Thermodynamics: Concepts and Applications（热力学：概念与应用）

引用

Turns, S. R., & Pauley, L. L. (2020). Thermodynamics: Concepts and Applications (2nd ed.). Cambridge University Press.

章节概要

第二版是一部超过850页的大开本全彩教材：13章正文之后是九个附录（历史年表、水蒸气表，空气、理想气体、其他气体、液体和烃类燃料的物性表，以及焓湿图）。第一版（2006年）由斯蒂芬·特恩斯独著，劳拉·波利从本版起加入。两位作者在序言中说明了主要变化：全书改为按热力学课程通常的讲授顺序编排；第二定律拆分为两章；混合物、湿空气、燃烧和平衡各有独立的章节；章末习题从899道增加到1,363道，并按小节分组。每章以学习目标和概述开始，以小结、关键概念与定义清单、思考题和习题结束。蒸汽动力厂、火花点火发动机和喷气发动机这三种应用作为贯穿全书的主题反复出现。

第1章：开端

借助三个反复出现的应用说明什么是热力学。本章定义了闭口系统和开口系统（控制体）、性质、状态、过程、循环、平衡与准平衡过程，并讲述量纲与单位、解题方法以及需要复习的数学。

第2章：热力学性质、性质关系与过程

篇幅超过100页的物性章节：状态公理、P–v–T状态方程和热状态方程、理想气体及其在P–v–T空间中的过程、非理想气体、液–汽物质及查表方法，以及液体和固体的近似处理。序言指出，与第二定律相关的性质留到后面的章节。

第3章：质量守恒

一整章专讲质量守恒：以通用的平衡原理为基础，先用于闭口系统，再用于稳定流动和非稳定流动的开口系统，并讨论流量和平均流速。第一版序言说明，本章有意纳入了通常出现在流体力学教材中的内容。

第4章：能量与能量传递

系统整体层面和微观层面的能量形式、跨越边界的热和功、符号约定与单位，以及导热、对流和辐射的速率定律，这些定律随后会用于后面的例题。

第5章：热力学第一定律

闭口系统的能量守恒（针对微小变化、状态变化和某一瞬时），继而是稳定流动和非稳定流动开口系统的能量守恒，以及在开口系统中的应用。

第6章：热力学第二定律及其若干推论

通过循环引入第二定律：热源、热机、热效率与性能系数、可逆性、开尔文–普朗克表述及其推论（开尔文绝对温标和卡诺效率），以及第二定律的其他表述。

第7章：熵与可用能

讲原理的章节中篇幅最长的一章。熵由可逆等温传热来定义，并依次展开为吉布斯关系式、理想气体等熵关系式、T–s图和h–s图、闭口与开口系统的熵平衡，以及涡轮、泵、压气机和喷管的等熵效率。本章最后讨论可用能（㶲），并附有熵的分子解释。序言指出，本章开头几节不依赖第6章，因此课程也可以从这里开始讲第二定律。

第8章：稳定流动设备的热流体分析

对喷管与扩压器、节流阀、泵、压气机与风机、涡轮以及换热器逐一分类和分析。

第9章：用于发电、推进、供热和制冷的系统

把第8章的设备组合成系统：带过热、再热和回热的朗肯循环（以及核电站）、燃气轮机、热电联产和联合循环电站、涡轮喷气发动机与推进效率、奥托循环和狄塞尔循环，以及蒸汽压缩式制冷机和热泵。

第10–11章：理想气体混合物；空气–水蒸气混合物

混合物成分的表示，以及理想气体混合物的状态关系、热关系和第二定律关系，并介绍吉布斯自由能；随后讨论用于空调和加湿的空气–水蒸气混合物：含湿量、相对湿度、露点、绝热饱和、湿球与干球温度以及焓湿图。

第12–13章：反应系统；化学平衡与相平衡

原子平衡与化学计量、标准化性质、定压燃烧和定容燃烧、热值，以及发动机燃烧室、锅炉和电站整体能量利用的稳定流动分析。第13章从第二定律推导平衡条件，讨论定温定压下的化学平衡、多重反应和相平衡。序言把第10–13章定位为很可能属于第二门课程的内容。

核心概念

第1–5章：基础与第一定律

• 闭口系统与开口系统：固定质量与有物质跨越边界的控制体，是贯穿全书的两种分析框架。
• 状态公理与状态方程：少数几个性质如何通过P–v–T关系和热关系确定其余性质。
• 通用平衡原理：同一种衡算形式，依次用于质量、能量以及后来的熵。
• 开口与闭口系统的第一定律：以微小变化、状态变化和速率形式表示的能量守恒。

第6–9章：第二定律及其应用

• 开尔文–普朗克表述与卡诺效率：基于循环的第二定律及其对热机的限制。
• 熵平衡与等熵效率：作为状态性质的熵，以及衡量实际设备与理想设备差距的指标。
• 可用能（㶲）：相对于环境，从系统中可获得的最大有用功。
• 动力循环与制冷循环：朗肯、燃气轮机、涡轮喷气、奥托、狄塞尔和蒸汽压缩循环。

第10–13章：混合物与反应

• 湿空气热力学：湿空气的含湿量、相对湿度和露点。
• 化学计量与热值：燃烧过程的质量与能量衡算。
• 化学平衡：在给定温度和压力下由第二定律确定的平衡组成。

评析

优点

• 进入第二定律的路径灵活。 序言说明，第二定律既可以通过第6章的循环分析引入，也可以从第7章熵的定义出发引入，而且第7章开头几节写得不依赖第6章。
• 与热流体科学的衔接。 正如第一版序言所述，质量守恒单独成章，并纳入了通常留给流体力学的内容；传热速率定律在第4章引入并在例题中反复使用。这为学生后续学习流体力学和传热学做好了准备。
• 有条理的练习。 例题遵循标准的解题格式，大多数例题后附有自测题，关键公式醒目标示；1,363道习题按小节编排，其中有面向FE考试的题目，也有EES或计算机题：先手算一个工况，再用软件求解同一问题，然后做参数研究。
• 真实的物性数据。 书中鼓励学生除印刷的表格外，还使用NIST物性软件和在线NIST WebBook。

局限

• 篇幅大、内容密。 全书超过850页，仅物性部分就超过100页，内容超出一门课程所能覆盖的范围，教师和学生都需要取舍。
• 后半部分是第二门课程的内容。 混合物、湿空气、燃烧和平衡虽然都有，但作者自己把它们归入很可能的第二门课程，因此第一门课程只会用到第1–9章。
• 部分内容以美国为背景。 全书统一使用国际单位制，但第1章用美国的电力数据来介绍应用，FE考试题目针对的也是美国的工程师资格考试。

在课程中的定位

Turns 和 Pauley 的书是热力学书目中的入门工程教材。Atkins 的 The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction 是一本几乎不用数学的简短概念伴读书：在学习第1–7章之前或同时阅读它，有助于学生在物性表和衡算方程登场之前，先弄清温度、能量和熵的含义。

书目中的其他主要工程教材，即 Çengel、Boles 和 Kanoglu 的 Thermodynamics: An Engineering Approach，Borgnakke 和 Sonntag 的 Fundamentals of Thermodynamics，以及 Moran、Shapiro、Boettner 和 Bailey 的 Fundamentals of Engineering Thermodynamics，涵盖的范围相近，每一本都可以作为课程教材。Turns 和 Pauley 的特色在于热流体科学的框架和进入第二定律的两条路径；使用其他教材的学生，也可以把本书关于质量守恒或稳定流动设备的章节当作另一种讲解来参考。Bejan 的 Advanced Engineering Thermodynamics 是一本把热力学定律重新作为设计和优化工具的研究生教材，是学完第7章和第9章之后自然的进阶读物。

如何使用本书

序言面向初次学习热力学基本原理的工科本科生。大学一年级的微积分和物理是自然的基础，第1章正文最后列出了需要复习的数学技能。

• 第一门课程的核心： 第1–9章。第2章起初可以有选择地阅读，之后每当后续章节需要用到物性时再回来查阅；第一版序言就把物性内容描述为需要反复回看的资料。
• 第二定律： 按课程选择的路径学习，先第6章后第7章，或先第7章后第6章。如果课程涉及㶲分析，要学习第7章末尾关于可用能的小节。
• 第二门课程或专业课程： 空调与暖通用第10–11章，燃烧与化学平衡用第12–13章。

利用每章的学习目标和关键概念清单安排复习，先做完例题后的自测题再往下学，并尝试EES或计算机题，练习用手算核对软件结果。出版社配套网站上的免费资源包括关于第一定律和理想气体过程的教学视频。