01 / 導讀
導讀
引用
Lienhard, J. H., V, & Lienhard, J. H., IV. (2024). A Heat Transfer Textbook (6th ed., Version 6.00). Phlogiston Press. Free official edition: https://ahtt.mit.edu/
章節概要
第1章：緒論
第一部「熱交換的一般問題」以本章開場。本章定義熱傳，將其與熱力學第一定律和第二定律（包括熱流所造成的熵產生）連結，並介紹三種熱傳方式：遵循傅立葉定律的熱傳導、以牛頓冷卻定律與熱傳係數描述的對流，以及遵循史特凡—波茲曼定律、維恩定律與普朗克定律的輻射。本章最後展望全書反覆出現的三項任務——求解熱傳導方程式、求 h、求輻射視因子——並說明章末習題的用意。
第2章：熱傳導概念、熱阻與總熱傳係數
本章推導熱傳導方程式，提出求解平板、圓柱與球體中一維穩態問題的逐步方法，並發展傅立葉定律、費克定律與歐姆定律之間的電學類比。熱阻網路、接觸熱阻、臨界絕熱半徑以及總熱傳係數 U（包括積垢熱阻）都搭配大量例題加以介紹，章末的簡短總結列出本章確立的內容。
第3章：熱交換器設計
本章利用第一定律與 U 推導兩股流體之間如何交換熱量。它介紹主要的熱交換器形式（順流與逆流、殼管式、交叉流），推導對數平均溫差及其修正係數，引入在出口溫度未知時使用的有效度—傳熱單元數（ε-NTU）法，並討論熱交換器的性能評估與尺寸設計之間的差別。序言把第1–3章合稱為熱傳學的「迷你課程」。
第4章：熱傳導分析、因次分析與鰭片設計
第二部「熱傳導分析」從說明什麼是適定的熱傳導問題以及如何求通解開始，其中包括一個以分離變數法求解的二維穩態問題。作者接著介紹他們自己簡化的因次分析方法（「函數置換法」與 π 定理），並在之後各章一以貫之，還把它應用於一個複雜的穩態熱傳導問題。本章以鰭片設計作結，從鰭片方程式與鰭片效率談到自然界中的鰭片實例，例如劍龍背上的骨板。
第5章：暫態與多維熱傳導
本章以詹姆斯・瓦特改良紐科門蒸汽機為例，說明暫態加熱造成的浪費，接著討論集總熱容冷卻與畢歐數、平板的級數解、溫度響應圖與單項近似解，以及向半無限區域的熱傳導（以日本刀鍛造為例）。最後幾節介紹穩態多維熱傳導（包括形狀因子與熱流線圖法），以及藉由疊加一維解處理的暫態多維熱傳導。
第6章：層流與紊流邊界層
第三部「對流熱傳」是全書篇幅最大的部分。本章推導平板層流邊界層的連續方程式、動量方程式與能量方程式，說明普朗特數在連結速度邊界層與溫度邊界層中的角色，並以積分法與相似解求得熱傳係數。本章介紹雷諾—柯爾本類比，接著——這部分內容在本版中經過全面改寫——討論紊流邊界層、紊流邊界層中的熱傳，以及在計算總熱傳時如何處理轉捩。
第7章：多種形態下的強制對流
本章轉向內部流動：管內層流速度分布與溫度分布的發展、完全發展流的紐塞數、紊流管流及其關聯式，以及把受熱管道視為熱交換器的想法。接著討論藉由水力直徑處理的非圓形管道、橫越圓柱與管束的流動，最後就如何尋找並評估超出解析範圍之形態的經驗關聯式提出建議。
第8章：單相流體的自然對流與膜狀凝結
由於浮力驅動的自然對流與重力驅動的膜狀凝結在物理上相通，本章把兩者的統御方程式並列推導。接著討論垂直等溫平板上的層流自然對流（含因次分析、實驗數據與邱吉爾—朱關聯式），圓柱、球體、水平平板與封閉空間中的自然對流，最後討論平板與圓柱上的層流膜狀凝結，包括紐塞分析。
第9章：沸騰及其他相變形態中的熱傳
本章從 1934 年拔山四郎的實驗與池沸騰曲線談起，說明成核與核沸騰、以泰勒不穩定性為基礎的峰值（燒毀）熱通量流體力學理論、膜沸騰及其與膜狀凝結的類比、最小熱通量與過渡沸騰。接著討論表面與系統的影響、管內強制對流沸騰與凝結、滴狀凝結，以及熱管。
第10章：輻射熱傳
第四部就是這個獨立的章節，讀完第2章之後隨時可以閱讀。它以第1章的輻射概念為基礎，討論克希何夫定律以及放射率與吸收率的關係、有限黑體之間的視因子及其計算方法、漫射灰體之間熱交換的電路網路法、穿過吸收與放射性氣體的輻射，以及太陽能，包括大氣吸收的作用。
第11章：質傳導論
第五部在本版中經過大幅修訂，介紹混合物組成與成分通量、二元混合物中的費克定律、成分守恆方程式以及靜止介質中的擴散。本章針對低質傳速率下的對流質傳發展熱傳與質傳的類比，並將其應用於熱傳質傳同時進行的過程（蒸發、濕球溫度）。接著以庫埃特流（停滯膜）模型處理高質傳速率及其對熱傳的影響，然後介紹混合物輸送性質的估算，最後是新增的多成分與非理想擴散一節。
核心概念
第1章：緒論
- 傅立葉定律：熱通量與溫度梯度的負值成正比，比例常數為熱傳導係數。
- 熱傳係數 h：對流熱通量與表面和流體溫差的比值。
- 黑體輻射：遵循普朗克定律的輻射，將其積分即得史特凡—波茲曼定律。
第2章：熱傳導概念、熱阻與總熱傳係數
- 熱傳導方程式：與傅立葉定律一起支配固體內溫度的能量平衡方程式。
- 熱阻：電阻的類比量，讓複合壁與對流表面可以當作電路處理。
- 總熱傳係數 U：把兩種流體之間所有熱阻合而為一的單一係數。
第3章：熱交換器設計
- 對數平均溫差：適用於 U 為常數之熱交換器的平均溫差。
- ε-NTU 法：在出口溫度未知時預測熱交換器性能的方法。
- 性能評估與尺寸設計：預測既有熱交換器的性能，與為所需熱負荷選擇尺寸之間的差別。
第4章：熱傳導分析、因次分析與鰭片設計
- 適定問題：具備求得唯一解所需之方程式、邊界條件與初始條件的熱傳導問題。
- π 定理與函數置換法：作者把問題化為無因次群的精簡方法。
- 鰭片效率：鰭片實際熱傳量與假設整片鰭片都處於鰭根溫度時之熱傳量的比值。
第5章：暫態與多維熱傳導
- 畢歐數與集總熱容：當內部熱阻遠小於表面熱阻時，物體以單一均勻溫度冷卻。
- 傅立葉數與單項解：無因次時間，超過一定值後只需級數第一項即可描述暫態熱傳導。
- 半無限體：熱量向深處滲透的解，後來成為理解邊界層的框架。
第6章：層流與紊流邊界層
- 邊界層：表面附近的薄層區域，速度與溫度在其中由壁面值變化到主流值。
- 普朗特數：動量擴散率與熱擴散率之比，決定兩種邊界層的相對厚度。
- 雷諾—柯爾本類比：連結壁面摩擦與熱傳的關係，可由其中一者估算另一者。
第7章：多種形態下的強制對流
- 完全發展流：管內速度分布與無因次溫度分布沿流動方向不再改變的區域。
- 水力直徑：讓圓管結果能在謹慎前提下推廣到非圓形管道的特徵長度。
- 經驗關聯式：以數據為基礎的紐塞數公式，但仍必須符合理論極限。
第8章：單相流體的自然對流與膜狀凝結
- 瑞立數與格拉秀夫數：衡量浮力相對於黏性擴散與熱擴散大小的無因次群。
- 膜狀凝結：液體在冷表面上形成連續液膜的凝結方式，由紐塞加以分析。
第9章：沸騰及其他相變形態中的熱傳
- 池沸騰曲線：熱通量與壁面過熱度之間的關係，包含核沸騰、過渡沸騰與膜沸騰三個區域。
- 峰值熱通量：核沸騰中的最大熱通量，可由流體力學（泰勒）不穩定性預測。
- 熱管：藉由工作流體的蒸發與凝結傳遞熱量的密閉裝置。
第10章：輻射熱傳
- 克希何夫定律：在適當條件下，放射率等於吸收率。
- 視因子：離開某一表面的輻射中到達另一表面的比例。
- 灰體網路：描述漫射灰體表面之間輻射交換的電學類比。
第11章：質傳導論
- 費克定律：在二元混合物中，擴散質量通量與質量分率梯度成正比。
- 熱傳質傳類比：在低質傳速率下，熱傳關聯式可以轉用於質傳。
- 停滯膜模型：用來考慮高質傳速率的庫埃特流模型。
評析
優點
- 結構清楚，內建「迷你課程」。 序言說明，第1–3章是以熱交換器設計作結、自成一體的概覽，之後才深入學習熱傳導、對流與輻射。這讓學生在花好幾章學習 h 與視因子之前，就明白它們為何重要。
- 物理解釋與歷史背景。 各章常以物理圖像與歷史片段開頭——傅立葉、瓦特與紐科門蒸汽機、拔山的沸騰實驗、理查森關於紊流的打油詩——內文不只列出關聯式，還詳細解釋邊界層與各沸騰區域的行為。
- 實用的因次分析方法。 作者的函數置換法（第4章）貫穿全書，為學生提供一個適用於之後所有問題的工具。
- 大量且目的明確的習題。 每章都有很長的習題（合計超過 500 題），方括號中附有部分答案；序言指出解答手冊現已收錄 520 多題的解答，網站上也連結了這些解答。第1章說明習題如何意在培養實際計算能力、物理洞察與分析能力。
局限
- 沒有數值方法章節。 第5章指出級數解法大多已被直接數值求解取代，但本書並未教授有限差分或有限元素方法，只有少數習題要求數值求解。
- 先修要求確實存在。 序言假定讀者具備大三、大四程度的熱力學與流體力學，第6章與第11章用到偏微分方程式與邊界層分析，對基礎較弱的學生要求頗高。
- 內容多於一學期。 序言本身就說一學期的課程必須捨去部分進階內容；沸騰、氣體輻射與多成分擴散通常超出第一門課的範圍。
- 幾乎只用 SI 單位。 英制單位只出現在少數習題中，這適合多數課程，但對必須使用美國慣用單位的學生而言，練習機會有限。
書中的應用
應用貫穿全書：熱交換器的性能評估與尺寸設計（第3章）、熱交換管與生物身上的鰭片（第4章）、以日本刀為例的淬火與鍛造（第5章）、微機電系統與緊密式熱交換器中的層流管流（第7章）、冷凝器（第8章）、鍋爐、蒸發器、滴狀凝結與熱管（第9章）、太陽能與大氣輻射（第10章），以及冷卻塔、除濕機、燃燒器與蒸發（第11章）。附錄 A 提供這些計算所需的物性資料。
在課程中的定位
在「熱傳與質傳」書單中，本書與 Nellis 和 Klein 的 Introduction to Engineering Heat Transfer 是入門性的選擇，Çengel 與 Ghajar 的 Heat and Mass Transfer、Kreith 與 Manglik 的 Principles of Heat Transfer 以及 Bergman、Lavine、Incropera 與 DeWitt 的 Fundamentals of Heat and Mass Transfer 則是內容更完整的工程教科書。根據介紹，這些都是涵蓋面廣的大學部教科書；Lienhard 父子這本書涵蓋相同的核心主題（熱傳導、對流、沸騰、輻射、質傳），既可作為第一門課的主教科書，也可作為上述任何一本的免費輔助讀物。從第9章與第11章可以看出，它對沸騰與質傳的討論相當充實，因此即使課程指定了其他教科書，它也很有用。
Ghiaasiaan 的 Convective Heat and Mass Transfer 是研究所層次、更專門的下一步；學生在轉讀該書之前，應先讀完本書第6–8章與第11章。
如何使用本書
本書為修過熱力學與流體力學的工科大三、大四學生而寫，也適合自學。一學期的課程應依作者的強調先講第1–3章，接著講第4章（因次分析與鰭片）、第5章中集總熱容與一維暫態的部分、第6章到雷諾—柯爾本類比為止再加上設計所需的紊流結果、第7章、第8章的自然對流部分，以及第10章。第10章在第2章之後隨時可以學習。第9章與第11章適合第二門課，或對製程工程、能源有興趣的學生；第11章不需要以第9章與第10章為前提。
每章做幾道習題，以方括號中的部分答案檢查進度，物性數值則查閱附錄 A。作者會在網站上發布修訂版，因此請記下書名頁背面的版本號並留意更新。
版本與來源
本導讀依據第六版 Version 6.00（2024 年 4 月 19 日，© 2024 John H. Lienhard V and John H. Lienhard IV，Phlogiston Press），自作者官方網站 https://ahtt.mit.edu/ 免費下載，該網站亦連結了解答手冊。本導讀參考了序言（本書架構與本版變更）、完整目錄，以及全部 11 章每一節的開頭、第2章總結、1.4–1.5 節全文，以及例題與章末習題的數量與選段。