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出版者:機械工業齣版社

作者:張恩祥 編

出品人:

頁數:275

译者:

出版時間:2005-1

價格:25.00元

裝幀:簡裝本

isbn號碼:9787111152095

叢書系列:

圖書標籤:

• 空調製冷
• 機械工程
• 工程基礎
• 製冷技術
• 空調技術
• 暖通空調
• 熱力學
• 流體力學
• 機械設計
• 工程教育

《熱力學與傳熱學基礎》 內容簡介 《熱力學與傳熱學基礎》一書，旨在為讀者構建紮實的工程熱力學與傳熱學理論體係。本書深入淺齣地闡述瞭這兩個與工程實踐息息相關的核心學科的原理、定律、方法與應用，涵蓋瞭從基礎概念到高級應用的廣泛內容。本書力求理論聯係實際，通過大量的實例和練習題，幫助讀者理解抽象的物理概念，並將其應用於解決實際工程問題。 第一篇 熱力學基礎 第一章 熱力學的基本概念與定律 本章首先引入熱力學研究的對象——係統、狀態、過程、循環等基本概念，並明確瞭係統的邊界、環境、閉口係統、開口係統、孤立係統等分類。接著，詳細闡述瞭熱力學第一定律，即能量守恒定律，在不同係統（閉口、開口）中的數學錶達式和應用。我們將討論功（體脹功、軸功、電功等）和熱量（顯熱、潛熱）的概念，以及焓、熵等重要熱力學性質的定義。 係統與環境： 詳細定義係統（宏觀物質的集閤）及其邊界（係統與環境的分界麵），並區分不同類型的係統（開、閉、孤立）。 狀態與過程： 闡述狀態參數（溫度、壓力、體積、內能、焓、熵等）如何描述係統的狀態，以及狀態變化的過程（等溫、等壓、等容、絕熱、可逆、不可逆等）。 熱力學第一定律： 深入講解能量守恒定律在熱力學中的體現，給齣閉口係統和開口係統（穩態流動係統）的能量方程，並分析能量傳遞的形式（熱量和功）。 功與熱量： 詳細區分和定義不同形式的功（如體脹功、軸功）以及熱量的概念，為後續能量分析打下基礎。 重要熱力學性質： 引入和定義內能、焓、熵等關鍵熱力學性質，並探討它們與係統狀態參數的關係。 第二章 理想氣體的熱力學性質與過程 本章聚焦於理想氣體這一重要的簡化模型，詳細分析理想氣體的熱力學性質，如內能、焓、熵等如何隨溫度和壓力的變化而變化。接著，係統地分析瞭理想氣體的各種過程，包括等溫過程、絕熱過程、等容過程和等壓過程，推導瞭這些過程中的功、熱量、內能變化和熵變。通過引入理想氣體狀態方程，本書將理論分析與實際計算緊密結閤。 理想氣體狀態方程： 介紹理想氣體狀態方程 ($PV = nRT$) 及其適用條件，為計算理想氣體的狀態參數提供工具。 理想氣體的比熱容： 定義定容比熱容 ($c_v$) 和定壓比熱容 ($c_p$)，並探討它們與溫度的關係，以及邁耶公式 ($c_p - c_v = R$)。 理想氣體的熱力學過程分析： 等溫過程： 分析恒溫過程中係統的功、熱量、內能變化和熵變。 絕熱過程： 分析絕熱過程中係統的功、內能變化和熵變，推導絕熱過程方程。 等容過程： 分析定容過程中係統的熱量、內能變化和熵變。 等壓過程： 分析定壓過程中係統的功、熱量、內能變化、焓變化和熵變。 多變過程： 介紹更一般的多變過程 ($PV^n = ext{常數}$) 的分析方法。 第三章 熱力學第二定律與熵 本章是熱力學理論的核心，我們將深入探討熱力學第二定律的兩個主要錶述——剋勞修斯錶述和開爾文-普朗剋錶述，理解其不可逆性以及熱量自發流動的方嚮性。重點分析熵的概念，闡述熵是係統混亂度的度量，並推導熵變的計算方法，包括可逆過程和不可逆過程的熵變。本書還將介紹卡諾循環作為最理想的熱力循環，分析其效率，並探討熱力學第二定律在判斷過程可行性方麵的作用。 熱力學第二定律的錶述： 詳細闡述剋勞修斯錶述（熱量不可能自發地從低溫物體傳嚮高溫物體）和開爾文-普朗剋錶述（不存在隻從單一熱源吸熱並將其全部轉化為功的熱機）。 熵的概念： 定義熵 ($S$) 作為狀態函數，並理解其物理意義——係統混亂度或無序度的度量。 熵變的計算： 推導可逆過程和不可逆過程的熵變計算公式，包括純物質和混閤物。 熱力學第二定律的推論： 卡諾循環： 分析卡諾循環作為理想熱機的四個可逆過程（等溫吸熱、絕熱膨脹、等溫放熱、絕熱壓縮），推導其效率公式，並強調其作為熱機效率上限的重要性。 不可逆性的影響： 探討不可逆過程如何導緻熵的增加，並解釋為什麼實際過程的效率總是低於理論上的可逆過程。 第四章 實際氣體的熱力學性質 在實際工程應用中，很多物質在較高壓力或較低溫度下不再遵循理想氣體模型。本章將介紹實際氣體的狀態方程，如範德華方程，並探討實際氣體與理想氣體的偏差。我們將分析實際氣體的壓縮因子，以及如何利用壓縮因子圖錶或相關的修正公式來計算實際氣體的熱力學性質。此外，還將介紹真實氣體在壓縮、膨脹過程中的焓和熵的變化，以及焦耳-湯姆遜效應。 實際氣體的狀態方程： 介紹範德華方程等實際氣體狀態方程，解釋其物理意義和修正項。 壓縮因子： 定義壓縮因子 ($Z = PV/RT$)，並解釋其錶示實際氣體偏離理想氣體的程度。 壓縮因子圖： 介紹通用壓縮因子圖的使用，以及如何根據臨界參數計算歸一化溫度和壓力來查找壓縮因子。 實際氣體的性質計算： 介紹如何基於實際氣體狀態方程或壓縮因子計算實際氣體的內能、焓、熵等。 焦耳-湯姆遜效應： 解釋在恒焓膨脹過程中，氣體溫度變化的現象（節流效應），並討論其在製冷和分離過程中的應用。 第五章 熱力學循環 本章將熱力學的基本定律應用於分析各種熱力循環，包括熱機循環和製冷循環。我們將詳細分析幾種常見的內燃機循環，如奧托循環（汽油機）、狄賽爾循環（柴油機）和混閤循環（雙衝程發動機），推導它們的效率，並探討實際循環與理想循環的差異。同時，還將介紹兩種主要的製冷循環，如蒸汽壓縮製冷循環和蒸氣吸收製冷循環，分析其工作原理、製冷劑的選擇以及性能係數 (COP)。 熱力發動機循環： 奧托循環： 分析理想奧托循環（等容加熱和冷卻）的組成和效率。 狄賽爾循環： 分析理想狄賽爾循環（等壓加熱）的組成和效率。 混閤循環： 討論實際內燃機循環的特點和影響因素。 製冷循環： 蒸汽壓縮製冷循環： 詳細分析壓縮、冷凝、膨脹、蒸發四個過程，介紹製冷劑的選擇標準，並推導其性能係數 (COP)。 蒸氣吸收製冷循環： 介紹其工作原理，與壓縮式製冷循環的區彆與聯係。 熱泵循環： 介紹熱泵循環的原理，以及其與製冷循環的關係。 第二篇 傳熱學基礎 第六章 傳熱的基本機理與定律 本章將引入傳熱學的基本概念，包括溫度場、熱流密度、導溫係數等。我們將詳細闡述三種基本的傳熱機理：熱傳導、熱對流和熱輻射。重點介紹熱傳導的傅裏葉定律，理解熱量傳遞與溫度梯度成正比的關係。對於熱對流，我們將區分自然對流和強製對流，並介紹牛頓冷卻定律。最後，將概述熱輻射的基本原理，包括黑體輻射、灰體輻射，以及斯特藩-玻爾茲曼定律。 傳熱的基本概念： 定義溫度場、熱流密度、導溫係數等基本概念。 熱傳導： 傅裏葉定律： 詳細闡述傅裏葉定律 ($q = -k abla T$)，理解熱量傳遞的驅動力是溫度梯度，以及導熱係數 ($k$) 的作用。 一維穩態導熱： 分析平闆、圓筒壁等簡單幾何體的穩態導熱問題。 熱對流： 牛頓冷卻定律： 介紹牛頓冷卻定律 ($q = h A (T_s - T_infty)$)，理解對流換熱係數 ($h$) 的重要性。 自然對流與強製對流： 區分兩種對流方式及其影響因素。 熱輻射： 黑體輻射： 定義黑體，介紹其輻射特性。 斯特藩-玻爾茲曼定律： 闡述黑體輻射的總能量與溫度的四次方成正比。 灰體與錶麵輻射率： 介紹實際物體錶麵的輻射特性。 第七章 穩態導熱 本章專注於穩態導熱問題的分析。我們將通過求解傅裏葉定律的微分方程，來分析不同幾何形狀（平闆、圓筒壁、球殼）在穩態條件下的溫度分布。本書將介紹等溫邊界條件、恒熱流邊界條件以及對流邊界條件，並推導相應的溫度場解析解。對於復雜形狀或邊界條件，將引入數值分析方法，如有限差分法和有限元法，以獲得近似解。 一維穩態導熱： 平闆導熱： 推導多層平闆的等效熱導係數，分析導熱熱阻。 圓筒壁導熱： 分析管壁、管道的穩態導熱，探討厚壁圓筒的溫度分布。 球殼導熱： 分析球形容器的穩態導熱。 多維穩態導熱： 邊界條件： 詳細討論第一類（指定溫度）、第二類（指定熱流密度）和第三類（對流換熱）邊界條件。 數值方法簡介： 介紹有限差分法和有限元法在求解復雜穩態導熱問題中的應用思路。 第八章 瞬態導熱 瞬態導熱是研究物體在溫度隨時間變化的導熱過程。本章將介紹求解瞬態導熱問題的基本方法，包括傅裏葉積分法和分離變量法，推導一些簡單幾何體（如無限大平闆、無限大長圓柱）在特定邊界條件下的溫度分布。本書還將介紹集總參數法，用於處理導溫係數很大、物體內部溫度分布很均勻的瞬態傳熱問題，並討論勒維數和畢奧數等無量綱參數在瞬態導熱分析中的意義。 瞬態導熱方程： 建立傅裏葉定律的瞬態形式（熱擴散方程）。 分離變量法： 介紹求解偏微分方程的標準方法，推導簡單幾何體的瞬態溫度分布。 集總參數法： 畢奧數 (Bi)： 定義畢奧數，作為內部導熱阻力與錶麵對流傳熱阻力之比，判斷集總參數法適用的條件。 應用實例： 分析物體在流體中被加熱或冷卻時的瞬態過程。 傅裏葉數 (Fo)： 定義傅裏葉數，作為無量綱的特徵時間，錶徵熱量在物體內部擴散的程度。 第九章 對流傳熱 對流傳熱是流體與固體錶麵之間的熱量傳遞過程，在工程中應用極為廣泛。本章將詳細分析自然對流和強製對流。對於強製對流，我們將深入探討邊界層理論，包括速度邊界層和熱邊界層，並介紹相似性原理，利用雷諾數、普朗特數、努賽爾數等無量綱數來關聯對流換熱係數。本書將分析層流和湍流狀態下的對流換熱，以及平闆、圓管、翅片等常見幾何體的對流換熱係數的計算方法。 對流傳熱基本理論： 邊界層概念： 詳細解釋速度邊界層和熱邊界層的形成和發展。 相似性原理： 介紹如何通過無量綱數來統一分析不同幾何形狀和流體性質下的對流傳熱問題。 無量綱數： 雷諾數 (Re)： 錶徵慣性力與粘性力之比，區分層流和湍流。 普朗特數 (Pr)： 錶徵動量擴散率與熱擴散率之比。 努賽爾數 (Nu)： 錶徵對流傳熱與導熱之比，是計算對流換熱係數的關鍵。 強製對流： 管內流： 分析層流和湍流狀態下的管內對流換熱，介紹常用的經驗關聯式。 管外流： 分析平闆、圓柱體等外錶麵的強製對流換熱。 自然對流： 分析無外力驅動下的流體運動及其傳熱特性。 第十章 輻射傳熱 輻射傳熱是物體通過電磁波傳遞能量的過程，在高溫環境和真空環境中尤為重要。本章將深入探討輻射傳熱的理論，包括光譜輻射、半球輻射、方嚮輻射等概念。我們將學習計算不同錶麵形狀和排列方式下的輻射換熱量，包括黑體之間的輻射、灰體之間的輻射，以及錶麵輻射率的計算。本書還將介紹輻射熱阻的概念，並分析輻射換熱在真空環境、溫室效應等典型工程問題中的應用。 輻射基本定律： 基爾霍夫定律： 闡述吸收率、反射率和透射率的關係。 比爾定律： 描述輻射強度在介質中的衰減。 錶麵輻射特性： 方嚮性輻射率： 考慮輻射方嚮與錶麵的夾角。 半球輻射率： 考慮所有方嚮的輻射。 幾何因素： 視角係數： 計算不同錶麵之間的輻射能量交換。 輻射網絡： 分析復雜輻射係統（如多錶麵係統）的能量交換。 輻射傳熱應用： 探討輻射換熱在高溫爐、鍋爐、航天器熱控等領域的應用。 第十一章 換熱器 換熱器是工程中實現流體之間熱量傳遞的關鍵設備。本章將介紹不同類型的換熱器，包括管殼式換熱器、闆式換熱器、空氣冷卻器等。我們將重點分析換熱器的設計原理和計算方法，包括傳熱量計算、傳熱溫差（平均溫差）的確定，以及壓降的估算。本書還將介紹傳熱增強技術，如翅片、肋片等，以及換熱器的效率和性能評估。 換熱器的分類與結構： 介紹不同類型換熱器的構造特點和適用範圍。 換熱器傳熱量計算： 平均溫差 (LMTD)： 推導對數平均溫差，並分析其在不同流嚮（順流、逆流）下的應用。 傳熱係數： 確定換熱器整體傳熱係數 ($U$)，並考慮汙垢熱阻的影響。 換熱器性能評估： 效率： 定義換熱器的效率指標。 壓降計算： 評估流體通過換熱器時的能量損失。 傳熱增強技術： 介紹各種增強換熱器傳熱性能的措施。 《熱力學與傳熱學基礎》旨在為讀者提供堅實的理論基礎和解決實際工程問題的能力。本書的結構清晰，內容嚴謹，語言生動，相信能為工程師、研究人員以及對工程熱科學感興趣的讀者提供有價值的參考。

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這本書的排版和插圖質量簡直是一場災難，完全沒有現代技術書籍應有的清晰度和邏輯性。我尤其對其中關於換熱器性能評估的部分感到非常睏惑。圖錶模糊不清，標注的參數經常需要對照好幾頁纔能找到對應的解釋，很多流程圖畫得像是手繪的草稿，綫條混亂，讓人分不清到底是氣流方嚮還是水流方嚮。舉個例子，在講解闆式換熱器的清洗流程時，作者似乎默認讀者已經非常熟悉所有的管道布局和閥門代號，完全沒有提供一個清晰的係統示意圖來輔助理解。更要命的是，很多關鍵公式的推導過程被過度簡化瞭，僅僅給齣瞭結果，讓人感覺作者是“我知道這個公式很對，所以你不用知道它怎麼來的”的態度。這種處理方式極大地削弱瞭學習的連貫性。如果我不是自己動手在草稿紙上重新推導瞭一遍，很多關於壓力降和傳熱係數的計算邏輯我可能永遠無法真正領會。對於需要依賴圖文輔助理解復雜物理過程的讀者而言，這本書的視覺呈現效果無疑是嚴重的減分項。

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這本書的另一個顯著特點是其偏重於“理論建模”而非“工程實踐”的傾嚮。書中花瞭巨大的篇幅去闡述如何建立一個復雜的、包含上百個變量的製冷係統動態仿真模型，並深入探討瞭有限元分析在壓力容器設計中的應用。這些內容對於追求極緻精確性的研究人員無疑是寶貴的資源。然而，對於我們這些需要在現場調試設備、排除故障的工程師來說，這本書提供的幫助卻非常有限。它沒有提供任何關於常見故障診斷的流程圖，沒有列舉實際工程中容易齣錯的連接點，更不用說那些工程師間心照不宣的“經驗法則”瞭。比如，當係統齣現間歇性低壓報警時，書中會引導你迴去重新計算膨脹閥的流量係數；而實際操作中，我們更需要知道這可能隻是一個過濾器堵塞或者製冷劑微量泄漏的前兆。這種理論與實踐的巨大鴻溝，使得這本書更像是一座矗立在象牙塔中的高塔，雖然宏偉壯觀，但對於日常的“搬磚”工作來說，實用性大打摺扣，讓人感覺像是買瞭一本“如何設計一颱完美的火箭引擎”的書，卻不知道如何給傢裏的空調加氟。

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這本書的封麵設計著實吸引人，那種深沉的藍色調配閤著精密的機械綫條插圖，一眼就能感受到它蘊含的專業性和深度。我本來是希望找一本能幫我快速入門工業製冷基礎知識的書籍，但翻開目錄，纔發現它似乎更側重於理論推導和復雜的係統分析。比如，關於熱力學第二定律在製冷循環中的應用，書中用瞭大量的數學公式去闡述卡諾效率的極限，這種詳盡程度對於初學者來說，可能有些令人望而卻步。我記得有一章專門講瞭壓縮機的工作原理，裏麵細緻地分析瞭活塞式和螺杆式壓縮機的內部結構、容積效率的計算，甚至還涉及到不同潤滑油對密封性能的影響，這些內容無疑是給專業人士準備的，讀起來需要極高的專注度和一定的物理基礎。總的來說，它更像是一本深入探討製冷係統設計與優化的高級教材，而不是一本麵嚮大眾讀者的科普讀物。對於那些已經在該領域工作瞭一段時間，希望深化理解或解決實際工程難題的工程師來說，這本書的價值會非常凸顯，但對我這種剛接觸 HVAC 領域的新人來說，還需要搭配一些更基礎的入門材料纔能跟上它的節奏。

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這本書的理論深度固然令人敬佩，但它的語言風格卻顯得極其學術化和晦澀，仿佛是直接將某大學的博士論文節選後拼湊而成。作者頻繁使用長句，且大量引用瞭晦澀的德語或俄語工程術語，即便是經過中文翻譯，也顯得生硬拗口，缺乏流暢的閱讀體驗。例如，在描述水泵的氣蝕現象時，作者使用瞭一段長達八行的復雜句式，將流體力學、材料科學和振動理論混雜在一起，讓人需要反復迴讀纔能理解其核心觀點——無非是泵入口流速過快導緻瞭局部低壓區産生氣泡破裂的現象。這種錶達方式，雖然在嚴謹的學術期刊上或許可以接受，但對於旨在普及知識的教材來說，無疑是一種障礙。它要求讀者不僅要理解背後的物理原理，還要具備強大的語言解析能力去“解碼”作者的錶達意圖。閱讀過程更像是在攻剋一篇結構復雜的哲學論著，而不是在學習一門實用的工程技術。

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我原本期望這本書能覆蓋當前製冷行業最新的發展趨勢，比如新型環保製冷劑（如 HFOs）的應用案例，或者智能物聯網（IoT）在大型冷庫群智能調度中的實踐。然而，這本書的內容明顯滯後於行業前沿。在討論製冷劑的選擇時，重點仍然放在 R22 和 R134a 等傳統工質上，對於全球正在大力推廣的低 GWP 製冷劑的特性、改造難度和新的安全規範，幾乎沒有著墨。在“係統控製”這一章節，講解的仍然是傳統的 PID 調節算法和基於溫度的開關邏輯，完全沒有觸及到基於模糊控製或模型預測控製（MPC）的節能優化策略。這使得這本書讀起來像是一份二十年前的工程手冊。雖然基礎原理的恒定性是無可厚非的，但在一個技術迭代如此迅速的行業，一本不與時俱進的教材，其指導意義會大打摺扣。我不得不自己去查閱大量的在綫標準和最新的行業白皮書，纔能將書本知識與現實接軌，這無疑增加瞭學習的負擔和時間成本。

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