半導(dǎo)體與光電廠務(wù)設(shè)施課件

半導(dǎo)體與光電廠務(wù)設(shè)施熱流相關(guān)知識複習(xí)半導(dǎo)體與光電廠務(wù)設(shè)施熱流相關(guān)知識複習(xí)1熱流相關(guān)知識熱力學(xué)：第一定律、狀態(tài)方程式、能量方程式、混合氣體(空氣線圖)流體力學(xué):Bernoulli方程式、管內(nèi)流動流場諸性質(zhì)計(jì)算熱傳遞:熱傳導(dǎo)、熱對流、熱幅射、熱交換器選型熱流相關(guān)知識熱力學(xué)：第一定律、狀態(tài)方程式、能量方程式、混合氣2熱流性質(zhì)與狀態(tài)所謂性質(zhì)是可描述、可定量計(jì)算的獨(dú)立(或基本)特性或?qū)傩再|(zhì)量、體積等”集合性”屬性廣範(fàn)性質(zhì)壓力、溫度、密度等不隨”集合量”大小變化的性質(zhì)屬強(qiáng)度性質(zhì)利用性質(zhì)描述物理場內(nèi)的情況稱為”狀態(tài)”描述一物理狀態(tài)至少需要兩個性質(zhì)熱流性質(zhì)與狀態(tài)所謂性質(zhì)是可描述、可定量計(jì)算的獨(dú)立(或基本)特3熱流性質(zhì)溫度：一般以攝式(oC)溫標(biāo)註記，但在許多熱流計(jì)算時(shí)常用凱式(K)溫標(biāo)註記壓力：為表面積上所承受法線(正向)力-表壓力:多用於密閉系統(tǒng)，以顯示系統(tǒng)內(nèi)之壓力(如壓縮空氣、閉循環(huán)水路)-絕對壓力:多用於開放系統(tǒng)，尚加上大氣壓力(101.3kPa)的作用(如通大氣設(shè)計(jì)之水槽泵送)密度：單位體積所含有的質(zhì)量比容：單位質(zhì)量所含有的體積(與密度互為倒數(shù))熱流性質(zhì)溫度：一般以攝式(oC)溫標(biāo)註記，但在許多熱流計(jì)算時(shí)4比熱(SpecificHeat)使一單位質(zhì)量溫度上升一溫度單位所需要的能量普遍的描述有定壓比熱(Cp)與定容比熱(Cv)兩種，但廠務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大多用到定壓比熱廠務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)常用的流體近似定壓比熱乾空氣:1.0KJ/Kg．K液態(tài)水:4.19KJ/Kg．K水蒸汽:1.88KJ/Kg．K比熱(SpecificHeat)使一單位質(zhì)量溫度上升一溫度5內(nèi)能與焓(Enthalpy)內(nèi)能為物質(zhì)微觀所具有能量(U)一般流體設(shè)備問題分析均考量為開放系統(tǒng)，則必須考慮流功的問題(W=P．V)為方便問題的分析，將U+P．V的組合定義為焓(H=U+PV)因U、P、V為狀態(tài)性質(zhì)，故H本身也為狀態(tài)性質(zhì)利用焓的變化可計(jì)算等壓過程中加入或除去的熱量內(nèi)能與焓(Enthalpy)內(nèi)能為物質(zhì)微觀所具有能量(U)6熱力學(xué)第一定律輸入系統(tǒng)熱與輸出功之差額為系統(tǒng)能量的增加，其普遍型式為δQ-δW=dEsystemEsystem=U(內(nèi)能)+KE(動能)+PE(位能)，取其微分的形式為dEsystem=dU+d(KE)+d(PE)由於KE=1/2mV2，PE=mgZ，故dEsystem=dU+d(1/2mV2)+d(mgZ)考慮開放系統(tǒng)邊界流體作功為PV故dH=dU+d(PV)由能量守恆，δQ-δW=dH+d(1/2mV2)+d(mgZ)熱力學(xué)第一定律輸入系統(tǒng)熱與輸出功之差額為系統(tǒng)能量的增加，其普7熱力學(xué)第一定律對一開放系統(tǒng)

δQ-H1+1/2mV12+mgZ1=H2+1/2mV22+mgZ2+δW倘若無功之輸出(δW=0)且高度相同，無動量之變化，故加熱或冷卻熱之輸出入變化為δQ=ΔQ=ΔH=H2-H1=m(h2-h1)藉由查表可求的相對焓差，或考慮為等壓狀況ΔH=mCP(T2-T1)熱力學(xué)第一定律對一開放系統(tǒng)8熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律9熱力相變化性質(zhì)流體可透過加熱或冷卻系統(tǒng)達(dá)到相的變化不同的溫度與壓力，相變化所需能量也同不同顯熱加熱或冷卻:物質(zhì)僅有溫度變化，無相的改變-例如空調(diào)，製程冷卻水潛熱加熱或冷卻:物質(zhì)僅有相變化，無溫度的改變-例如鍋爐、冷凝器等

熱力相變化性質(zhì)流體可透過加熱或冷卻系統(tǒng)達(dá)到相的變化10熱力相變化性質(zhì)熱力相變化性質(zhì)11理想氣體方程式熱力學(xué)各種性質(zhì)是由物質(zhì)的狀態(tài)決定表示各狀態(tài)下之方程式-PV=RT，P:壓力、V:體積、T:溫度、R:氣體常數(shù)-可以為比性質(zhì)或變率如分別代表比容(m3/Kg)與體積流率對溫度壓力的關(guān)係理想氣體方程式熱力學(xué)各種性質(zhì)是由物質(zhì)的狀態(tài)決定分別代表比容(12理想氣體方程式各種狀態(tài)間變化的過程計(jì)有等壓、等溫、絕熱以及等容過程；若不為上述幾種情況則稱為多變(Polytropic)過程考慮氣體以多變過程變化(PVn=常數(shù))，則n=1(等溫)，n=K=CP/CV(絕熱)(Kair=1.4)在廠務(wù)公用系統(tǒng)工程規(guī)劃中，設(shè)備假定隔熱設(shè)施完善，故大多假設(shè)為絕熱過程多變過程功之輸入絕熱過程功之輸入理想氣體方程式各種狀態(tài)間變化的過程計(jì)有等壓、等溫、絕熱以及等13理想氣體方程式理想氣體方程式14理想氣體方程式絕熱狀態(tài)時(shí)若W12為負(fù)值，代表系統(tǒng)總能的變化轉(zhuǎn)換為壓縮功，反之為動力輸出前者代表性設(shè)備為壓縮機(jī)或真空泵，後者為渦輪機(jī)或引擎等原動機(jī)真實(shí)狀態(tài)的設(shè)備本身不可能達(dá)到完全絕熱，故有部份壓縮功以熱傳形式輸出。故所計(jì)算出之?dāng)?shù)值為需為最小壓縮功。由能量守恆，真實(shí)壓縮功輸入=絕熱壓縮功+設(shè)備熱傳量(e.g.:由滑油涼油器或空氣冷卻器所輸出熱)理想氣體方程式絕熱狀態(tài)時(shí)若W12為負(fù)值，代表系統(tǒng)總能的變化轉(zhuǎn)15質(zhì)量守恆此方程式即稱為連續(xù)系方程式。若系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量變化為零，則此流場稱為穩(wěn)態(tài)(SteadyState)，則假定流體從控制容積流入及流出的質(zhì)量流率為m1及m2，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量隨時(shí)間自mt變化為mt+Δt，由質(zhì)量守恆：對時(shí)間微分得到質(zhì)量守恆此方程式即稱為連續(xù)系方程式。若系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量變化為零，則16質(zhì)量守恆若進(jìn)一步考慮流體為不可壓縮由於則此為一般穩(wěn)定流動不可壓縮流體之連續(xù)方程式通式質(zhì)量守恆若進(jìn)一步考慮流體為不可壓縮由於則此為一般穩(wěn)定流動不可17由第二定律考慮絕熱可逆狀態(tài)故可改寫為從而第一定律可改寫為系統(tǒng)能量的變化為由焓的定義取其變化量為將焓的變化量代入第一定律得到積分後得到以上稱為Bernoulli方程式Bernoulli方程式由第二定律考慮絕熱可逆狀態(tài)故可改寫為從而第一定律可改寫為系統(tǒng)18Bernoulli方程式Bernoulli方程式之應(yīng)力表示與位勢表示分別為在計(jì)算壓降時(shí)若以壓力(如空氣系統(tǒng)用Pascal)表記可用上者，若以液頭(Head，以m為單位)表記可用下者Bernoulli方程式Bernoulli方程式之應(yīng)力表示與19DarcyWeisbach方程式若考慮機(jī)械磨擦則微分Bernoulli方程式的位勢形式損失則而機(jī)械磨擦損失可以DarcyWeisbach方程式表示故在同一管徑下考慮機(jī)械磨擦損失的Bernoulli方程式以位勢形式表記如下若對管內(nèi)任何配件造成的機(jī)械能量損失，則有DarcyWeisbach方程式若考慮機(jī)械磨擦則微分Ber20DarcyWeisbach方程式各種阻力因子可查表獲得，部份可直接計(jì)算得到(例如突張或突縮管)磨擦因子(f)層流狀態(tài)時(shí)有解析解(ExactSolution)但以外則必須藉由Moody圖求得磨擦因子有許多經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式方便計(jì)算，但必需注意適用的條件(如雷諾數(shù))DarcyWeisbach方程式各種阻力因子可查表獲得，部21磨擦因子計(jì)算方式過度階段流場磨擦因子f=Φ(絕對粗糙度ε、管徑D、相對粗糙度ε/D、雷諾數(shù)Re)完全紊流流場磨擦因子f=Φ(絕對粗糙度ε、管徑D、相對粗糙度ε/D)層流流場磨擦因子f=64/Re磨擦因子計(jì)算方式過度階段流場磨擦因子f=Φ(絕對粗糙度ε、管22半導(dǎo)體與光電廠務(wù)設(shè)施課件23半導(dǎo)體與光電廠務(wù)設(shè)施課件24半導(dǎo)體與光電廠務(wù)設(shè)施課件25熱傳導(dǎo)一維熱傳導(dǎo) Fourier’sLaw:若以牛頓冷卻定律的型式表示，則為稱為熱傳係數(shù)稱為熱阻熱傳導(dǎo)一維熱傳導(dǎo) Fourier’sLaw:若26熱傳導(dǎo)利用前述觀念可計(jì)算組合熱阻熱傳導(dǎo)利用前述觀念可計(jì)算組合熱阻27熱傳導(dǎo)如圖圓柱座標(biāo)之熱傳導(dǎo)方程式為其解為故熱通量為熱傳導(dǎo)如圖圓柱座標(biāo)之熱傳導(dǎo)方程式為其解為故熱通量為28熱傳導(dǎo)相同的利用前述觀念也可計(jì)算圓柱組合熱阻熱傳導(dǎo)相同的利用前述觀念也可計(jì)算圓柱組合熱阻29熱傳導(dǎo)計(jì)算應(yīng)用空調(diào)熱負(fù)載保溫保冷材料厚度選用(查表或疊代計(jì)算)廠房斷熱能力判斷熱傳導(dǎo)計(jì)算應(yīng)用空調(diào)熱負(fù)載30半導(dǎo)體與光電廠務(wù)設(shè)施課件31熱對流牛頓冷卻定律對流系數(shù)與流體性質(zhì)、流體速度、幾何形狀有很大的關(guān)連一般概估空氣自然對流熱傳係數(shù)=5~25W/m2K空氣強(qiáng)制對流熱傳係數(shù)=10~200W/m2K水自然對流熱傳係數(shù)=20~100W/m2K水強(qiáng)制對流熱傳係數(shù)=50~10,000W/m2K

在概估熱傳量時(shí)大多以平均之hc估算，但有一定之誤差熱對流牛頓冷卻定律32熱對流層流存在解析解局部NusseltNo.=平均NusseltNo.=紊流之NusseltNo.一般多以半經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)方式求得層流時(shí)當(dāng)壁面為等熱通量時(shí)Nu=4.36；為等熱通量時(shí)Nu=3.66熱對流層流存在解析解33熱幅射黑體熱幅射強(qiáng)度(W/m2)=σ稱為Stefan-Boltzmann常數(shù)=5.67*108W/m2K4考慮物體並非純黑，故考慮放射率吸收率α大致等於放射率，α=ε表面形狀方位亦可能影響幅射量，對任一表面A若形狀因素為FA則熱幅射量Qε-A為熱幅射黑體熱幅射強(qiáng)度(W/m2)=34半導(dǎo)體與光電廠務(wù)設(shè)施熱流相關(guān)知識複習(xí)半導(dǎo)體與光電廠務(wù)設(shè)施熱流相關(guān)知識複習(xí)35熱流相關(guān)知識熱力學(xué)：第一定律、狀態(tài)方程式、能量方程式、混合氣體(空氣線圖)流體力學(xué):Bernoulli方程式、管內(nèi)流動流場諸性質(zhì)計(jì)算熱傳遞:熱傳導(dǎo)、熱對流、熱幅射、熱交換器選型熱流相關(guān)知識熱力學(xué)：第一定律、狀態(tài)方程式、能量方程式、混合氣36熱流性質(zhì)與狀態(tài)所謂性質(zhì)是可描述、可定量計(jì)算的獨(dú)立(或基本)特性或?qū)傩再|(zhì)量、體積等”集合性”屬性廣範(fàn)性質(zhì)壓力、溫度、密度等不隨”集合量”大小變化的性質(zhì)屬強(qiáng)度性質(zhì)利用性質(zhì)描述物理場內(nèi)的情況稱為”狀態(tài)”描述一物理狀態(tài)至少需要兩個性質(zhì)熱流性質(zhì)與狀態(tài)所謂性質(zhì)是可描述、可定量計(jì)算的獨(dú)立(或基本)特37熱流性質(zhì)溫度：一般以攝式(oC)溫標(biāo)註記，但在許多熱流計(jì)算時(shí)常用凱式(K)溫標(biāo)註記壓力：為表面積上所承受法線(正向)力-表壓力:多用於密閉系統(tǒng)，以顯示系統(tǒng)內(nèi)之壓力(如壓縮空氣、閉循環(huán)水路)-絕對壓力:多用於開放系統(tǒng)，尚加上大氣壓力(101.3kPa)的作用(如通大氣設(shè)計(jì)之水槽泵送)密度：單位體積所含有的質(zhì)量比容：單位質(zhì)量所含有的體積(與密度互為倒數(shù))熱流性質(zhì)溫度：一般以攝式(oC)溫標(biāo)註記，但在許多熱流計(jì)算時(shí)38比熱(SpecificHeat)使一單位質(zhì)量溫度上升一溫度單位所需要的能量普遍的描述有定壓比熱(Cp)與定容比熱(Cv)兩種，但廠務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大多用到定壓比熱廠務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)常用的流體近似定壓比熱乾空氣:1.0KJ/Kg．K液態(tài)水:4.19KJ/Kg．K水蒸汽:1.88KJ/Kg．K比熱(SpecificHeat)使一單位質(zhì)量溫度上升一溫度39內(nèi)能與焓(Enthalpy)內(nèi)能為物質(zhì)微觀所具有能量(U)一般流體設(shè)備問題分析均考量為開放系統(tǒng)，則必須考慮流功的問題(W=P．V)為方便問題的分析，將U+P．V的組合定義為焓(H=U+PV)因U、P、V為狀態(tài)性質(zhì)，故H本身也為狀態(tài)性質(zhì)利用焓的變化可計(jì)算等壓過程中加入或除去的熱量內(nèi)能與焓(Enthalpy)內(nèi)能為物質(zhì)微觀所具有能量(U)40熱力學(xué)第一定律輸入系統(tǒng)熱與輸出功之差額為系統(tǒng)能量的增加，其普遍型式為δQ-δW=dEsystemEsystem=U(內(nèi)能)+KE(動能)+PE(位能)，取其微分的形式為dEsystem=dU+d(KE)+d(PE)由於KE=1/2mV2，PE=mgZ，故dEsystem=dU+d(1/2mV2)+d(mgZ)考慮開放系統(tǒng)邊界流體作功為PV故dH=dU+d(PV)由能量守恆，δQ-δW=dH+d(1/2mV2)+d(mgZ)熱力學(xué)第一定律輸入系統(tǒng)熱與輸出功之差額為系統(tǒng)能量的增加，其普41熱力學(xué)第一定律對一開放系統(tǒng)

δQ-H1+1/2mV12+mgZ1=H2+1/2mV22+mgZ2+δW倘若無功之輸出(δW=0)且高度相同，無動量之變化，故加熱或冷卻熱之輸出入變化為δQ=ΔQ=ΔH=H2-H1=m(h2-h1)藉由查表可求的相對焓差，或考慮為等壓狀況ΔH=mCP(T2-T1)熱力學(xué)第一定律對一開放系統(tǒng)42熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律43熱力相變化性質(zhì)流體可透過加熱或冷卻系統(tǒng)達(dá)到相的變化不同的溫度與壓力，相變化所需能量也同不同顯熱加熱或冷卻:物質(zhì)僅有溫度變化，無相的改變-例如空調(diào)，製程冷卻水潛熱加熱或冷卻:物質(zhì)僅有相變化，無溫度的改變-例如鍋爐、冷凝器等

熱力相變化性質(zhì)流體可透過加熱或冷卻系統(tǒng)達(dá)到相的變化44熱力相變化性質(zhì)熱力相變化性質(zhì)45理想氣體方程式熱力學(xué)各種性質(zhì)是由物質(zhì)的狀態(tài)決定表示各狀態(tài)下之方程式-PV=RT，P:壓力、V:體積、T:溫度、R:氣體常數(shù)-可以為比性質(zhì)或變率如分別代表比容(m3/Kg)與體積流率對溫度壓力的關(guān)係理想氣體方程式熱力學(xué)各種性質(zhì)是由物質(zhì)的狀態(tài)決定分別代表比容(46理想氣體方程式各種狀態(tài)間變化的過程計(jì)有等壓、等溫、絕熱以及等容過程；若不為上述幾種情況則稱為多變(Polytropic)過程考慮氣體以多變過程變化(PVn=常數(shù))，則n=1(等溫)，n=K=CP/CV(絕熱)(Kair=1.4)在廠務(wù)公用系統(tǒng)工程規(guī)劃中，設(shè)備假定隔熱設(shè)施完善，故大多假設(shè)為絕熱過程多變過程功之輸入絕熱過程功之輸入理想氣體方程式各種狀態(tài)間變化的過程計(jì)有等壓、等溫、絕熱以及等47理想氣體方程式理想氣體方程式48理想氣體方程式絕熱狀態(tài)時(shí)若W12為負(fù)值，代表系統(tǒng)總能的變化轉(zhuǎn)換為壓縮功，反之為動力輸出前者代表性設(shè)備為壓縮機(jī)或真空泵，後者為渦輪機(jī)或引擎等原動機(jī)真實(shí)狀態(tài)的設(shè)備本身不可能達(dá)到完全絕熱，故有部份壓縮功以熱傳形式輸出。故所計(jì)算出之?dāng)?shù)值為需為最小壓縮功。由能量守恆，真實(shí)壓縮功輸入=絕熱壓縮功+設(shè)備熱傳量(e.g.:由滑油涼油器或空氣冷卻器所輸出熱)理想氣體方程式絕熱狀態(tài)時(shí)若W12為負(fù)值，代表系統(tǒng)總能的變化轉(zhuǎn)49質(zhì)量守恆此方程式即稱為連續(xù)系方程式。若系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量變化為零，則此流場稱為穩(wěn)態(tài)(SteadyState)，則假定流體從控制容積流入及流出的質(zhì)量流率為m1及m2，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量隨時(shí)間自mt變化為mt+Δt，由質(zhì)量守恆：對時(shí)間微分得到質(zhì)量守恆此方程式即稱為連續(xù)系方程式。若系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量變化為零，則50質(zhì)量守恆若進(jìn)一步考慮流體為不可壓縮由於則此為一般穩(wěn)定流動不可壓縮流體之連續(xù)方程式通式質(zhì)量守恆若進(jìn)一步考慮流體為不可壓縮由於則此為一般穩(wěn)定流動不可51由第二定律考慮絕熱可逆狀態(tài)故可改寫為從而第一定律可改寫為系統(tǒng)能量的變化為由焓的定義取其變化量為將焓的變化量代入第一定律得到積分後得到以上稱為Bernoulli方程式Bernoulli方程式由第二定律考慮絕熱可逆狀態(tài)故可改寫為從而第一定律可改寫為系統(tǒng)52Bernoulli方程式Bernoulli方程式之應(yīng)力表示與位勢表示分別為在計(jì)算壓降時(shí)若以壓力(如空氣系統(tǒng)用Pascal)表記可用上者，若以液頭(Head，以m為單位)表記可用下者Bernoulli方程式Bernoulli方程式之應(yīng)力表示與53DarcyWeisbach方程式若考慮機(jī)械磨擦則微分Bernoulli方程式的位勢形式損失則而機(jī)械磨擦損失可以DarcyWeisbach方程式表示故在同一管徑下考慮機(jī)械磨擦損失的Bernoulli方程式以位勢形式表記如下若對管內(nèi)任何配件造成的機(jī)械能量損失，則有DarcyWeisbach方程式若考慮機(jī)械磨擦則微分Ber54DarcyWeisbach方程式各種阻力因子可查表獲得，部份可直接計(jì)算得到(例如突張或突縮管)磨擦因子(f)層流狀態(tài)時(shí)有解析解(ExactSolution)但以外則必須藉由Moody圖求得磨擦因子有許多經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式方便計(jì)算，但必需注意適用的條件(如雷諾數(shù))DarcyWeisbach方程式各種阻力因子可查表獲得，部55磨擦因子計(jì)算方式過度階段流場磨擦因子f=Φ(絕對粗糙度ε、管徑D、相對粗糙度ε/D、雷諾數(shù)Re)完全紊流流場磨擦因子f=Φ(絕對粗糙度ε、管徑D、相對粗糙度ε/D)層流流場磨擦因子f=64/Re磨擦因子計(jì)算方式過度階段流場磨擦因子f=Φ(絕對粗糙度ε、管56半導(dǎo)體與光電廠務(wù)設(shè)施課件57半導(dǎo)體與光