缩略语 ATP 三磷酸腺苷ADP 二磷酸腺苷ASHRAE 美国供暖、制冷和空调工程师协会AUFE 年度燃料利用效率CAES 压缩空气储能COP 性能系数DOE 美国能源部EER 能量效率比EIA 能量信息管理EPA 美国环境保护署ETB 工程工具箱HP 热泵HVAC 暖通空调NREL 美国国家可再生能源实验室PCM 相变材料SEER 季节性能量效率比目录译者序原书前言缩略语第 1 章 绪论：基本定义1 1.1 系统1 1.2 物理性质与变量2 1.3 量纲与单位2 1.4 数量与分数的度量4 1.5 力5 1.6 温度6 1.7 压强7 1.8 体积10 1.9 状态12 1.9.1 热力学平衡状态12 1.9.2 理想气体状态方程12 1.9.3 饱和液态与饱和汽态13 1.9.4 蒸汽表13 1.9.5 饱和液-汽混合物16 1.9.6 分压强与饱和压强17 1.10 过程18 习题19 参考文献24第 2 章 能量与能源类型25 2.1 能量25 2.2 能源类型26 2.2.1 一次能源26 2.2.2 二次能源28 2.3 不可再生能源28 2.3.1 煤28 2.3.2 石油（原油）29 2.3.3 石油馏分30 2.3.4 天然气32 2.3.5 核能33 2.4 燃料的热值34 2.4.1 能量密度36 2.5 可再生能源40 2.5.1 水能41 2.5.2 太阳能42 2.5.3 生物质与生物质能44 2.5.4 风能51 2.5.5 地热能52 2.5.6 海洋能53 2.5.7 可再生能源贡献的预测53 2.6 氢53 2.7 电能54 2.8 磁能56 2.9 化学能56 2.10 能量与全球变暖57 2.11 应对全球变暖问题59 习题61 参考文献64第 3 章 机械能与电能66 3.1 机械能66 3.2 动能66 3.3 势能68 3.4 压力能69 3.4.1 压头70 3.5 表面能72 3.6 声能72 3.7 机械功72 3.7.1 功率73 3.7.2 边界功74 3.7.3 等熵过程功76 3.7.4 多变过程功77 3.7.5 轴功78 3.7.6 弹簧功79 3.8 电能80能量产生、转换、储存、节能与耦联 3.8.1 电势能80 3.8.2 电能的估算81 3.8.3 电功率81 3.8.4 电容82 3.9 其他形式的功83 习题83 参考文献88第 4 章 内能与焓89 4.1 内能89 4.2 焓91 4.3 热量95 4.3.1 显热96 4.3.2 潜热97 4.3.3 发生相变的加热过程98 4.3.4 反应热101 4.3.5 标准燃烧热104 4.4 温度对反应热的影响105 4.5 标准焓变107 4.6 绝热火焰温度108 4.7 来自燃烧过程的空气污染109 4.8 混合热110 4.9 使用量热计进行热量测量111 4.10 焓湿图113 4.11 热传递115 4.12 熵118 4.13 火用119 4.14 流体流动功120 习题121 参考文献128第 5 章 能量平衡129 5.1 平衡方程129 5.2 质量平衡130 5.3 能量平衡131 5.3.1 非稳态流动系统132 5.3.2 稳态流动系统132 5.4 熵平衡134目 录 5.5 火用平衡135 5.6 流体流动过程137 5.6.1 汽轮机、压缩机与泵137 5.6.2 喷管和扩散器139 5.6.3 混合室140 5.6.4 节流阀141 5.6.5 热交换器143 5.6.6 管道和风道流动145 5.7 循环过程中的能量平衡145 习题146 参考文献152第 6 章 能量生产153 6.1 能量生产简介153 6.2 电力生产153 6.3 能量传输156 6.3.1 分布式能源157 6.4 热机循环发电157 6.4.1 卡诺循环160 6.4.2 朗肯循环161 6.4.3 布雷顿循环164 6.4.4 斯特林热机165 6.4.5 混合加热循环165 6.5 蒸汽发电厂的发电改进165 6.5.1 改进冷凝器和锅炉的工作条件166 6.5.2 再热蒸汽166 6.5.3 能量再生168 6.5.4 再热-回热朗肯循环170 6.6 地热发电站171 6.7 热电联产173 6.8 核电站176 6.9 水电站177 6.10 风电场178 6.11 太阳能发电站180 6.12 氢气生产182 6.13 燃料电池183 6.13.1 直接甲醇燃料电池185 6.13.2 微生物燃料电池185能量产生、转换、储存、节能与耦联 6.14 生物质与生物能源生产186 6.14.1 生物乙醇生产187 6.14.2 生物柴油与绿色柴油生产188 6.14.3 来自生活垃圾的能源189 6.15 其他发电方式189 6.16 平准化能源成本190 6.17 热力成本191 6.18 生态成本192 6.18.1 生态规划192 6.18.2 燃煤发电厂193 6.18.3 核电站193 习题193 参考文献197第 7 章 能量转换199 7.1 能量转换简介199 7.2 系列能量转换201 7.3 燃料的化学能转换成热能201 7.3.1 燃料的热值201 7.4 能量转换的热效率203 7.5 理想流体流动的能量转换204 7.6 损失功207 7.7 机械转换的效率209 7.8 通过热机实现的热能转换212 7.8.1 空气标准假设215 7.8.2 理想气体的等熵过程215 7.8.3 通过发电机转换的机械能216 7.8.4 卡诺热机效率217 7.8.5 内可逆热机效率219 7.8.6 朗肯热机效率219 7.8.7 布雷顿热机效率223 7.8.8 奥托热机效率229 7.8.9 狄塞尔热机效率234 7.8.10 埃里克森热机和斯特灵热机的效率237 7.8.11 阿特金森热机效率238 7.9 热机的效率改进239 7.10 水电239 7.11 风电241目 录 7.12 地热发电242 7.13 海洋热能转换242 7.14 热电效应243 7.15 热泵和制冷机的效率243 7.15.1 热泵244 7.15.2 制冷机246 7.16 燃料电池的效率249 7.17 生物系统中的能量转换250 7.17.1 通过氧化磷酸化实现的能量转换251 7.17.2 来自光合作用的能量251 7.17.3 代谢251 7.17.4 生物燃料251 7.17.5 将生物质转化为生物燃料252 习题253 参考文献262第 8 章 能量储存264 8.1 能量储存与调节264 8.1.1 水264 8.1.2 氢气265 8.2 能量储存的类型265 8.3 热能储存266 8.3.1 太阳能储存268 8.3.2 显热储存269 8.3.3 使用相变材料储存潜热270 8.3.4 蓄冰储能274 8.3.5 熔盐技术274 8.3.6 季节性热能储存274 8.3.7 用于温室供暖的季节性太阳能热能储存275 8.3.8 地下热能储存系统278 8.3.9 地下含水层热能储存279 8.3.10 地埋管热能储存280 8.4 电能储存280 8.4.1 水电能储存282 8.4.2 电池中的电能储存282 8.4.3 用于电动小汽车的可充电电池284 8.5 化学能储存285 8.5.1 生物能源285能量产生、转换、储存、节能与耦联 8.5.2 生物燃料储能286 8.5.3 伏特电池中的能量储存287 8.6 机械能储存288 8.6.1 压缩空气储能288 8.6.2 飞轮储能290 8.6.3 液压蓄能器290 8.6.4 弹簧291 习题291 参考文献294第 9 章 节能296 9.1 节能与回收296 9.2 工业过程中的节能296 9.2.1 发电过程中的节能297 9.2.2 压缩做功和膨胀做功中的节能306 9.2.3 使用高效率电动机实现节能310 9.3 家庭供暖和降温的节能311 9.3.1 使用化石燃料为家庭供暖312 9.3.2 使用电阻的家庭供暖313 9.3.3 使用太阳能系统的家庭供暖313 9.4 能量效率标准315 9.4.1 空调的效率317 9.4.2 最大可能的冷却效率318 9.4.3 燃料效率320 9.4.4 车辆的燃料效率323 9.4.5 汽车行驶的节能325 9.4.6 再生制动326 9.5 电力配送和智能电网中的节能326 9.5.1 待机功率327 9.5.2 照明中的节能327 9.5.3 能源采集328 9.6 节能和可持续性328 9.7 火用节约和火用329 9.8 使用夹点分析实现公用工程的能量回收329 9.8.1 组合曲线330 习题334 参考文献342目 录第 10 章 能量耦联344 10.1 能量耦联与吉布斯自由能344 10.2 生命系统中的能量耦联345 10.3 生物能量学345 10.3.1 线粒体346 10.3.2 电子传递链与 ATP 合成347 10.3.3 主动转运347 10.4 能量耦联的简单分析348 10.5 能量耦联变化350 10.5.1 能量耦联的调节351 10.5.2 解耦联353 10.5.3 滑动和泄漏353 10.6 代谢353 10.6.1 分解代谢353 10.6.2 合成代谢354 10.7 生物能源354 习题358 参考文献359能量产生、转换、储存、节能与耦联第 1 章绪论：基本定义1.1 系统系统是空间中选择用于研究的一组物质或者带有边界的一个区域，如图 1.1a所示。边界是指将系统从其外界中隔离出来的一种表面。在简单系统中，没有电、磁、重力、运动以及表面张力效应。这些效应是由于外力场而形成的，而且对于大多数工程问题来说可以忽略不计。如图 1.1b 所示，边界可以是固定的或者是移动的。系统的边界之外就构成了系统的外界。环境是指其性质在任意点均不受过程影响的那些直接外界以外的区域。控制体积是空间中的任意区域，质量和能量可以穿越其边界，如图 1.1c 所示。控制体积可以涉及与其外界相互作用的热、功以及物质流。下面给出各种不同类型系统的简要定义：开口系统是空间中的任意区域，质量和能量能够通过该区域穿越边界，如图 1.1c 所示。闭口系统包括固定数量的物质，而且物质不可以通过其边界，但是能量可以以热或者功的形式穿越边界，如图 1.1d 所示。独立系统与它们的外界不进行质量和能量交换。绝热系统与它们的外界不进行热交换。在等温条件下，系统在系统边界之内各处均具有同一温度。等压系统在系统边界之内各处均具有同一压强。等容系统在系统边界之内具有恒定的容积。稳态系统具有独立于时间的性质，例如，系统的能量值并不随时间改变。图 1.1 a）边界将系统与其外界分开 b）一个带有移动边界和固定边界的闭口系统c）一个带有控制体积的开口系统，一个开口系统能够与其外界交换质量和能量d）一个闭口系统并不与其外界进行物质交换，但能够进行能量交换1.2 物理性质与变量物理性质是一个系统的可观测的特征，比如温度或压强。两种常用的物理性质为状态性质与路径变量。状态性质的值取决于系统的状态，温度、压强与体积就是状态性质的实例。另一方面，路径变量的变化取决于一个系统从一种状态改变到另一种状态所采取的路径。例如，功与热均为路径变量，而且是在系统通过特定的路径实现状态改变的时候发生的。因此，在一个过程中，从状态 1 变化到状态 2，先进行等热变化再进行等容变化与先进行等容变化再进行等热变化，这两种情况下的热变化是不同的。广义物理性质，比如说体积，取决于系统的规模。如果系统包含几个部分，系统的体积为其各部分体积之和，因此广义物理性质是附加的。狭义物理性质并不取决于系统的规模。狭义物理性质的一些例子是温度、压强以及密度（比体积）。对于一个均匀系统，狭义物理性质可以通过将广义物理性质划分为系统的总数量（例如，比体积 m3/kg 或摩尔容积 m3/mol）计算而得。1.3 量纲与单位量纲是度量（比如，质量、长度、温度与时间等）的基本概念。单位是量 1 英尺（ft）=0.3048m。译者注 1atm=101.325kPa。译者注纲表示的方法，比如，长度采用英尺或米作为单位。能量可以采用几种不同的单位来表示。科学和工程数量表示是基于“国际单位制”的，“国际单位制”通常缩写为 SI 单位制，这种单位制从 1960 年开始采用1。表 1.1 为六种基本物理量：长度、质量、时间、电流、温度与发光强度。另一方面，美国工程系统单位（美制）使用英制系统单位：长度单位为英尺（ft），质量单位为磅（lbm），温度单位为华氏度（F）。目前，被广泛接受的能量测量单位为国际单位制单位：焦耳（J）。其他的一些能量单位有千瓦时（kWh）与英制热力单位（Btu）。1kWh 精确地等于 3.6 106J，而 1Btu 则大致相当于 1055J。坎德拉（cd）为一个黑体在 1atm和凝固铂温度下的表面发光强度。表 1.2 为不同的质量与长度单位。2能量产生、转换、储存、节能与耦联表 1.1 基本物理量及其单位物 理 量物理量符号单位名称和符号长度l米（m），英尺（ft）质量m千克（kg），磅（lb）时间t秒（s）电流I安（A）温度T开（K），兰肯（R）发光强度I坎（cd）表 1.2 质量与长度单位及其定义单 位符 号单 位 换 算千克kg1000g=2.204lb=32.17oz盎司oz28.35g=6.25 10-2lb磅lb0.453kg=453g=16oz长吨，英制吨ton2240lb=1016.046kg短吨，美制吨sh ton2000lb=907.184kg吨t1000kg埃1 10-10m=0.1nm英尺ft1/3yd=0.3048m=12in英寸in1/36yd=1/12ft=0.0254m微米m1 10-6m英里mile5280ft=1760yd=1609.344m码yd0.9144m=3ft=36in基本物理量可以用于导出其他物理量和变量，这些量称为导出单位，比如面积、体积、密度、压强、力、速度、加速度、能量以及功率等。例如，速度为长度/时间：l/t，加速度为 l/t2，力为 ml/t2。表 1.3 为根据基本物理量导出的一些变量，而表 1.4 为使用国际单位很小和很大量级的前缀。表 1.3 一些导出度量物理量和变量物 理 量物理量符号单 位 符 号面积Am2，ft2体积Vm3，ft3密度kg/m3，lb/ft3压强P帕（Pa），psi3第 1 章 绪论：基本定义（续）物 理 量物理量符号单 位 符 号速度vm/s，ft/s加速度am/s2，ft/s2体积流量Qm3/s，ft3/s质量流量mkg/s，lb/s质量通量mkg/m2s，lb/ft2s力F牛（N），kg m/s2能量E焦（J），Btu（1055.05J）功率P瓦（W），（W=J/s），Btu/s能量通量EJ/m2s，Btu/ft2s电势差伏（V）电阻R欧（X）电荷C库（C）频率f赫（Hz）电通量eC/m2表 1.4 国际单位制的词头词 头词 头 符 号所表示的因数示 例拍 它P1015拍米，Pm=1015m太 拉T1012太字节，TB=1012B吉 咖G109吉焦，GJ=109J兆M106兆瓦，MW=106W千k103千焦，kJ=103J百h102百米，hm=102m十da101十升，daL=101L分d10-1分升，dL=10-1L厘c10-2厘米，cm=10-2m毫m10-3毫克，mg=10-3g微10-6微伏，V=10-6V纳n10-9纳米，nm=10-9m皮p10-12皮米，pm=10-12m飞f10-15飞米，fm=10-15m1.4 数量与分数的度量常用的数量度量为质量 m、摩尔数 n 与总体积 V。两个常用的分数为质量分4能量产生、转换、储存、节能与耦联数和摩尔分数。摩尔数 n 为一种物质的质量 m 与其分子量 MW 之比，计算式如下：n=mMW（1.1）质量分数为混合物或溶液中某种物质的质量与混合物或溶液中所有物质的总质量之比。一种物质 i 的质量分数 wi计算式如下：wi=mimtotal（1.2）摩尔分数 x 为一种混合物或溶液中的某种物质 i 的摩尔数与混合物或溶液中总摩尔数之比。一种物质 i 的摩尔分数 xi计算式如下：xi=nintotal（1.3）例如，假设空气中氮气的摩尔分数为 79%，氧气的摩尔分数为 21%，那么，氮气与氧气的质量分数分别为 76.83%和 23.17%。其中，氮气的分子量为28.2g/gmol，而氧气的分子量则为 32g/gmol。1.5 力根据牛顿第二定律，力 F 被定义为质量 m 与加速度 a 之积，可以表示为F=ma（1.4）力的国际单位制单位为牛顿，其定义为（1kg）（m/s2）。1N 力作用于 1kg的质量上可以实现的加速度为 1m/s2。在英制工程系统中，力的单位为磅力（1bf），它能够将 1lb 的质量加速至32.174ft/s2。为了实现单位的一致性，1lbf 可以表示为F=1gcma=1gclb 32.174fts2（1.5）式中 gc 比例常数：gc=32.174lb ft1bf s2磅力和磅质量是不同的数量概念。如果一个方程同时包含磅力和磅质量，对于方程来说，有必要使用比例常数来得到正确的量纲。重量为地球引力作用于一个物体上的力，可以用牛或磅力来表示。由于重力加速度为 g=9.8m/s2，采用国际单位制的重量可以估算为F=mg（1.6）在英制工程系统中，重量可以表示为5第 1 章 绪论：基本定义F=mggc（1.7）因为在不同的海拔重力不同，重量是海拔的函数。因此，质量相同的一个物体，其重量将随海拔的不同而不同。1.6 温度温度是一个表征常见的冷、热概念的物理性质。感觉更热的东西通常其温度也较高。热量从温度较高的物体流向温度较低的物体。如果两个物体之间没有发生净热流动，那么它们具有相同的温度。统计物理将物体描述为大量颗粒的一种集合，并将温度定义为物质中微粒每个自由度的平均能量的一种度量。对于固体来说，这种能量主要体现在它的原子振动上。在理想的单原子气体中，能量体现为导致微粒位置变化的平移运动 对于分子气体来说，振动和旋转运动也提供了热力学自由度。温度可以使用温度计来测量，温度计可以标定为如图 1.2a 所示的多种温标。常用的温标如下：在摄氏温标中，水的凝点为 0C，沸点为 100C（在标准大气压下）。国际单位制中使用摄氏温标，且以 A.Celcius 命名。在华氏温标中，水的凝点为32F，沸点为212F（在标准大气压下）。英制工程单位中使用华氏温标，且以 D.G.Fahrenheit 命名。热力学温标独立于物质物理性质，被称为开尔文温标或兰氏温标。采用这种温标的温度被称为绝对温度。开尔文温标为国际单位制中使用的热力学温标。开尔文温标体系中的最低温度为-273.15C，如图 1.2b 所示。开尔文温标与摄氏温标的换算关系为1K=1C。开尔文温标以 Lord Kelvin 命名。兰氏温标为英制工程单位制中使用的热力学温标。兰氏温标体系中的最低温度为-459.67F。兰氏温标与华氏度温标具有相同的分度间隔：1R=1F。兰氏温标以 W.Rankine 命名。表 1.5 总结了各种温标的单位、定义及其相互换算关系。表 1.5 温标单位、定义及其换算关系单 位符 号定 义换 算 关 系式摄氏度CC=K-273.15C=（F-32）/1.8（1.8）华氏度FF=R-459.67F=C 1.8+32（1.9）兰氏度RR=F+459.67R=K 1.8（1.10）热力学温度KK=C+273.15K=R/1.8（1.11）6能量产生、转换、储存、节能与耦联图 1.2 a）不同温标的比较 b）通过在一个定容气体温度计中使用三种不同的气体，显示压强随温度变化的所有直线，在对低压处的测量值进行外推之后将在温度轴的-273.15C处相交。这是不考虑气体的性质而能够得到的最低温度。因此，绝对气体温标（称为开尔文温标），可以通过将 0K 值分配给这个最低温度-273.15C而得到例 1.1 温度单位换算1）将 27C换算为F、K 以及R。2）采用 K 来表示 25C的温度变化，采用R 来表示 70F的温度变化。解：1）T（K）=T（C）+273.15C=27C+273.15C=300.15KT（F）=1.8T（C）+32=（1.8）（27）F+32F=80.6FT（R）=T（F）+460F=80.6F+460F=540.6R2）采用 K 来表示 25C的温度变化：T（K）=T（C）=25K，因为开尔文温标与摄氏温标是等同的。采用R 来表示 70F的温度变化：T（R）=T（F）=70R，因为兰氏温标与华氏温标是等同的。1.7 压强压强 P 为作用于垂直于物体表面方向的每单位截面积上的力。压强的计算式如下：P=FA（1.12）式中，F 为力的垂直（正交）分量 A 为截面积。国际单位制中压强的单位为帕斯卡（Pa，帕），其定义为 1Pa=1N/m2=（1kg m/s2）/m2。两个常用的压强单位为：磅力/平方英寸，缩写为“psi”大气压，缩写为“atm”。两者的关系为 1atm=14.659psi。大气压是变量，而标准大7第 1 章 绪论：基本定义气压则是在一个标准重力场中的压强且等于 1atm、101.32kPa 或者是 14.69psi。压强可以通过压力计来测量。图 1.3a 所示为一个基本压力计。大气压可以通过如图 1.3b 所示的气压计来测量。图 1.3b 中汞的静态体积底部的压强为P=gz+Po（1.13）式中，P 为汞液底部的压强 为汞液的密度 g 为重力加速度 z 为汞柱高度Po为汞的静态体积柱顶部的压强。图 1.3 a）基本压力计：P=gz+Po b）用于测量大气压的基本气压计。管道的长度或截面积对气压计中的流体高度无影响 通过测量装置，可以实现相对压强或者绝对压强的测量。表压强 psig 是指相对于本地大气压或环境压强的压强。表压强通过如图 1.3a 所示的开放式压力计来测量。如果将压力计的开放端封闭起来，那么就在该端创建了真空，从而可以测得绝对压强 psia。例如，标准大气压为绝对压强。绝对压强和相对压强之间的关系为绝对压强=表压强+大气压（1.14）在日常使用中，压强往往被称为工程大气压，单位为 kgf/cm2（作用于每平方厘米上的千克力），1kgf/cm2=9.8 104Pa。表 1.6 为一些常用压强单位之间的换算因数。表 1.6 压强换算因数2kPabaratmmmHgpsikPa110-29.869 10-37.50145.04 10-3bar10010.987750.0614.503atm101.321.013176014.696mmHg0.1331.333 10-31.316 10-3119.337 10-3psi6.894 10368.948 10-368.046 10-351.7151注：1Pa=1N/m2=10-5bar=10.197 10-6at=9.8692 10-6atm=7.5006 10-3torr=145.04 10-6psi。8能量产生、转换、储存、节能与耦联例 1.2 压强计算考虑一个汞柱 Hg，它的面积为 1cm2，高度为 20cm。汞柱顶部对大气开放。汞的密度在 20C时为 13.55g/cm3。请估算汞柱施加在密封板上的压强。解：数据：A=1cm2 z=20cm g=980cm/s2 =13.55g/cm3（20 C 时），Po=101.32kPa。P=gz+Po=13.55gcm3980cms2（20cm）kg1000gNs2kgm100cm1mm2PaNkPa1000Pa+101.32kPa=26.56kPa+101.32kPa=127.88kPaP=127.88kPa使用英制工程单位，可以得到汞的密度为=13.55gcm362.4lbmft3=845lbm/ft3使用英制单位，压强变为P=gz+Po=845.5lbmft332.2fts2（20cm）in.2.54cmft.12in.s2lbr32.174ftlbmft2144in2+14.69psi=3.85psi+14.69psi=18.54psiP=18.54psi在实践中，一个液柱的高度被称为液柱头（液柱压强）。因此，汞柱压强可以表示为20cm Hg，而底部密封板上的压强则变为20cm Hg+76cm Hg（1atm）=96cm Hg。例 1.3 压强换算将压强 10GPa 换算成psia atm 和bar。解：10GPa1109PaGPa14.69psia101.32 103Pa=1.45 106psia10GPa1109PaGPaatm101.32 103Pa=0.098 106atm10GPa1109PaGPabar100.0 103Pa=0.1 106atm例 1.4 绝对压强估算一个与处于真空条件下的腔室相连的压力表读数为 7.6psig。当地大气压为9第 1 章 绪论：基本定义14.3psi 时，请估算腔室内的绝对压强。解：绝对压强显示的是给定点的实际压强。低于大气压的压强称为真空压强，而压力表显示的是大气压与绝对压强之间的压差。Pgauge=Pabs-Patm（适用于压强高于大气压的情况）Pgauge=Pvacuum=Patm-Pabs（适用于压强低于大气压的情况）Pabs=Patm-Pgauge=14.3psi-7.6psig=6.7psia1.8 体积体积是指占有或包含一种物质的三维空间的大小。物质可以是一种或多种固体、液体、气体或者是等离子态。体积的单位取决于长度的单位。如果长度的单位为米，那么体积的单位则为立方米（m3）如果长度的单位为英尺，那么体积的单位则为立方英尺（ft3）。表 1.7 为体积的常用单位及其定义。表 1.8 为各种不同的体积单位之间的换算因数。与体积相关的衍生物理性质如下：表 1.7 体积单位及其定义1，4单 位 名 称符 号定 义桶（英制）bl（Imp）36gal（Imp）=0.163m3桶bl bbl42US gal=0.158m3立方英尺cu ft0.028m3立方英寸cu in16.387 10-6m3立方米m31m3=1000l立方码cu yd27cu ft=0.764m3加仑（美制）US gal3.785 10-3m3=3.785L美制液量盎司US fl oz1/128US gal=29.573 10-6m3品脱US dry pt1/8US dry gal=550.610 10-6m3夸脱US qt1/4US dry gal=1.101 10-3m3升L1000cm3=10-3m3表 1.8 体积换算因数2in3ft3US galLm3in315.787 10-44.329 10-31.639 10-21.639 10-5ft31.728 10317.48128.322.832 10-2US gal2310.13313.7853.785 10-3L61.033.531 10-20.26411.000 10-3m36.102 10435.31264.2