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湿空气学

國立台北科技大學

書報討論心得報告

報告題目:

濕空氣學

PSYCHROMETRICS

（2001ASHRAEHANDBOOK–FUNDAMENTALSCHAPTER6）

目錄

乾空氣及濕空氣的構成2

美國標準大氣空氣2

溼空氣之熱力性質3

水在飽和狀態之熱力性質8

濕度的參數13

涉及飽和的濕度參數13

乾空氣及濕空氣的理想氣體關係式14

熱力溼球溫度和露點溫度16

溼空氣性質的數值計算17

WS及ψ精確關係之計算18

用於標準壓力之濕空氣性質表19

典型空氣調節過程21

濕空氣之（熱、質）傳性質28

空氣、水及蒸汽性質30

符號31

參考文獻33

濕空氣學

濕空氣學論及溼空氣的熱力學性質和利用這些性質來分析涉及溼空氣的狀況和過程（方法）。

Hyland和Wexler（1983a,1983b）為溼空氣和水的熱力學性質發展了公式。

能夠把理想氣體關係用於多數空氣調節問題而取代這些公式。

Threlkeld（1970）發表在標準的大氣壓力下溫度範圍在-50到50℃時，計算標準空氣之溼度比、焓、和比容，其誤差是不到0.7%。

此外，誤差會隨著壓力增加而減少。

本章節討論理想氣體關係和描述他它們用於一般空氣調節的問題。

這些公式是由Hyland和Wexler（1983a）發展出來的，在需要更精確也可以被使用。

乾空氣及濕空氣的構成

大氣中的空氣含有許多氣體成份以及水的蒸汽和各式各樣的污染物質（像是煙、花粉、及氣體等污染物不正常地出現在遠離污染源的自由空氣中）。

當把所有水蒸汽和污染物質都從大氣空氣移走時，就是乾空氣。

乾空氣的構成的成份是相對地固定，但是因時間、地理位置、及海拔高度等因素，某些成份比例會發生些微的變化。

Harrison（1965）

基於體積把乾空氣的近似百分比成份列成表:

氮–78.084；氧氣–20.9476；氬–0.934；二氧化碳–0.0314；氖–0.001818；氦–0.000524；甲烷–0.00015；硫二氧化物–0到0.0001；氫–0.00005；和如氪、氙、和臭氧等較少的成份–0.0002。

所有部分的相關分子量，因為乾（燥）的空氣是28.9645，基於碳-12尺標（scale）（Harrison1965）。

基於碳-12尺標（scale），乾空氣的氣體常數是：

Ra=8314.41/28.9645=287.055J/（kg．k）

（1）

溼空氣是乾空氣和水蒸汽的一雙（或者兩種成份）混合物。

溼空氣中水蒸汽的含量從零（乾空氣）到最大量變化是取決於於溫度和壓力。

後面的條件與飽和有關，在溼空氣和凝結水相（液體或者固體）之間維持平衡的狀態。

除非是如下陳述，飽和涉及溼空氣和凝結相之間的均一（flat）界面表面。

水的分子量在碳-12尺標（scale）上是18.012628。

基於碳-12尺標（scale），水蒸汽的氣體常數是：

Rw=8314.41/18.01528=461.520J/（kg．k）

（2）

美國標準大氣空氣

大氣中空氣的溫度和大氣壓力會隨著當地地理高度以及氣象條件改變。

標準的大氣是為了估算各種高度之空氣性質提供參考的一個標準。

在海平面上，標準的溫度是15℃；標準的大氣壓力是101.325kPa。

溫度假設為隨著經過對流層（較低的氣壓）的高度增加而線性地減少，和以在同溫層較低（空氣可到達）的範圍中是不變的。

較低的大氣被假設由相當於理想氣體的乾空氣所組成。

重力也是標準的固定值–9.80665m/s2。

表1是高度10000公尺以下為概述性質資料。

表1中之數值可以由下列方程式計算

p＝101.325（1－2.5577×10-5Z）5.2559（3）

表1從海平面到10km高度之標準空氣資料

海拔高度,m溫度,℃壓力,kPa

-50018.2107.478

015.0101.325

50011.895.461

10008.589.875

15005.284.556

20002.079.495

2500-1.274.682

3000-4.570.108

4000-11.061.640

5000-17.554.020

6000-24.047.181

7000-30.541.061

8000-37.035.600

9000-43.530.742

10000-5026.436

12000-6319.284

14000-7613.786

16000-899.632

18000-1026.556

20000-1154.328

資料源自於國家航空暨太空總署（NASA）（1976）

以溫度為高度函數之方程式是寫成:

t=15－0.0065×Z（4）

其中Z=高度,m

P=大氣壓力,kPa

t=溫度,K

方程式（3）和（4）從-5000m到11000m是精確的，在更高高度之標準大氣的氣壓及其他廣泛的物理性質表格能夠在國家航空暨太空總署中被找到（1976美國標準大氣）。

溼空氣之熱力性質

表2是Hyland和Wexler（1983a，1983b）從公式發展而來，是基於熱力學溫度尺標展現熱力學性質的數值。

這個理想尺標與從用作物質測量的實際溫度尺標稍微地不同。

例如，水的標準的沸點（在101.325kPa）在這個尺標上是99.97℃而非是傳統的100℃。

目前多數測量基於1990年的國際實用溫度尺標（IPTS-90）。

下面是簡單地描述表2的每一欄位。

t=攝氏溫度，基於熱力學溫度尺標與開氏溫度（K）的絕對溫度T相關和由關係:

T=t+273.15

ws=飽和狀態的溼度比，氣相（溼空氣）在平衡中有凝結相（液體或者固體）存在，在既定的溫度和壓力（標準的大氣壓力）的條件。

處於既定的溫度和壓力狀態，溼度比W能夠從零到Ws。

va=乾空氣的比容，m3/kg。

vas=vs–va，在相同壓力及溫度下，每公斤乾空氣在飽和濕空氣之體積和乾空氣在空氣本身之比容（m3/kgofdryair）差值。

vs=每公斤乾空氣在飽和濕空氣之體積，m3/kgofdryair。

ha=乾空氣之比焓，kJ/kgofdryair。

表2中，乾空氣的比焓在0℃及標準大氣壓下被指定為0。

has=hs-ha，在相同壓力及溫度下，每公斤乾空氣在飽和濕空氣之焓和乾空氣在空氣本身之比容（kJ/kgofdryair）差值。

hs=每公斤乾空氣在飽和濕空氣之焓，kJ/kgofdryair.

hw=在既定的溫度和壓力下，飽和空氣在平衡中之凝結水（液體或者固體）比焓，kJ/kgofwater。

液態水的比焓在三相點（0.01℃）及飽和壓力下被指定為0。

註釋，hw比蒸汽表中飽和純凝結相的焓值大，是因為壓力由飽和壓力增加到101.325kPa，加上空氣存在影響。

Sa=乾空氣之比熵，kJ/（kg．K）.表2中，乾空氣的比熵在0℃及標準大氣壓下被指定為0。

sas=ss-sa，在相同壓力及溫度下，每公斤乾空氣在飽和濕空氣之熵和乾空氣在空氣本身之比熵（kJ/kg．K）差值。

ss=每公斤乾空氣在飽和濕空氣之熵，kJ/（kg．K）。

sw=飽和空氣在平衡中之凝結水（液體或者固體）比熵，kJ/kg．K。

就像hw，sw與飽和純凝結水的熵值不同。

ps=在飽和濕空氣下水蒸汽分壓，kPa。

壓力ps不同於純水的飽和水蒸汽壓力，在狀況演練時是可忽略地。

因此，在方程式中在相同的壓力及溫度下pws出現時可以用ps代入。

壓力ps被定義為ps=xwsp，其中xws是濕空氣在溫度t及壓力p飽和狀態下之水蒸汽的摩爾分數（molefraction）。

而p是濕空氣之大氣壓力。

表2濕空氣熱力性質（標準大氣壓力,101.325kPa）

冷凝水

濕度蒸汽

溫度比,比容,比焓,比熵,比焓比熵,壓力,

t,kgw/kgdam3/kg（dryair）kJ/kg（dryair）J/（kg．K）（dryair）kJ/kgkJ/（kg．K）kPa溫度

℃Wsvavasvshahashssasassshwswps,℃

-600.00000670.60270.00000.6027-60.3510.017-60.334-0.24950.0001-0.2494-446.29-1.68540.00108-60

-590.00000760.60560.00000.6056-59.3440.018-59.326-0.24480.0001-0.2447-444.63-1.67760.00124-59

-580.00000870.60840.00000.6084-58.3380.021-58.317-0.24010.0001-0.2400-442.95-1.66980.00141-58

-570.00001000.61130.00000.6113-57.3320.024-57.308-0.23540.0001-0.2353-441.27-1.66200.00161-57

-560.00001140.61410.00000.6141-56.3260.028-56.298-0.23080.0001-0.2306-439.58-1.65420.00184-56

-550.00001290.61700.00000.6170-55.3190.031-55.288-0.22610.0002-0.2260-437.89-1.64640.00209-55

-540.00001470.61980.00000.6198-54.3130.036-54.278-0.22150.0002-0.2214-436.19-1.63860.00238-54

-530.00001670.62260.00000.6227-53.3070.041-53.267-0.21700.0002-0.2168-434.48-1.63080.00271-53

-520.00001900.62550.00000.6255-52.3010.046-52.255-0.21240.0002-0.2122-432.76-1.62300.00307-52

-510.00002150.62830.00000.6284-51.2950.052-51.243-0.20790.0002-0.2076-431.03-1.61530.00348-51

-500.00002430.63120.00000.6312-50.2890.059-50.230-0.20330.0003-0.2031-429.30-1.60750.00394-50

-490.00002750.63400.00000.6341-49.2830.067-49.216-0.19880.0003-0.1985-427.56-1.59970.00445-49

-480.00003110.63690.00000.6369-48.2770.075-48.202-0.19440.0004-0.1940-425.82-1.59190.00503-48

-470.00003500.63970.00000.6398-47.2710.085-47.186-0.18990.0004-0.1895-424.06-1.58420.00568-47

-460.00003950.64260.00000.6426-46.2650.095-46.170-0.18550.0004-0.1850-422.30-1.57640.00640-46

-450.00004450.64540.00000.6455-45.2590.108-45.151-0.18110.0005-0.1805-420.54-1.56860.00721-45

-440.00005000.64830.00010.6483-44.2530.121-44.132-0.17670.0006-0.1761-418.76-1.56090.00811-44

-430.00005620.65110.00010.6512-43.2470.137-43.111-0.17230.0006-0.1716-416.98-1.55310.00911-43

-420.00006310.65400.00010.6540-42.2410.153-42.088-0.16790.0007-0.1672-415.19-1.54530.01022-42

-410.00007080.65680.00010.6569-41.2350.172-41.063-0.16360.0008-0.1628-413.39-1.53760.01147-41

-400.00007930.65970.00010.6597-40.2290.192-40.037-0.15920.0009-0.1584-411.59-1.52980.01285-40

-390.00008870.66250.00010.6626-39.2240.216-39.007-0.15490.0010-0.1540-409.77-1.52210.01438-39

-380.00009920.66530.00010.6654-38.2180.241-37.976-0.15070.0011-0.1496-407.96-1.51430.01608-38

-370.00011080.66820.00010.6683-37.2120.270-36.942-0.14640.0012-0.1452-406.13-1.50660.01796-37

-360.00012370.67100.00010.6712-36.2060.302-35.905-0.14210.0014-0.1408-404.29-1.49880.02005-36

-350.00013790.67390.00010.6740-35.2000.336-34.864-0.13790.0015-0.1364-402.45-1.49110.02235-35

-340.00015360.67670.00020.6769-34.1950.375-33.820-0.13370.0017-0.1320-400.60-1.48330.02490-34

-330.00017100.67960.00020.6798-33.1890.417-32.772-0.12950.0018-0.1276-398.75-1.47560.02772-33

-320.00019020.68240.00020.6826-32.1830.464-31.718-0.12530.0020-0.1233-396.89-1.46780.03082-32

-310.00021130.68530.00020.6855-31.1780.517-30.661-0.12120.0023-0.1189-395.01-1.46010.03425-31

-300.00023460.68810.00030.6884-30.1710.574-29.597-0.11700.0025-0.1145-393.14-1.45240.03802-30

-290.00026020.69090.00030.6912-29.1660.636-28.529-0.11290.0028-0.1101-391.25-1.44460.04217-29

-280.00028830.69380.00030.6941-28.1600.707-27.454-0.10880.0031-0.1057-389.36-1.43690.04673-28

-270.00031930.69660.00040.6970-27.1540.782-26.372-0.10470.0034-0.1013-387.46-1.42910.05175-27

-260.00035330.69950.00040.6999-26.1490.867-25.282-0.10060.0037-0.0969-385.55-1.42140.05725-26

-250.00039050.70230.00040.7028-25.1430.959-24.184-0.09650.0041-0.0924-383.63-1.41370.06329-25

-240.00043140.70520.00050.7057-24.1371.059-23.078-0.09250.0045-0.0880-381.71-1.40590.06991-24

-230.00047620.70800.00050.7086-23.1321.171-21.961-0.08850.0050-0.0835-379.78-1.39820.07716-23

-220.00052510.71090.00060.7115-22.1261.292-20.834-0.08450.0054-0.0790-377.84-1.39050.08510-22

-210.00057870.71370.00070.7144-21.1201.425-19.695-0.08050.0060-0.0745-375.90-1.38280.09378-21

-200.00063730.71650.00070.7173-20.1151.570-18.545-0.07650.0066-0.0699-373.95-1.37500.10326-20

-190.00070130.71940.00080.7202-19.1091.729-17.380-0.07250.0072-0.0653-371.99-1.36730.11362-19

-180.00077110.72220.00090.7231-18.1031.902-16.201-0.06860.0079-0.0607-370.02-1.35960.12492-18

-170.00084730.72510.00100.7261-17.0982.092-15.006-0.06460.0086-0.0560-368.04-1.35180.13725-17

-160.00093030.72790.00110.7290-16.0922.299-13.793-0.06070.0094-0.0513-366.06-1.34410.15068-16

-150.00102070.73080.00120.7320-15.0862.524-12.562-0.05680.0103-0.0465-364.07-1.33640.16530-15

-140.00111910.73360.00130.7349-14.0802.769-11.311-0.05290.0113-0.0416-362.07-1.32870.18122-14

-130.00122620.73640.00140.7379-13.0753.036-10.039-0.04900.0123-0.0367-360.07-1.32100.19852-13

-120.00134250.73930.00160.7409-12.0693.327-8.742-0.04520.0134-0.0318-358.06-1.31320.21732-12

-110.00146900.74210.00170.7439-11.0633.642-7.421-0.04130.0146-0.0267-356.04-1.30550.23775-11

-100.00160620.74500.00190.7469-10.0573.986-6.072-0.03750.0160-0.0215-354.01-1.29780.25991-10

-90.00175510.74780.00210.7499-9.0524.358-4.693-0.03370.0174-0.0163-351.97-1.29010.28395-9

-80.00191660.75070.00230.7530-8.0464.764-3.283-0.02990.0189-0.0110-349.93-1.28240.30999-8

-70.00209160.75350.00250.7560-7.0405.202-1.838-0.02610.0206-0.0055-347.88-1.27460.33821-7

-60.00228110.75630.00280.7591-6.0355.677-0.357-0.02230.0224-0.0000-345.82-1.26690.36874-6

-50.00248620.75920.00300.7622-5.0296.1921.164-0.01860.0243-0.0057-343.76-1.25920.40178-5

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-30.0029480