Introductory Transport Phenomena（輸送現象導論）

引用

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

章節概要

本書是伯德、斯圖爾特和萊特富特的經典研究生教材 Transport Phenomena 的大學部改編版，由丹尼爾·克林根伯格參與編寫。全書約780頁：先是導論性的第0章，然後是動量、能量和質量傳遞三部分（共24個編號章），之後是後記和五個附錄，分別是向量與張量記號、通量與變化方程、數學專題、傳遞物性估算用表以及常數與換算因子。卷首印有通量表達式彙總。出版社說明，本書的組織沿用原著，但表述針對初學者作了修改，推導更完整、步驟更細。每章末尾有小結和討論題，供「翻轉課堂」使用。三部分是平行搭建的：每種傳遞都重複同樣的章節順序，這也是閱讀下面目錄最清楚的方式。

第0章：傳遞現象這一學科

這是三部分開始之前的導論章，說明這門學科涵蓋什麼。出版社對本書方法的描述適用於此：動量、能量和質量傳遞放在一起講，每一種都可以在分子、微觀和宏觀三個層次上學習。

第一部分 第1–3章：黏度與動量傳遞機理；殼層動量衡算與層流中的速度分佈；等溫系統的變化方程

先從分子層次入手，以黏度作為動量的傳遞物性。隨後用殼層衡算求出簡單層流中的速度分佈，第3章再把這些推廣為等溫系統的變化方程。

第一部分 第4–8章：紊流中的速度分佈；等溫系統的因次分析；等溫系統的相間傳遞；等溫流動系統的宏觀衡算；非牛頓液體

其餘的動量章節把討論擴展到紊流，用因次分析整理結果，轉向相與相之間的傳遞，最後在宏觀層次上對整個流動系統作衡算。第8章討論非牛頓液體，在能量和質量兩部分中沒有對應的章節。

第二部分 第9–16章：熱導率與能量傳遞機理；固體和層流中的殼層能量衡算與溫度分佈；非等溫系統的變化方程；紊流中的溫度分佈；非等溫系統的因次分析；非等溫系統的相間傳遞；非等溫系統的宏觀衡算；輻射能量傳遞

第二部分針對熱量重複動量部分的順序：熱導率、固體和層流中的殼層能量衡算、非等溫變化方程、紊流、因次分析、相間傳遞和宏觀衡算。輻射取代非牛頓液體一章，成為能量部分特有的專題。

第三部分 第17–24章：擴散係數與質量傳遞機理；固體和層流中的濃度分佈；二元混合物的變化方程；紊流中的濃度分佈；流動混合物的因次分析；非等溫混合物的相間傳遞；多組分系統的宏觀衡算；質量傳遞的其他機理

第三部分針對化學物種走同樣的路徑：擴散係數、由殼層衡算得到的濃度分佈、二元混合物的變化方程、紊流、因次分析、相間傳遞和多組分系統的宏觀衡算。最後一章討論普通擴散以外的質量傳遞機理。正文以後記結束。

核心概念

第0章與全書結構

• 三種傳遞的類比：動量、能量和質量平行展開，使它們的守恆方程和傳遞係數之間的異同一目瞭然。
• 三個描述層次：分子層次（傳遞物性）、微觀層次（變化方程）和宏觀層次（整個系統的衡算）。

第一部分：動量傳遞

• 黏度：把動量通量與速度梯度聯繫起來的傳遞物性。
• 殼層衡算：對一個薄層區域作衡算，得出簡單層流的速度分佈。
• 變化方程：等溫流動的一般微分方程，通量和方程彙總在附錄B中。
• 非牛頓液體：黏性行為不服從牛頓黏性定律的流體。

第二部分：能量傳遞

• 熱導率：導熱熱通量的傳遞物性。
• 相間傳遞：相與相之間的換熱，藉助因次分析加以整理。
• 輻射：不需要物質介質的能量傳遞。

第三部分：質量傳遞

• 擴散係數：混合物中分子質量通量的傳遞物性。
• 二元混合物：雙組分系統的變化方程。
• 多組分系統的宏觀衡算：對整臺設備或整個器官、針對多種物種的衡算。

評析

優點

• 統一的處理。 三部分平行的結構讓每一部分都能沿用前一部分的方法，出版社也強調三組守恆方程和傳遞係數之間的比較。Wiley 引用的 TCE（The Chemical Engineer，2015年5月）書評，作者若澤·卡洛斯·馬加良斯·皮雷斯稱本書是該主題最完備的書之一，並指出很少有書能如此深入地涵蓋全部三種傳遞。
• 推導更易理解。 據出版社介紹，本書比原著用更多篇幅講數學推導，逐步解釋，並附有數學專題附錄，另有一個講向量與張量記號的附錄。
• 教學輔助。 章末小結和討論題適合翻轉課堂，卷首的通量彙總和附錄B可作參考，Wiley 還提供學生和教師配套網站。
• 通向經典原著的路徑。 由於組織方式沿用 Transport Phenomena，日後需要研究生版本的學生會看到同樣的結構和記號。

局限

• 通用的工程教材。 從章名看不到生物或醫學應用。在生物傳遞課程中，生理背景（血流、膜、氧傳輸、醫療器材）必須從其他書中獲得。
• 篇幅長、數學性強。 全書約780頁，並專設一個附錄講向量與張量記號，內容超出一學期課程所能覆蓋的範圍，並要求讀者熟悉微分方程。
• 部分主題只有一章。 非牛頓行為、輻射和質量傳遞的「其他機理」各只有一章，只能算入門，而非完整的論述。

在課程中的定位

在這門課中，本書提供傳遞的一般物理基礎，其他書則把它應用到生命系統。魯賓斯坦、尹與弗雷姆的 Biofluid Mechanics 是一本通過血液循環講授流體力學的入門教材，不要求先修流體力學，是進入第一部分內容的更平緩的入口。富尼耶的 Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering 以及羅塞利與迪勒的 Biotransport: Principles and Applications 都討論動量、熱量和質量傳遞，並始終配以生理和醫療器材的例子；羅塞利與迪勒甚至採用了同樣的「宏觀—殼層衡算—微觀」順序。從伯德等人這裡學會方法的學生可以轉向其中任何一本學習應用，也可以以其中一本為主教材，把本書當作推導的參考。

特拉斯基、袁凡和卡茨的 Transport Phenomena in Biological Systems 把傳遞理論與生理學聯繫起來，包括伴隨反應的擴散和電動過程，適合作為本書之後的更高階課程。弗裡德曼的 Principles and Models of Biological Transport 是一本討論跨膜和跨上皮傳遞的研究生教材，這個主題本書沒有涉及。

如何使用本書

本書面向第一次修讀傳遞課程的化學工程、機械工程或生物醫學工程大學部學生。讀者需要掌握到微分方程為止的微積分和基礎物理；附錄A和C提供向量與張量記號以及數學專題，值得儘早閱讀。

實用安排：

• 起步： 第0章，然後第1–3章，親手推演殼層衡算的例子。這幾章確立了全書的方法。
• 生物傳遞課程的核心： 第9–11章和第17–19章，即熱量和質量的分子、殼層衡算和變化方程各章，與第1–3章對照閱讀，體會其中的類比。
• 下一步： 相間傳遞和宏觀衡算各章（第6–7、14–15、22–23章），它們把理論與設備和器官層面的問題聯繫起來。
• 選讀： 紊流（第4、12、20章）、非牛頓液體（第8章）、輻射（第16章）以及質量傳遞的其他機理（第24章），根據課程需要選擇。

做習題之前，先用章末小結和討論題檢查理解；並把每一部分與富尼耶、羅塞利與迪勒或特拉斯基、袁凡與卡茨書中相應的生物學章節搭配閱讀。