壓力體積圖
| 熱力學 |
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| File:Carnot heat engine 2.svg |
壓力體積圖（pressure–volume diagram）也稱為壓力-容積循環（pressure–volume loop）或PV圖[1]，是用來敘述系統內體積和壓強變化的圖。常見於熱力學、心血管生理學和呼吸生理學。
PV圖一開始曾稱為「指標圖」（indicator diagrams），是在18世紀時發展，是研究蒸汽機效率所需的工具。
說明[編輯]
PV圖會將一個或多個熱力學過程中，壓力P對體積V的變化繪出。在熱力學裏，常會用多個熱力學過程形成熱力學循環，因此當完成一個循環，系統的狀態不會變化，也就是設備的壓力和體積回到初始值[來源請求]。
圖中是理想熱力學循環的PV圖。其中有數個狀態（標示1至4）。各狀態之間的路徑為熱力學過程（標示A至D），其中系統的壓力、體積會變化。
此圖中有一個重要的特性，是系統以作功產生的能量（或吸收的能量）是可量測的，因為其淨功是四條線所封閉的面積。 在圖中，過程1-2-3產生功的輸出，但過程3-4-1需要較小的能量輸入，來讓系統恢復到原始狀態，因此淨功是這兩者的差。 上圖是高度理想化的圖，各線段都是水平線或垂直線，且夾角為直角。實際設備中的圖案會更加複雜[來源請求]
歷史[編輯]
PV圖，之後稱為指標圖（indicator diagram）是在1796年由詹姆斯·瓦特和他的員工John Southern所提出[2]。利用一個和活塞同步移動的平台來記錄體積，壓力則是由壓力計來記錄，其移動方向和活塞運動方向垂直。會利用鉛筆來繪圖[來源請求]。瓦特用此圖對蒸汽引擎的性能作了大幅的提昇。
應用[編輯]
熱力學[編輯]
[3] 。壓力體積圖會記錄蒸氣的壓強和氣缸中蒸氣體積，而蒸氣引擎會透過活塞週期運動。透過圖可以計算所作的功，因此可以量測引擎輸出的功[4]
若要精確的計算系統所做的功，需要針對壓力相對體積的積分，這就是壓力體積圖中過程所包圍的面積[來源請求]。
有些情形下會在橫軸標示比容而不是體積，其面積就是單位質量所做的功（單位：J/kg）[來源請求]。
相關條目[編輯]
參考資料[編輯]
- ^ Nosek, Thomas M. Section 3/3ch5/s3ch5_16. Essentials of Human Physiology. （原始內容存檔於2016-03-24）.
- ^ Bruce J. Hunt (2010) Pursuing Power and Light, page 13, The Johns Hopkins University Press ISBN 0-8018-9359-3
- ^ Walter, John. The Engine Indicator (PDF): xxv–xxvi. 2008. （原始內容 (PDF)存檔於2012-03-10）.
- ^ Richard L. Hills and A. J. Pacey (January 1972) "The measurement of power in early steam-driven textile mills," Technology and Culture, vol. 13, no. 1, pages 25–43.
書目[編輯]
- Cardwell, D. S. L. From Watt to Clausius: The Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age. Heinemann: London. 1971: 79–81. ISBN 0-435-54150-1.
- Miller, D. P. The Mysterious Case of James Watt's '"1785" Steam Indicator': Forgery or Folklore in the History of an Instrument?. International Journal for the History of Engineering & Technology. 2011, 81: 129–150. S2CID 109538193. doi:10.1179/175812110x12869022260231.
- Pacey, A. J. & Fisher, S. J. (1967) "Daniel Bernoulli and the vis viva of compressed air", The British Journal for the History of Science 3 (4), p. 388–392, doi:10.1017/S0007087400002934
- British Transport Commission (1957) Handbook for Railway Steam Locomotive Enginemen, London : B.T.C., p. 81, (facsimile copy publ. Ian Allan (1977), ISBN 0-7110-0628-8)
外部連結[編輯]
- Walter, John. The Engine Indicator. A collectors' guide to mechanical and optical/mechanical designs, 1800 to date. Canadian Museum of Making.
- Diagram at cvphysiology.com
- Interactive demonstration at davidson.edu
- Lohff B. 1899: the first mathematical description of the pressure-volume diagram by Otto Frank (1865-1944). Sudhoffs Arch. 1999, 83 (2): 131–51. PMID 10705804.