Fundamentals of Thermodynamics（热力学基础）

引用

Borgnakke, C., & Sonntag, R. E. (2022). Fundamentals of Thermodynamics (10th ed., international adaptation, SI units). Wiley.

章节概要

出版社的目录显示全书共十三章，约736页。每章末尾都有小结和习题，多数章还设有“工程应用”一节。出版社说明这一国际改编版采用国际单位制（SI），并作了一些结构调整。

第1章：导论与基本概念（Introduction and Preliminaries）

建立全书的词汇体系：热力学系统与控制体、宏观与微观观点、性质、状态、过程与循环、单位、比体积与密度、压力、能量、温度和热力学第零定律，最后以工程应用结束。

第2章：纯物质的性质（Properties of a Pure Substance）

讲相界与P-v-T曲面，两相、液态、固态和过热状态的性质表的使用，理想气体模型，压缩因子和状态方程。

第3章：能量方程与热力学第一定律（Energy Equation and First Law of Thermodynamics）

引入能量方程和第一定律，以及功（包括移动边界功）、热与传热方式、内能、焓、比热和理想气体的能量变化。本章有一节专讲问题分析与求解方法，也讨论了非均匀状态和瞬态传热过程。

第4章：控制体的能量分析（Energy Analysis for a Control Volume）

把质量守恒和能量方程用于控制体：稳态过程、稳态设备的例子、多股流动设备和瞬态流动。

第5–6章：热力学第二定律；熵（The Second Law of Thermodynamics; Entropy）

第5章讲热机、制冷机与热泵，第二定律，可逆与不可逆，卡诺循环，热力学温标与理想气体温标，以及克劳修斯不等式。第6章把熵定义为系统的性质，计算物质、固体、液体和理想气体的熵变，讲可逆多变过程、熵产和熵增原理，最后谈到熵与混沌。

第7–8章：控制体的熵分析；㶲（Entropy Analysis for a Control Volume; Exergy）

第7章把熵平衡推广到控制体，包括稳态和瞬态过程以及设备效率。第8章讲㶲、可逆功与不可逆性、㶲平衡和第二定律效率。

第9–10章：燃气动力与制冷系统；蒸汽动力与制冷系统（Gas Power and Refrigeration Systems; Vapor Power and Refrigeration Systems）

第9章讲空气标准循环：斯特林与爱立信循环、奥托、狄塞尔、混合加热、阿特金森与米勒循环、带回热的布雷顿循环、燃气轮机的各种配置、喷气推进以及空气标准制冷循环。第10章讲朗肯循环及其再热和回热形式、实际循环与理想循环的偏差、热电联供、蒸气压缩制冷及其工质、吸收式循环、循环的㶲分析以及联合循环系统。

第11–12章：气体混合物；热力学关系式（Gas Mixtures; Thermodynamic Relations）

第11章处理理想气体混合物和气-汽混合物，包括绝热饱和、湿球与干球温度和焓湿图。第12章汇集克拉珀龙方程、麦克斯韦关系式、焓、内能和熵的关系式、压缩性与膨胀系数、状态方程与通用图，以及混合物的性质关系。

第13章：化学反应（Chemical Reactions）

讲燃料与燃烧、生成焓、反应系统的能量分析、热值、绝热火焰温度、第三定律与绝对熵、反应系统的第二定律分析以及燃料电池。

核心概念

第1–4章：基础、性质、第一定律

• 控制体：物质可以流进流出的空间区域，第1章引入，第4章加以分析。
• 压缩因子：衡量偏离理想气体行为的修正量。
• 焓与比热：第一定律各章所用的性质和热容概念。

第5–8章：第二定律、熵与㶲

• 卡诺循环与克劳修斯不等式：作为参照的循环，以及发展出熵的那个不等式。
• 熵产：熵平衡中用来度量不可逆性的量。
• 㶲与第二定律效率：可用功，以及据此定义的效率。

第9–13章：循环、混合物、关系式、化学反应

• 空气标准循环：理想化的燃气动力循环（奥托、狄塞尔、布雷顿等）与制冷循环。
• 朗肯循环：基本的蒸汽动力循环，带再热与回热。
• 焓湿图：用于气-汽混合物的图表，与湿球、干球温度相联系。
• 麦克斯韦关系式：联系各热力学性质的恒等式。
• 绝热火焰温度：燃烧过程无热损失时所达到的温度。

评析

优点

• 清晰而系统的顺序。 目录从性质讲到控制质量和控制体的第一定律，再到第二定律、控制质量和控制体的熵以及㶲，然后才是应用各章。控制体分析（第4章）排在第二定律之前，因此两条定律都较早地用于开口系统。
• 熵和㶲占有充分篇幅。 熵占两章（第6章和第7章），㶲单独成章，第10章还有循环的㶲分析。这适合把第二定律分析当作实用工具来学的学生。
• 一致的教学结构。 每章以小结和习题结束，多数章设有“工程应用”一节，第3章还有一节专讲问题分析与求解方法。
• 应用覆盖面宽。 循环各章包含阿特金森和米勒循环、喷气推进、吸收式制冷和联合循环等变体；第13章包括燃料电池。

局限

• 没有相平衡、化学平衡和可压缩流动章节。 这一国际改编版的十三章止于化学反应。需要平衡或可压缩流动的读者要另找一本书。
• 改编版。 出版社说明这是采用SI单位的国际改编版，有一些结构调整，因此章节编号和部分内容可能与本书的其他版本不同。请对照所持版本核对教学大纲。
• 应用内容集中在少数几章。 混合物与湿空气（第11章）、热力学关系式（第12章）和反应系统（第13章）各只有一章，所以在燃烧或空调上花较多时间的课程需要补充材料。

在课程中的定位

Borgnakke与Sonntag的书是一年级或二年级工程热力学课程的完整主教材。Çengel、Boles与Kanoğlu的 Thermodynamics: An Engineering Approach 是直接的替代选择；其第十版有18章，与这个改编版不同，包含化学与相平衡以及可压缩流动两章。它同样用两章讲熵（Entropy与Entropy Analysis）。Moran、Shapiro、Boettner与Bailey的 Fundamentals of Engineering Thermodynamics 是另一本范围相近的系统化主教材；Turns与Pauley的 Thermodynamics: Concepts and Applications 则是更平易、以例题为主的入门书，第二版把第二定律分成两章，并增加了混合物、湿空气、化学平衡和燃烧。

Peter Atkins的 The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction 是对四条定律的简明概念性预览。本课程书单中偏物理的几本书里，Schroeder的 An Introduction to Thermal Physics 通过计数微观状态来定义温度和熵，Blundell夫妇的 Concepts in Thermal Physics 则从概率和温度的含义出发建立各条定律。Bejan的 Advanced Engineering Thermodynamics 是研究生层次的延伸，把㶲和熵产当作设计工具。

如何使用本书

本书面向学过一年级微积分和基础物理、正在修第一或第二门热力学课程的工科学生。第1–4章请依次阅读，因为后面的一切都依赖性质和能量方程；从第2章起就要配合性质表。

• 核心： 第1–8章是这门学科的核心。不要跳过第4章，并给第5–8章足够的时间：它们承载着第二定律、熵与㶲。
• 循环： 第9章和第10章是前面各章的应用。选择与课程相符的燃气轮机和朗肯循环部分，把阿特金森/米勒循环或吸收式制冷等变体当作选读。
• 按需选读： 湿空气与空调读第11章，热力学关系式读第12章，燃烧与反应系统读第13章。

逐步跟着每个例题走一遍，再做章末习题；做习题之前，先用各章小结复习。