01 / 导读
导读
引用
Bejan, A. (2016). Advanced Engineering Thermodynamics (4th ed.). Wiley.
章节概要
第四版共 13 章，另有一个简短的附录，包括符号表和索引在内约 750 页。出版社称，它的处理超出了多数热力学教材的基础内容，把热力学第一、第二定律与太阳能、制冷、空调、热流体设计、化学设计和构形设计等工程应用联系起来。前五章阐述定律、熵产生和㶲；中间几章讨论相、反应系统和动力；后面各章把这种方法用于制冷、熵产生最小化、不可逆热力学和构形定律。每一章结尾都有参考文献和习题。
第 1 章：第一定律
各节涵盖术语、封闭系统、功的传递、热的传递、能量变化、开口系统以及该定律的历史。开篇一节强调，任何分析的第一步都是明确地定义系统及其边界，并说明如果边界选错，就会掩盖熵产生的来源。这就是出版社提到的对基础知识的“浓缩”回顾，写作时着眼于后续章节的需要。
第 2 章：第二定律
先通过与一个、两个以及任意多个热源接触的循环来阐述封闭系统中的第二定律，然后是开口系统、局部平衡，以及熵最大和能量最小原理。随后是两种公理化的处理：卡拉泰奥多里（Carathéodory）的两条公理，以及“传热学者”的两条公理。本章以一节历史作结。
第 3 章：熵产生，或㶲的破坏
本章把损失的可用功与熵产生联系起来，并应用于热机循环、制冷循环和热泵循环，以及非流动过程和稳定流动过程。然后指出熵产生的机制（有温差的传热、有摩擦的流动和混合），并介绍熵产生最小化，包括树状流体流动和熵产生数。
第 4 章：单相系统
本章涵盖简单系统、平衡条件、基本关系式（能量表示与熵表示、欧拉方程、吉布斯–杜安关系）、勒让德变换、热力学性质之间的关系（麦克斯韦关系、布里奇曼表、雅可比行列式）、偏摩尔性质，以及理想气体混合物和实际气体混合物。
第 5 章：㶲分析
依次阐述非流动系统、流动系统以及广义的㶲分析，接着是关于空调的一节（湿空气、液态水的㶲和蒸发冷却）。
第 6 章：多相系统
本章从能量最小原理及其焓、亥姆霍兹和吉布斯形式开始，然后转向简单系统的稳定性、气态与液态的连续性（包括范德瓦尔斯方程和麦克斯韦等面积法则）、相图与吉布斯相律，以及对应态。
第 7 章：化学反应系统
主题包括化学平衡、亲和势与勒夏特列–布劳恩原理、不可逆反应、稳定流动燃烧（化学计量、第一和第二定律、最大输出功率）、燃料的化学㶲，以及定容燃烧。
第 8 章：发电
本章讨论受尺寸约束的最大功率和来自热流的最大功率、外部与内部不可逆性，以及先进的蒸汽轮机、燃气轮机和联合发电厂。
第 9 章：太阳能
从热辐射的热力学性质开始，然后是涉及辐射的可逆与不可逆过程、封闭黑体辐射的理想转换、单位集热面积输出功率的最大化、对流冷却的集热器、地外太阳能电站、气候和自泵送的大气环流。
第 10 章：制冷
内容包括焦耳–汤姆孙膨胀、做功膨胀、布雷顿循环、中间冷却、液化、有内部漏热的制冷机模型和磁制冷，并以第三定律结束。
第 11 章：熵产生最小化
本章讨论传热与流体流动中相互竞争的不可逆性、平衡逆流换热器、储存系统、功率最大化与熵产生最小化之间的取舍，并由熵产生最小化走向构形定律。
第 12 章：不可逆热力学
本章涵盖共轭的通量与力、线性化关系与互易关系、热电现象（珀尔帖、塞贝克、汤姆孙）、各向异性介质中的热传导和质量扩散。
第 13 章：构形定律
最后一章阐述构形定律，并将其应用于无生命的流动系统（如河流流域和湍流结构）和有生命的流动系统（如体表散热、呼吸和运动），再延伸到规模经济、生长与扩展，以及时间之箭。附录列出常数、数学公式、变分法以及若干状态的物性数据。
核心概念
第 1–3 章：定律与熵产生
- 系统与边界：明确定义系统，使热传递和熵传递在边界上保持连续。
- 熵产生（㶲的破坏）：全书使用的可用功损失的度量。
- 熵产生最小化：第 3 章引入、第 11 章展开的设计方法。
第 4–7 章：性质、㶲、相与反应
- 基本关系式与勒让德变换：性质之间关系的形式基础。
- 㶲分析：用可用功来评估流动与非流动系统。
- 稳定性与相平衡：能量最小原理、吉布斯相律和范德瓦尔斯方程。
- 亲和势与化学㶲：反应与燃料的热力学。
第 8–13 章：应用与拓展
- 约束下的最大功率：受尺寸和不可逆性限制的发电。
- 不可逆热力学：通量、力与互易性。
- 构形定律：流动系统朝着更易流动的方向演化的命题。
评析
优点
- 熵产生作为贯穿的线索。 第 3 章引入熵产生（㶲的破坏），第 11 章展开其最小化，而第 5、8、10 章把㶲和不可逆性应用于空调、发电厂和制冷，因此第二定律成了设计工具，而不只是一条陈述。
- 对基础的细致处理。 第 1 章的第一节讨论系统、边界，以及性质与功、热等量之间的区别；第 2 章给出第二定律的两种公理化处理和一节历史。这些对已经掌握基础、想了解框架为何如此构建的读者很有帮助。
- 应用范围广。 目录涵盖太阳能、气候、从制冷到磁制冷和第三定律、燃烧、热电效应以及生物流动系统。
- 每章都有习题和参考文献。 每章以参考文献和习题结尾；出版社称第四版增加了例题和更多课后习题。
局限
- 不是第一门课。 本书假定读者了解基础热力学。第 1 章是浓缩的回顾，出版社也把导论章节描述为在进入应用之前的快速复习。
- 有鲜明的个人视角。 第 11 章和第 13 章发展的是作者本人的熵产生最小化和构形定律，出版社称作者是构形方法的创始人。想要对各种热力学方法作中立综述的读者需要另找他书。
- 覆盖有所取舍。 目录中没有统计热力学一章，发电一章围绕最大功率和“先进的”蒸汽与燃气轮机电厂展开，而不是第一门课中的基本循环。
- 篇幅。 按出版社的页数约 800 页，超出一学期课程所能覆盖的范围，所以教师或读者必须选择章节。
在课程中的定位
Bejan 是热力学书单中面向进阶、作为第二门课的一本。Michael Moran 等人的 Fundamentals of Engineering Thermodynamics、Claus Borgnakke 和 Richard Sonntag 的 Fundamentals of Thermodynamics、Yunus Cengel 等人的 Thermodynamics: An Engineering Approach，以及 Stephen Turns 和 Laura Pauley 的 Thermodynamics: Concepts and Applications 是第一门课的工程教材，建立性质、第一和第二定律、循环，其中一些还包括反应系统。Peter Atkins 的 The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction 则是对四条定律的简明物理阐述。
应先读其中一本教材，因为 Bejan 的第 1 章只是压缩的回顾。当兴趣转向㶲、熵产生和面向效率的设计时，再在第一门课之后转向 Bejan。
如何使用本书
本书适合已经学过热力学、熟悉微积分的工程专业研究生和高年级本科生，也可作为研究㶲、动力循环和换热器设计的研究者的参考书。
实用的读法：
- 核心： 第 1 至 3 章讲定律与熵产生，然后是讲㶲分析的第 5 章。
- 按领域选择： 第 4 章和第 6 章讲性质关系与相平衡；第 7 章讲燃烧与反应系统；第 8 至 10 章讲动力与制冷。
- 设计方法： 第 11 章讲熵产生最小化，第 13 章讲构形定律，后者可以作为独立单元阅读。
- 练习： 做每章末的习题，并借助第 1、2 章的历史小节了解背景。