01 / 読書ガイド
読書ガイド
引用
Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2018). Fundamentals of Engineering Thermodynamics (9th ed.). Wiley.
章の要約
本書は14章、約880ページで、そのあとに物性表・図・線図の付録、換算係数、「本書の効果的な使い方」の節が続く。各章は「章のまとめと学習ガイド」で終わる。出版社が見本として公開している第1章がその型を示している。章の学習目標、例題、「クイックテスト（Quick Quiz）」、読者ができるようになるべきことのチェックリストである。出版社は、本書を、学生が有効な問題解決者になるための教科書と説明し、現実の応用をエネルギーと環境、生体医工学・生物工学の話題、新興技術から取っているとしている。
第1–2章：はじめに；エネルギーと熱力学第一法則
第1章は、系（閉じた系と検査体積）、性質、状態と過程、示量性質と示強性質、平衡、SI単位と英国工学単位、比体積、圧力、温度を導入し、問題を解く五段階の方法（既知、求めるもの、概略図と与えられたデータ、工学モデル、解析）を示す。工学設計と解析に関する短い節もある。第2章は力学的エネルギーを復習し、仕事と熱によるエネルギー移動の考え方を広げ、閉じた系のエネルギー収支を組み立てる。サイクル解析とエネルギー貯蔵の節もある。
第3章：物性の評価
物性データの入手を扱う長い章である。圧力・比体積・温度の関係、相変化、表とソフトウェア、比熱、液体と固体、一般化圧縮係数線図、理想気体モデル、ポリトロープ過程を扱う。
第4章：エネルギーによる検査体積の解析
検査体積に対する質量とエネルギーの保存を、定常状態でノズルとディフューザ、タービン、圧縮機とポンプ、熱交換器、絞り装置に適用し、そのあとシステム統合と非定常解析を扱う。
第5–7章：熱力学第二法則；エントロピーの利用；エクセルギー解析
第5章は第二法則を述べ、可逆性と不可逆性、ケルビン温度目盛と国際温度目盛、カルノーサイクル、クラウジウスの不等式を扱う。第6章はエントロピーと、閉じた系および検査体積に対するその収支、等エントロピー効率を展開する。第7章はエクセルギーとエクセルギー収支を導入する。
第8–10章：蒸気動力システム；ガス動力システム；冷凍・ヒートポンプシステム
法則を動力サイクルと冷凍に応用する。蒸気圧縮式と吸収式の冷凍、ヒートポンプシステム、ガス冷凍を含む。第9章には、航空機推進用のガスタービンと、ノズルおよびディフューザ内の圧縮性流れの入門も含まれる。
第11–14章：熱力学的関係式；理想気体混合物と湿り空気への応用；反応混合物と燃焼；化学平衡と相平衡
最後の4章は、より進んだ内容に向かう。物性の関係式、湿り空気と空調を含む混合物、反応系を伴う燃焼、化学平衡と相平衡である。
主要概念
第1–4章：系、エネルギー、物性
- 閉じた系と検査体積：解析の対象を定める二つの方法。
- エネルギー収支：仕事と熱によるエネルギー移動の勘定。
- 物性の評価：表、ソフトウェア、理想気体などのモデル。
- 定常状態の機器：ノズル、タービン、圧縮機、熱交換器、絞り。
第5–7章：第二法則とエクセルギー
- 第二法則の表現：クラウジウス、ケルビン＝プランク、エントロピーによる表現。
- エントロピーとその収支：方向と損失を知るための性質。
- 等エントロピー効率：実際のタービン、圧縮機、ノズル、ポンプを理想的なものと比べること。
- エクセルギー：死状態に対して得られる最大の有用仕事。
第8–14章：サイクルと発展的な主題
- 動力サイクルと冷凍サイクル：蒸気動力、ガス動力、冷凍、ヒートポンプ。
- 湿り空気：湿り空気と空調。
- 燃焼と平衡：反応混合物、化学平衡、相平衡。
批判的分析
長所
- 明示された問題解決の方法。 第1章は五段階の解法の書式を示し、機械的に当てはめないよう注意している。例題はその書式に従い、学んだことについての注釈が付けられている。
- 明快な学習支援。 各章に学習目標、欄外の用語、「主要な工学概念」の一覧、学習ガイドのチェックリストがあり、進み具合を確認できる。
- 最初のコースとその先まで。 最初の7章が法則とエクセルギー、次の3章が主要なサイクル、最後の4章が関係式、混合物、燃焼、平衡へと広がる。
- エクセルギーが本筋にある。 エクセルギー解析の1章がエントロピーの章の直後に置かれ、エクセルギーは主要な流れの一部になっている。
短所
- 分量。 880ページあり、1つの授業で扱える範囲を超えるので、どこを飛ばすかを読者が決める必要がある。
- ソフトウェアと表。 この方法は物性表（付録にはSI単位と英国単位それぞれの表の索引がある）とソフトウェアに依存するため、学生は両者を行き来することに慣れる必要がある。
- 後半の章はより抽象的。 第11章は状態方程式と重要な数学的関係式の節から始まり、第14章は平衡の判定基準を展開するので、終盤の章は序盤より数学的・化学的である。
コースにおける位置づけ
この熱力学コースの書目のなかで、MoranとShapiroは、第一法則からサイクルと混合物まで全体を通す完全な工学教科書の仲間に入る。BorgnakkeとSonntagの Fundamentals of Thermodynamics と Thermodynamics: An Engineering Approach は同種の工学教科書で最も近い代替であり、学生は文体で選べる。Thermodynamics: Concepts and Applications は、例題中心のより軽い入門で、最初の通読に向く。Atkinsの The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction は工学計算なしで背後の考え方を示し、Bejanの Advanced Engineering Thermodynamics は大学院向けの続編として、本書の第5〜7章の後にエクセルギーとエントロピー生成を発展させる。
本書の使い方
微積分ベースの初等物理と1変数の微積分を学んだ工学系の学生に向く。燃焼の章では化学の知識が少しあると役に立つ。
最初のコースでは第1〜6章を丁寧に読む。検査体積とエントロピーの章がその後のすべての土台になるからである。第3章は、論理を理解したあとは物性データの参照用として使える。そのあと、授業に応じて（発電か冷凍か）第8〜10章からサイクルを選ぶ。設計志向の学生には第7章のエクセルギー解析が価値をもつ。第11〜14章は2つ目の授業やより進んだコースに向く。
章末問題は五段階の書式で解き、「章のまとめと学習ガイド」のチェックリストで準備の度合いを確かめ、解くときには付録の表を手元に置く。