FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS

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出版时间:2005-01-01
价格:310.0
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isbn号码:9780471317135
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  • 工程热力学
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具体描述

《流体力学基础:从理论到应用》 作者: 杰出的应用科学教授 约翰·斯通博士 译者: 资深机械工程师 李明 出版社: 科技前沿出版社 出版日期: 2024年春季版 --- 内容提要 《流体力学基础:从理论到应用》是一部全面、深入且极具实践指导意义的教材,专为本科高年级学生、研究生以及需要扎实流体力学基础的工程师和研究人员设计。本书旨在系统地阐述流体静力学、流体运动学、流体动力学等核心概念,并重点关注这些理论在现代工程领域中的具体应用,尤其是在航空航天、土木水利、能源转换和生物工程等交叉学科中的前沿展示。 本书摒弃了传统教材中过于繁琐的数学推导,转而采用一种“问题驱动”的学习范式,强调物理图像的建立和工程判断力的培养。我们相信,理解流体的本质行为远比记忆复杂的公式更为重要。 --- 核心章节深度解析 第一部分:流体的本质与静力学 第1章:流体的基本概念与物质特性 本章首先界定了“流体”与“固体”的根本区别,即流体抵抗剪应力的能力。我们详细探讨了流体的宏观描述——密度、比重、粘度(牛顿流体与非牛顿流体的区别)、表面张力以及气体中特有的可压缩性。书中引入了“连续介质假设”的合理性分析,并用实例阐述了在宏观尺度下处理流体问题的必要性。重点解析了热力学性质对流体行为的微妙影响,例如在高温高压环境下的气体行为修正。 第2章:流体静力学——平衡状态的分析 静力学是理解流体压强分布的基础。本章深入讨论了压强的定义、测量方法(皮托管、压力传感器原理)以及压强随深度变化的规律。我们通过严格的流体静力平衡方程推导出流体中任意一点的压强张量。其中,“浮力与阿基米德原理”一节特别详尽,不仅涵盖了经典船只的稳定性计算,还引入了复杂几何形体浸没在不同密度流体中时的总作用力分析,包括压力中心(Center of Pressure)的精确计算,这对于设计水坝、潜水器和液位传感器至关重要。 第二部分:流体运动学与控制容积分析 第3章:流体运动的描述 本章是连接理论与实际测量的桥梁。我们清晰区分了拉格朗日(跟随粒子)和欧拉(固定空间点)两种描述方法,并详细阐述了如何使用物质导数(Material Derivative)来桥接这两种视角。通过引入流线(Streamline)、迹线(Pathline)和时间线(Streakline)的概念,本章帮助读者直观理解速度场。对不可压缩流体的特殊性做了强调,并引入了涡度(Vorticity)和应变率张量,为后续的动力学分析奠定基础。 第4章:守恒定律与控制容积方法 这是本书的理论核心之一。本章侧重于工程实践中最常用的分析工具——控制容积(Control Volume)方法。我们基于牛顿第二定律、质量守恒(连续性方程)以及动量守恒(雷诺输运定理)推导出了适用于工程计算的积分形式守恒方程。针对管道流动、喷嘴加速和叶轮机械的力矩计算,提供了详细的步骤和案例分析。特别地,我们用一个专门的小节来讨论,在工程假设(如稳态、均匀流)下,如何简化这些复杂的偏微分方程组。 第三部分:流体动力学与相似律 第5章:粘性流的本构方程与简化的动力学 本章开始正式引入粘性对流动的内在影响。我们探讨了牛顿粘性流体的剪切应力模型,并推导了纳维-斯托克斯(Navier-Stokes, N-S)方程的完整形式。鉴于N-S方程的复杂性,本章重点教授如何利用物理洞察力进行简化:例如,伯努利方程的严格推导与适用范围界定;对“无滑移边界条件”的深刻理解;以及在低雷诺数下(如润滑理论)的简化应用。 第6章:因次分析、流动相似性与实验设计 对于缺乏计算资源或需要进行物理模型测试的工程师而言,本章至关重要。我们系统地介绍了π定理,用于有效地识别和组合物理变量,从而构建无量纲参数。雷诺数(Re)、弗劳德数(Fr)、韦伯数(We)等关键无量纲数的物理意义被深入剖析。通过大量的风洞实验和水槽测试案例,我们展示了如何利用相似性原理,将小规模试验的结果可靠地外推到全尺寸工程系统上。 第四部分:工程应用与特殊流动现象 第7章:管流与流能损失 本章聚焦于实际管道系统中的流动。详细分析了层流和湍流状态下的流动特性,包括沿程摩擦损失(达西-威斯巴赫公式的推导与应用)和局部损失。书中包含了丰富的设计图表和修正系数,用于处理阀门、弯管和突变截面引起的能量耗散。一个专门的案例研究是关于泵选型与系统曲线的绘制,确保读者能够设计出节能且可靠的流体输送网络。 第8章:外部绕流与升阻力 此部分探讨流体与固体表面的相互作用。从边界层理论的定性介绍开始,我们深入分析了流动分离现象及其对阻力的影响。针对航空航天工程师,本章提供了翼型(Airfoil)的经典空气动力学概念,包括升力线理论的简化应用。对于土木工程师,则重点讨论了风荷载计算,并详细分析了钝体绕流中的尾流特性和涡街现象(卡门涡街)。 第9章:可压缩流动的初步探索 在处理高速度(尤其是在航空领域)时,流体密度变化不可忽略。本章对等熵流动的基本关系进行了梳理,并重点讲解了正激波与斜激波的Hugoniot关系和折射理论。通过对喷管和扩散器的分析,读者将掌握如何设计一个理想的推进或减速系统。 --- 本书的特色与优势 1. 物理直觉优先: 每项理论推导后都附有“工程洞察”框,帮助读者从物理上理解方程背后的含义,而不是仅仅记住数学形式。 2. 丰富且贴近现实的案例: 书中包含超过120个精心设计的例题和80个深度应用案例,覆盖了从微流控芯片设计到大型水力发电厂的实际工程挑战。 3. 注重现代工具的应用: 虽然强调基本理论,但本书在每一部分都指出了如何利用计算流体力学(CFD)软件来验证和扩展这些经典解的适用范围。 4. 清晰的符号系统与索引: 采用国际公认的符号标准,并在书末提供了详尽的符号索引,方便查阅。 《流体力学基础:从理论到应用》致力于培养新一代工程师的“流体思维”,使他们不仅能够解决已知的难题,更能预见和应对未来流体工程领域的新挑战。

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《FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS》不仅仅是一本教科书,更是一本能够激发读者求知欲的读物。作者在开篇就强调了热力学在现代社会发展中的基石地位,从能源生产到环境保护,从材料科学到生命科学,无不与热力学息息相关。这种宏观的视角,让我对接下来的学习充满了期待。书中对于可逆过程和不可逆过程的区分,以及对不可逆性产生的根源——熵增的深入分析,是本书的一大亮点。作者通过对实际工程案例的剖析,例如摩擦、阻力等导致的能量损耗,让我们深刻认识到在实际操作中,完全可逆的过程几乎不存在,而如何最大程度地减少不可逆损失,成为提升系统效率的关键。书中关于相平衡的讨论,也让我受益匪浅。作者结合相图,详细解释了纯物质和混合物在不同温度和压力下的相变行为,以及如何利用这些知识来优化化工过程的设计。例如,在炼油、化工分离等过程中,对相平衡的准确预测是保证产品质量和收率的关键。作者还介绍了各种类型的热力学系统,如封闭系统、开放系统和孤立系统,并详细阐述了在不同系统下应用热力学定律的方法。

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从工程应用的实用角度来看,这本书的内容安排非常贴合实际需求。《FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS》不仅讲解了热力学的基本原理,更重要的是,它将这些原理与实际的工程设计和运行相结合。作者在介绍热力学第二定律时,重点关注了“有效功”的概念,以及如何通过优化循环参数来提高热机的效率。书中关于制冷和热泵系统的详细分析,也让我印象深刻。作者不仅介绍了不同类型的制冷循环,如蒸汽压缩制冷循环、吸收式制冷循环等,还对它们的性能系数进行了详细的计算和比较,这对于实际的制冷设备设计具有重要的指导意义。此外,书中还涉及了热力学在新能源技术中的应用,例如太阳能热利用、地热能开发等,这些内容让我看到了热力学学科的广阔发展前景。作者在讲解过程中,还会穿插一些关于“能量管理”和“可持续发展”的讨论,强调了高效利用能源和减少环境污染的重要性,这让我觉得这本书不仅仅是传授知识,更是在培养工程师的责任感和使命感。

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这本书的叙述风格非常流畅自然,仿佛在与一位经验丰富的导师对话。作者在讲解每一个概念时,都会提供充分的背景信息和理论铺垫,确保读者能够理解其产生的逻辑和必要性。比如,在介绍热力学第二定律的统计学解释时,作者并没有直接跳到复杂的统计力学模型,而是从微观粒子的运动状态入手,逐步引导读者理解宏观熵的产生机制,这种循序渐进的方式让我感觉非常安心。书中对各种传热方式,如导热、对流和辐射,都进行了详细的介绍,并且结合了大量的工程实例,例如锅炉的换热设计、散热器的效率提升等,这些都极大地拓展了我对热力学在实际工程应用中的理解。作者还探讨了多相流的热力学性质,以及其在化工、能源等领域的应用,例如汽液两相流的相变过程分析,这对于理解许多化工单元的操作具有重要意义。我尤其欣赏作者在书中对于“功”和“热”的辨析,强调了它们作为能量传递形式的特性,以及在热力学分析中的不同处理方式。本书的附录部分,提供了各种常用物质的热力学性质表,这些表格的准确性和完整性,对于进行实际工程计算非常有帮助。

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这本书的封面设计颇具匠心,深邃的蓝色背景搭配醒目的白色书名,营造出一种专业而严谨的学术氛围。在初次翻阅时,我被其内容所吸引,作者在开篇便为我们构建了一个宏大而清晰的热力学世界。书中对于热力学第一定律的阐述,不仅仅是简单的能量守恒公式,更是通过大量贴近工程实际的案例,比如蒸汽机的改良、内燃机的效率提升,让我们深刻理解能量转换的本质及其在工程应用中的重要性。作者对理想气体状态方程的推导过程,逻辑严密,条理清晰,即使是对于初学者来说,也能够循序渐进地掌握。更令我印象深刻的是,书中对各种热力学过程,如等温过程、绝热过程、等容过程和等压过程,都进行了详尽的分析,并辅以图形化解释,这极大地帮助我理解了这些抽象概念。同时,作者在讲解过程中,非常注重理论与实践的结合,穿插了许多工程领域中的实际应用,例如制冷循环、热泵系统等,这些都让我在学习理论知识的同时,能够感受到热力学在现实世界中的巨大价值,它不仅仅是一门学科,更是驱动现代工业发展的重要引擎。我特别欣赏作者在处理复杂问题时,总是能化繁为简,用最直观的方式进行解释,使得那些看似高深的物理原理,在我们眼中变得生动易懂。这本书的印刷质量也相当不错,纸张厚实,排版舒适,无论是翻阅还是做笔记,都能获得良好的体验。

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总的来说,《FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS》是一本内容扎实、讲解清晰、应用广泛的工程热力学教材。作者在书中对热力学基本概念的阐释,逻辑严谨,层层递进,无论是对于初学者还是有一定基础的读者,都能从中获得深刻的理解。书中对热力学第一、第二、第三定律的介绍,都辅以大量的工程实例,使得抽象的理论能够与实际应用紧密结合。例如,在讲解热力学第二定律时,作者通过对内燃机、蒸汽机等热力机械效率的分析,让我们深刻认识到熵增原理在限制能量利用效率方面的作用,以及如何通过优化设计来提高其性能。书中关于“过程”的分析,无论是可逆过程还是不可逆过程,都通过清晰的图表和数学模型进行阐述,这为我们进行工程计算和分析提供了坚实的工具。此外,书中对各种热力学性质(如焓、熵、比热容等)的计算和应用,也进行了详细的讲解,并提供了大量的工程数据和图表,这为我们进行实际的工程设计和项目评估提供了便利。这本书不仅帮助我掌握了工程热力学的核心知识,更重要的是,它培养了我独立思考和解决复杂工程问题的能力,是一本真正能够帮助我们成为优秀工程师的宝贵财富。

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这本书的编排结构让我觉得非常高效。每一章都以清晰的学习目标开始,这让我能够提前了解本章的重点和难点。作者在讲解过程中,善于运用类比和图示,将抽象的热力学概念具象化,比如,在讲解热力学势的时候,作者用一个形象的比喻来形容它,让我瞬间理解了其本质。书中对不可逆过程的分析尤其深刻,它不仅仅局限于理论层面的讨论,更深入地探讨了不可逆性对实际工程效率的影响,以及如何通过优化设计来减小不可逆损失。我特别喜欢作者在描述各种热力学循环时,所使用的详细图表和计算过程,这使得我对不同循环的优缺点以及适用范围有了更清晰的认识。例如,在讲解布雷顿循环时,作者不仅详细列出了其各个过程的分析,还对其效率与涡轮前温度、压比等参数的关系进行了深入探讨,这对于理解燃气轮机的性能至关重要。书中的一些高级概念,如吉布斯自由能、亥姆霍兹自由能等,作者也能够用非常清晰的语言进行解释,并给出其在相变、化学反应等领域的应用,这让我对热力学的应用范围有了更深的认识。这本书不仅适合工程专业的学生,也对任何对能量科学感兴趣的人士都有极高的参考价值。

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我一直认为,学习一门学科,关键在于理解其核心概念的内在联系。这本书在这方面做得非常出色。《FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS》在介绍热力学第一定律时,非常注重能量的“形式”和“转换”,而不是简单地给出能量守恒的公式。作者通过对各种能量形式(如机械能、内能、化学能、电能等)的阐述,以及它们之间的相互转换过程,让我们对能量的本质有了更深刻的认识。例如,在讲解热机的工作原理时,作者清晰地展示了热能如何通过燃烧转化为内能,然后又如何转化为机械功。书中对“状态”和“过程”的定义也非常严谨,并由此引出了状态函数(如温度、压力、体积、内能、焓、熵等)和过程函数(如功、热量)。作者强调了状态函数只与系统的当前状态有关,而与达到该状态的路径无关,而过程函数则与能量传递的过程有关。这种概念的清晰界定,为后续的学习打下了坚实的基础。此外,书中还探讨了热力学在材料科学中的应用,比如材料在不同温度和压力下的相变行为,以及这些相变对材料性能的影响,这对于理解材料的加工和使用具有重要意义。

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坦白说,在拿到这本书之前,我对热力学一直抱有一种畏难情绪,觉得它充斥着各种公式和抽象概念,难以捉摸。然而,《FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS》彻底改变了我的看法。作者的叙述方式非常人性化,他没有上来就抛出一堆专业术语,而是从一些我们生活中常见的现象入手,比如烧水、做饭,来引出热力学的基本原理。这种“从易到难”的教学方法,让我在不知不觉中就建立起了对热力学的初步认知。书中对熵的概念的阐释尤其令人耳目一新。以往我对熵的理解只停留在“混乱度”这个层面,而这本书则将其与能量的品质、可利用性联系起来,并详细介绍了卡诺循环以及其在提高效率方面的作用。作者还深入探讨了热力学第二定律在实际工程中的各种应用,比如如何设计更高效的发动机,如何优化能量利用率,这些都让我看到了热力学学科的实际价值和广阔前景。书中提供的例题设计得非常巧妙,涵盖了各种典型工况,而且解答过程详细,解析深入,对我独立思考和解决问题能力的提升起到了极大的帮助。每章节末尾的习题,难度梯度也设计得很合理,从基础巩固到综合应用,能够帮助我们巩固所学知识,并为后续的学习打下坚实的基础。这本书让我觉得,学习热力学不再是一件枯燥乏味的事情,而是一次充满乐趣的探索过程。

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这本书的知识体系完整而深入,能够满足不同层次读者的需求。《FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS》在讲解热力学定律的同时,也穿插了大量的相关概念,比如比热容、传热系数、热导率等,这些概念的引入,使得热力学的分析更加全面和具体。作者在介绍热力学第一定律时,对能量守恒进行了多角度的阐释,从简单的能量转换到复杂系统的能量平衡,都进行了详细的分析。书中关于“能量的品位”这一概念的阐述,尤为重要。作者通过分析不同形式能量的内在价值,强调了低品位能量(如低品位热能)在利用上的局限性,以及如何通过有效的方式提升能量的品位,从而提高能源利用效率。这对于理解能源危机和可持续发展具有重要的启示意义。书中还探讨了热力学在生物工程领域的应用,例如生物体的能量代谢过程,这让我看到了热力学学科跨越不同领域的强大生命力。作者在处理复杂问题时,总是能够化繁为简,用清晰的逻辑和生动的语言,将抽象的概念转化为易于理解的知识,这一点非常值得称赞。

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我必须说,《FUNDAMENTALS OF ENGINEERING THERMODYNAMICS》在我对工程热力学的学习过程中,扮演了至关重要的角色。作者在本书中对基本概念的把握和呈现方式,堪称典范。他在介绍热力学第一定律时,并没有止步于能量守恒的表述,而是深入剖析了功和热量在能量传递中的不同作用,以及它们如何影响系统的内能变化。书中关于焓的引入和应用,尤其是在流体系统中的重要性,被解释得淋漓尽致。举个例子,作者通过对管道中流体流动过程的分析,清晰地展示了焓在计算能量传递中的必要性,这对于理解泵、压缩机等设备的功耗和能量效率至关重要。书中对熵增原理的阐述,也非常具象化。他通过一些日常生活的例子,如热茶逐渐冷却,水中的墨水扩散,来解释熵增的普遍性,然后将这种直观的理解过渡到更复杂的工程系统,例如蒸汽动力装置中的能量损耗。作者还详细介绍了各种工程系统中的热力学循环,如兰金循环、奥托循环、迪塞尔循环等,并对它们的效率、工作介质以及实际应用场景进行了详细的分析。尤其是对燃气轮机和内燃机循环的深入讲解,对于理解现代动力装置的原理非常有帮助。

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