工程计量单位

蒸汽与冷凝水循环中使用的计量单位概述，包括温度、压力、密度、体积、热量、功和能量。

在整个工程行业中，针对机械和热性能提出了许多不同的定义和单位。

由此引发的问题推动了商定的国际单位制（即SI单位：Système International d’Unités）的发展。在SI单位制中，有七个明确定义的基本单位，其他性能的单位可以由此推导，这些将在本出版物中使用。

SI基本单位包括长度（米）、质量（千克）、时间（秒）和温度（开尔文）。前三个应该不需要进一步解释，而后者将在后面更详细地讨论。

其他SI基本单位是电流（安培）、物质量（摩尔）和发光强度（坎德拉）。这些对于具有电子学、化学和物理学背景的读者可能比较熟悉，但与蒸汽工程或《蒸汽与冷凝水循环》的内容关系不大。

表2.1.1显示了与本主题相关的导出单位，所有这些单位对于具有任何通用工程背景的人来说都应该是熟悉的。这些量都以科学和工程发展中著名的先驱者命名。

表2.1.1 SI导出单位中的命名量

还有许多其他从SI基本单位推导出来的量，这些量对从事蒸汽工程的任何人也很重要。这些在表2.1.2中提供。

表2.1.2 SI导出单位中的其他量

倍数和分数

表2.1.3给出了用于形成SI单位的十进制倍数和分数的SI前缀。它们允许避免非常大或非常小的数值。前缀直接附加到单位名称上，前缀符号直接附加到单位符号上。

总结：一千米可以表示为1 km、1 000 m或10³ m。

表2.1.3 与SI单位一起使用的倍数和分数

蒸汽流量测量应用中使用的特殊缩写

由于历史原因，国际标准ISO 5167（取代BS 1042）涉及流量测量，使用表2.1.4中的以下缩写。

表2.1.4 流量测量应用中使用的符号

STP - 标准温度和压力

这些是物质性能测量的标准条件。标准温度是纯水的冰点，0 °C或273.16 °K。标准压力是760 mm高的水银柱（符号Hg）产生的压力，通常标示为760 mm Hg。此压力也称为一个大气压，等于1.01325 x 106达因每平方厘米，或约14.7磅每平方英寸。气体的密度（单位体积的质量）通常以其在STP下的值报告。无法在STP下测量的性能在其他条件下测量；获得的值然后通过数学外推至其STP下的值。

符号

表2.1.5显示了《蒸汽与冷凝水循环》中使用的符号和典型单位。

表2.1.5 《蒸汽与冷凝水循环》中使用的符号和计量单位

性能使用的下标

使用焓、熵和内能时，使用如下所示的下标来标识相态，例如：

• 下标 f = 流体或液态，例如 hf：液体焓
• 下标 fg = 从液态到气态的相变，例如 hfg：蒸发焓
• 下标 g = 总量，例如 hg：总焓 注意，按照惯例，过热蒸汽的总热量用 h 表示。 按照惯例，样品量通常用大写字母表示，而单位量用小写字母表示。 例如： 过热蒸汽样品中的总焓 H kJ 过热蒸汽的比焓 h kJ/kg

温度

温度标度用作热平衡的指标，在这个意义上，任何两个相互接触且具有相同值的系统处于热平衡状态。 摄氏温标（°C） 这是工程师最常用的温标，因为它有一个方便的（但任意的）零温度，对应于水结冰的温度。 绝对温标或K（开尔文）温标 该温标与摄氏温标具有相同的增量，但其零点对应于所有分子和原子运动停止时的最低可能温度。此温度通常称为绝对零度（0 K），相当于-273.16 °C。

两种温度标度可以互换，如图2.1.1所示并由公式2.1.1表达。

温度的SI单位是开尔文，定义为纯水在其三重点（0.01 °C）时热力学温度的1 ÷ 273.16。三重点的解释在模块2.2中给出。 大多数热力学方程要求温度以开尔文表示。然而，在许多传热计算中使用的温度差可以用°C或K表示。由于两种温标具有相同的增量，1°C的温差与1K的温差具有相同的值。

压力

压力的SI单位是帕斯卡（Pa），定义为每平方米1牛顿力（1 N/m²）。

由于Pa是一个很小的单位，kPa（1千牛顿/m²）或MPa（1兆牛顿/m²）在蒸汽工程中通常更适用。 然而，在蒸汽工程中压力测量最常用的公制单位可能是bar。它等于105N/m²，近似于1个大气压。本出版物中使用此单位。 其他常用单位包括lb/in²（psi）、kg/cm²、atm、in H2O和mm Hg。换算系数可从许多来源轻松获得。

绝对压力（bar a） 这是从完美真空基准测量的压力，即完美真空的压力为0 bar a。 表压（bar g） 这是从大气压力基准测量的压力。虽然实际上大气压力取决于气候和海拔高度，但通常使用公认值1.013 25 bar a（1 atm）。这是地球大气中空气在海平面施加的平均压力。 表压 = 绝对压力 - 大气压力 高于大气压的压力将始终产生正的表压。相反，真空或负压是低于大气压的压力。-1 bar g的压力接近于完美真空。 压差 这只是两个压力之间的差值。当指定压差时，不需要使用后缀’g’或’a’分别表示表压或绝对压力，因为压力基准点变得无关紧要。 因此，两个压力之间的差值在表压或绝对压力下测量将具有相同的值，只要两个压力从相同的基准测量。 密度和比容 物质的密度（ρ）可定义为其质量（m）除以体积（V）。比容（vg）是单位质量的体积，因此是密度的倒数。实际上，“比”一词通常用于表示物质单位质量的性质（见公式2.1.2）。

密度（ρ）的SI单位是kg/m³，相反，比容（vg）的单位是m³/kg。

另一个用作密度度量的术语是比重。它是物质密度（ρs）与标准温度和压力（STP）下纯水密度（ρw）的比值。 此参考条件通常定义为大气压力和0°C。有时说是在20°C或25°C，并称为正常温度和压力（NTP）。

在这些条件下水的密度约为1 000 kg/m³。因此密度大于此值的物质将具有大于1的比重，而密度小于此值的物质将具有小于1的比重。

由于比重是两个密度的比值，它是一个无量纲变量，没有单位。因此在这种情况下，“比”一词并不表示它是物质单位质量的性质。比重有时也被称为物质的相对密度。 热量、功和能量 能量有时被描述为做功的能力。通过机械运动传递能量称为功。功和能量的SI单位是焦耳，定义为1 N m。 完成的机械功量可以由牛顿力学推导的公式确定： 功 = 力 x 位移 也可以描述为施加压力与排开体积的乘积： 功 = 施加压力 x 排开体积 示例2.1.1 施加1 Pa（或1 N/m²）的压力排开1 m³的体积。做了多少功？ 做功 = 1 N/m² x 1 m³ = 1 N m（或1 J） 使用SI单位的好处（如上述示例）是方程中的单位实际上相互消去，得到乘积的单位。 J. P. Joule的实验观察确定了机械能（或功）和热量之间存在等效关系。他发现，在特定质量的水中产生相同的温升需要相同的能量，无论能量是以热量还是功的形式提供。 系统的总能量由内能、势能和动能组成。物质的温度与其内能（ug）直接相关。内能与物质内部分子的运动、相互作用和键合有关。物质的外部能量与其速度和位置有关，是其势能和动能之和。 仅由温差引起的能量传递称为热流。瓦特是功率的SI单位，可定义为1 J/s的热流。 其他用于量化热能的单位包括英热单位（Btu：将1磅水升高1 °F所需的热量）和千卡（将1 kg水升高1 °C所需的热量）。 换算系数可从众多来源轻松获得。 比焓 这是给定时间和条件下流体（如水或蒸汽）由于压力和温度共同作用而具有的总能量的术语。更具体地说，它是内能和施加压力所做的功之和（如示例2.1.1）。 基本计量单位是焦耳（J）。由于一焦耳代表非常小的能量，通常使用千焦耳（kJ = 1 000焦耳）。 比焓是单位质量总能量的度量，其单位通常为kJ/kg。 比热容 流体的焓是其温度和压力的函数。焓对温度的依赖性可以通过测量恒压下热流引起的温升来确定。恒压热容cp是在特定温度下焓变化的度量。 类似地，内能是温度和比容的函数。恒容热容cv是在特定温度和恒容下内能变化的度量。 由于固体和液体的比容通常较小，除非压力极高，否则施加压力所做的功可以忽略。因此，如果焓可以仅由内能分量表示，则可以说恒容热容和恒压热容相等。 因此，对于固体和液体：cP ≈ cv 固体和液体的另一个简化假设是它们是不可压缩的，因此其体积仅是温度的函数。这意味着对于不可压缩流体，焓和热容也仅是温度的函数。 比热容代表将1 kg升高1 °C所需的能量，可以看作是物质吸收热量的能力。因此比热容的SI单位是kJ/kg K（kJ/kg °C）。与许多流体相比，水具有较大的比热容（4.19 kJ/kg °C），这就是为什么水和蒸汽都被认为是良好的热量载体。 提升物质温度所需的热能量可从公式2.1.4确定。

该方程表明，对于给定质量的物质，温升与提供的热量成线性关系，假设在该温度范围内比热容是恒定的。 示例2.1.2 考虑体积为2升的水量，温度从20 °C提升到70 °C。 在大气压力下，水的密度约为1 000 kg/m³。由于1 m³中有1 000升，密度可以表示为每升1 kg（1 kg/l）。因此水的质量为2 kg。 水的比热容在低温范围内可取4.19 kJ/kg °C。 因此：Q =2 kg x 4.19 kJ/kg °C x (70 - 20) °C = 419 kJ 如果水随后冷却到原始温度20 °C，它也会在冷却应用中释放相同数量的能量。 熵（S） 熵是对系统内无序程度的度量。无序程度越大，熵越高。熵的SI单位是kJ/kg K（kJ/kg °C）。 在固体中，物质的分子以有序的结构排列。当物质从固体变为液体，或从液体变为气体时，分子的排列变得更加无序，因为它们开始更自由地移动。对于任何给定物质，气相中的熵大于液相中的熵，液相中的熵大于固相中的熵。 所有自然或自发过程的一个特征是它们趋向平衡状态。这可以在热力学第二定律中看到，该定律指出热量不能从较冷的物体传递到较热的物体。 系统熵的变化由其热含量的变化引起，其中熵变等于热量变化除以平均绝对温度，公式2.1.5。

当进行单位质量计算时，熵和焓的符号用小写表示，公式2.1.6。

为了进一步详细研究，考虑以下示例： 示例2.1.3 一个工艺在大气条件下将1 kg水从0提升到100°C（273到373 K）。 0°C时的比焓（hf）= 0 kJ/kg（来自蒸汽表） 100°C时水的比焓（hf）= 419 kJ/kg（来自蒸汽表） 计算比熵的变化 由于这是水的比熵变化，公式2.1.6中的符号’s’取下标’f’变为sf。

示例2.1.4 一个工艺在大气条件下将100°C（373 K）的1 kg水变为100°C（373 K）的饱和蒸汽。 计算蒸发比熵的变化 由于这是涉及相变的熵，公式2.1.6中的符号’s’取下标’fg’变为sfg。 蒸发比焓 100°C（373 K）蒸汽的（hfg）= 2 258 kJ/kg（来自蒸汽表） 蒸发比焓 100°C（373 K）水的（hfg）= 0 kJ/kg（来自蒸汽表）

从0 °C的水到100 °C的饱和蒸汽的比熵总变化是水的比熵变化加上蒸汽的比熵变化之和，取下标’g’变为比熵总变化sg。

因此

示例2.1.5 一个工艺将大气压下1 kg饱和蒸汽过热到150°C（423 K）。确定熵的变化。

由于饱和水的熵是以0.01 °C为基准测量的，0 °C水的熵在实际应用中可以取为零。本示例中的比熵总变化基于0 °C的初始水温，因此最终结果恰好与蒸汽表中在大气压和150 °C最终条件下观察到的蒸汽比熵非常相同。

熵在模块2.15”熵——基本理解”和模块2.16”熵——实际应用”中有更详细的讨论。