Introductory Transport Phenomena（传递现象导论）

引用

Bird, R. B., Stewart, W. E., Lightfoot, E. N., & Klingenberg, D. J. (2014). Introductory Transport Phenomena. Wiley.

章节概要

本书是伯德、斯图尔特和莱特富特的经典研究生教材 Transport Phenomena 的本科改编版，由丹尼尔·克林根伯格参与编写。全书约780页：先是导论性的第0章，然后是动量、能量和质量传递三部分（共24个编号章），之后是后记和五个附录，分别是矢量与张量记号、通量与变化方程、数学专题、传递物性估算用表以及常数与换算因子。卷首印有通量表达式汇总。出版社说明，本书的组织沿用原著，但表述针对初学者作了修改，推导更完整、步骤更细。每章末尾有小结和讨论题，供“翻转课堂”使用。三部分是平行搭建的：每种传递都重复同样的章节顺序，这也是阅读下面目录最清楚的方式。

第0章：传递现象这一学科

这是三部分开始之前的导论章，说明这门学科涵盖什么。出版社对本书方法的描述适用于此：动量、能量和质量传递放在一起讲，每一种都可以在分子、微观和宏观三个层次上学习。

第一部分 第1–3章：黏度与动量传递机理；壳层动量衡算与层流中的速度分布；等温系统的变化方程

先从分子层次入手，以黏度作为动量的传递物性。随后用壳层衡算求出简单层流中的速度分布，第3章再把这些推广为等温系统的变化方程。

第一部分 第4–8章：湍流中的速度分布；等温系统的量纲分析；等温系统的相间传递；等温流动系统的宏观衡算；非牛顿液体

其余的动量章节把讨论扩展到湍流，用量纲分析整理结果，转向相与相之间的传递，最后在宏观层次上对整个流动系统作衡算。第8章讨论非牛顿液体，在能量和质量两部分中没有对应的章节。

第二部分 第9–16章：热导率与能量传递机理；固体和层流中的壳层能量衡算与温度分布；非等温系统的变化方程；湍流中的温度分布；非等温系统的量纲分析；非等温系统的相间传递；非等温系统的宏观衡算；辐射能量传递

第二部分针对热量重复动量部分的顺序：热导率、固体和层流中的壳层能量衡算、非等温变化方程、湍流、量纲分析、相间传递和宏观衡算。辐射取代非牛顿液体一章，成为能量部分特有的专题。

第三部分 第17–24章：扩散系数与质量传递机理；固体和层流中的浓度分布；二元混合物的变化方程；湍流中的浓度分布；流动混合物的量纲分析；非等温混合物的相间传递；多组分系统的宏观衡算；质量传递的其他机理

第三部分针对化学物种走同样的路径：扩散系数、由壳层衡算得到的浓度分布、二元混合物的变化方程、湍流、量纲分析、相间传递和多组分系统的宏观衡算。最后一章讨论普通扩散以外的质量传递机理。正文以后记结束。

核心概念

第0章与全书结构

• 三种传递的类比：动量、能量和质量平行展开，使它们的守恒方程和传递系数之间的异同一目了然。
• 三个描述层次：分子层次（传递物性）、微观层次（变化方程）和宏观层次（整个系统的衡算）。

第一部分：动量传递

• 黏度：把动量通量与速度梯度联系起来的传递物性。
• 壳层衡算：对一个薄层区域作衡算，得出简单层流的速度分布。
• 变化方程：等温流动的一般微分方程，通量和方程汇总在附录B中。
• 非牛顿液体：黏性行为不服从牛顿黏性定律的流体。

第二部分：能量传递

• 热导率：导热热通量的传递物性。
• 相间传递：相与相之间的换热，借助量纲分析加以整理。
• 辐射：不需要物质介质的能量传递。

第三部分：质量传递

• 扩散系数：混合物中分子质量通量的传递物性。
• 二元混合物：双组分系统的变化方程。
• 多组分系统的宏观衡算：对整台设备或整个器官、针对多种物种的衡算。

评析

优点

• 统一的处理。 三部分平行的结构让每一部分都能沿用前一部分的方法，出版社也强调三组守恒方程和传递系数之间的比较。Wiley 引用的 TCE（The Chemical Engineer，2015年5月）书评，作者若泽·卡洛斯·马加良斯·皮雷斯称本书是该主题最完备的书之一，并指出很少有书能如此深入地涵盖全部三种传递。
• 推导更易理解。 据出版社介绍，本书比原著用更多篇幅讲数学推导，逐步解释，并附有数学专题附录，另有一个讲矢量与张量记号的附录。
• 教学辅助。 章末小结和讨论题适合翻转课堂，卷首的通量汇总和附录B可作参考，Wiley 还提供学生和教师配套网站。
• 通向经典原著的路径。 由于组织方式沿用 Transport Phenomena，日后需要研究生版本的学生会看到同样的结构和记号。

局限

• 通用的工程教材。 从章名看不到生物或医学应用。在生物传递课程中，生理背景（血流、膜、氧传输、医疗器械）必须从其他书中获得。
• 篇幅长、数学性强。 全书约780页，并专设一个附录讲矢量与张量记号，内容超出一学期课程所能覆盖的范围，并要求读者熟悉微分方程。
• 部分主题只有一章。 非牛顿行为、辐射和质量传递的“其他机理”各只有一章，只能算入门，而非完整的论述。

在课程中的定位

在这门课中，本书提供传递的一般物理基础，其他书则把它应用到生命系统。鲁宾斯坦、尹与弗雷姆的 Biofluid Mechanics 是一本通过血液循环讲授流体力学的入门教材，不要求先修流体力学，是进入第一部分内容的更平缓的入口。富尼耶的 Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering 以及罗塞利与迪勒的 Biotransport: Principles and Applications 都讨论动量、热量和质量传递，并始终配以生理和医疗器械的例子；罗塞利与迪勒甚至采用了同样的“宏观—壳层衡算—微观”顺序。从伯德等人这里学会方法的学生可以转向其中任何一本学习应用，也可以以其中一本为主教材，把本书当作推导的参考。

特拉斯基、袁凡和卡茨的 Transport Phenomena in Biological Systems 把传递理论与生理学联系起来，包括伴随反应的扩散和电动过程，适合作为本书之后的更高阶课程。弗里德曼的 Principles and Models of Biological Transport 是一本讨论跨膜和跨上皮传递的研究生教材，这个主题本书没有涉及。

如何使用本书

本书面向第一次修读传递课程的化学工程、机械工程或生物医学工程本科生。读者需要掌握到微分方程为止的微积分和基础物理；附录A和C提供矢量与张量记号以及数学专题，值得尽早阅读。

实用安排：

• 起步： 第0章，然后第1–3章，亲手推演壳层衡算的例子。这几章确立了全书的方法。
• 生物传递课程的核心： 第9–11章和第17–19章，即热量和质量的分子、壳层衡算和变化方程各章，与第1–3章对照阅读，体会其中的类比。
• 下一步： 相间传递和宏观衡算各章（第6–7、14–15、22–23章），它们把理论与设备和器官层面的问题联系起来。
• 选读： 湍流（第4、12、20章）、非牛顿液体（第8章）、辐射（第16章）以及质量传递的其他机理（第24章），根据课程需要选择。

做习题之前，先用章末小结和讨论题检查理解；并把每一部分与富尼耶、罗塞利与迪勒或特拉斯基、袁凡与卡茨书中相应的生物学章节搭配阅读。