01 / 導讀
導讀
引用
Bejan, A. (2016). Advanced Engineering Thermodynamics (4th ed.). Wiley.
章節概要
第四版共 13 章，另有一個簡短的附錄，包括符號表和索引在內約 750 頁。出版社稱，它的處理超出了多數熱力學教材的基礎內容，把熱力學第一、第二定律與太陽能、製冷、空調、熱流體設計、化學設計和構形設計等工程應用聯繫起來。前五章闡述定律、熵產生和有效能；中間幾章討論相、反應系統和動力；後面各章把這種方法用於製冷、熵產生最小化、不可逆熱力學和構形定律。每一章結尾都有參考文獻和習題。
第 1 章：第一定律
各節涵蓋術語、封閉系統、功的傳遞、熱的傳遞、能量變化、開口系統以及該定律的歷史。開篇一節強調，任何分析的第一步都是明確地定義系統及其邊界，並說明如果邊界選錯，就會掩蓋熵產生的來源。這就是出版社提到的對基礎知識的「濃縮」回顧，寫作時著眼於後續章節的需要。
第 2 章：第二定律
先通過與一個、兩個以及任意多個熱源接觸的迴圈來闡述封閉系統中的第二定律，然後是開口系統、區域性平衡，以及熵最大和能量最小原理。隨後是兩種公理化的處理：卡拉泰奧多里（Carathéodory）的兩條公理，以及「傳熱學者」的兩條公理。本章以一節歷史作結。
第 3 章：熵產生，或有效能的破壞
本章把損失的可用功與熵產生聯繫起來，並應用於熱機迴圈、製冷迴圈和熱泵迴圈，以及非流動過程和穩定流動過程。然後指出熵產生的機制（有溫差的傳熱、有摩擦的流動和混合），並介紹熵產生最小化，包括樹狀流體流動和熵產生數。
第 4 章：單相系統
本章涵蓋簡單系統、平衡條件、基本關係式（能量表示與熵表示、尤拉方程、吉布斯–杜安關係）、勒讓德變換、熱力學性質之間的關係（麥克斯韋關係、布里奇曼表、雅可比行列式）、偏摩爾性質，以及理想氣體混合物和實際氣體混合物。
第 5 章：有效能分析
依次闡述非流動系統、流動系統以及廣義的有效能分析，接著是關於空調的一節（溼空氣、液態水的有效能和蒸發冷卻）。
第 6 章：多相系統
本章從能量最小原理及其焓、亥姆霍茲和吉布斯形式開始，然後轉向簡單系統的穩定性、氣態與液態的連續性（包括範德瓦爾斯方程和麥克斯韋等面積法則）、相圖與吉布斯相律，以及對應態。
第 7 章：化學反應系統
主題包括化學平衡、親和勢與勒夏特列–布勞恩原理、不可逆反應、穩定流動燃燒（化學計量、第一和第二定律、最大輸出功率）、燃料的化學有效能，以及定容燃燒。
第 8 章：發電
本章討論受尺寸約束的最大功率和來自熱流的最大功率、外部與內部不可逆性，以及先進的蒸汽輪機、燃氣輪機和聯合發電廠。
第 9 章：太陽能
從熱輻射的熱力學性質開始，然後是涉及輻射的可逆與不可逆過程、封閉黑體輻射的理想轉換、單位集熱面積輸出功率的最大化、對流冷卻的集熱器、地外太陽能電站、氣候和自泵送的大氣環流。
第 10 章：製冷
內容包括焦耳–湯姆孫膨脹、做功膨脹、布列敦迴圈、中間冷卻、液化、有內部漏熱的製冷機模型和磁製冷，並以第三定律結束。
第 11 章：熵產生最小化
本章討論傳熱與流體流動中相互競爭的不可逆性、平衡逆流換熱器、儲存系統、功率最大化與熵產生最小化之間的取捨，並由熵產生最小化走向構形定律。
第 12 章：不可逆熱力學
本章涵蓋共軛的通量與力、線性化關係與互易關係、熱電現象（珀爾帖、塞貝克、湯姆孫）、各向異性介質中的熱傳導和質量擴散。
第 13 章：構形定律
最後一章闡述構形定律，並將其應用於無生命的流動系統（如河流流域和湍流結構）和有生命的流動系統（如體表散熱、呼吸和運動），再延伸到規模經濟、生長與擴充套件，以及時間之箭。附錄列出常數、數學公式、變分法以及若干狀態的物性資料。
核心概念
第 1–3 章：定律與熵產生
- 系統與邊界：明確定義系統，使熱傳遞和熵傳遞在邊界上保持連續。
- 熵產生（有效能的破壞）：全書使用的可用功損失的度量。
- 熵產生最小化：第 3 章引入、第 11 章展開的設計方法。
第 4–7 章：性質、有效能、相與反應
- 基本關係式與勒讓德變換：性質之間關係的形式基礎。
- 有效能分析：用可用功來評估流動與非流動系統。
- 穩定性與相平衡：能量最小原理、吉布斯相律和範德瓦爾斯方程。
- 親和勢與化學有效能：反應與燃料的熱力學。
第 8–13 章：應用與拓展
- 約束下的最大功率：受尺寸和不可逆性限制的發電。
- 不可逆熱力學：通量、力與互易性。
- 構形定律：流動系統朝著更易流動的方向演化的命題。
評析
優點
- 熵產生作為貫穿的線索。 第 3 章引入熵產生（有效能的破壞），第 11 章展開其最小化，而第 5、8、10 章把有效能和不可逆性應用於空調、發電廠和製冷，因此第二定律成了設計工具，而不只是一條陳述。
- 對基礎的細緻處理。 第 1 章的第一節討論系統、邊界，以及性質與功、熱等量之間的區別；第 2 章給出第二定律的兩種公理化處理和一節歷史。這些對已經掌握基礎、想了解框架為何如此構建的讀者很有幫助。
- 應用範圍廣。 目錄涵蓋太陽能、氣候、從製冷到磁製冷和第三定律、燃燒、熱電效應以及生物流動系統。
- 每章都有習題和參考文獻。 每章以參考文獻和習題結尾；出版社稱第四版增加了例題和更多課後習題。
侷限
- 不是第一門課。 本書假定讀者瞭解基礎熱力學。第 1 章是濃縮的回顧，出版社也把導論章節描述為在進入應用之前的快速複習。
- 有鮮明的個人視角。 第 11 章和第 13 章發展的是作者本人的熵產生最小化和構形定律，出版社稱作者是構形方法的創始人。想要對各種熱力學方法作中立綜述的讀者需要另找他書。
- 覆蓋有所取捨。 目錄中沒有統計熱力學一章，發電一章圍繞最大功率和「先進的」蒸汽與燃氣輪機電廠展開，而不是第一門課中的基本迴圈。
- 篇幅。 按出版社的頁數約 800 頁，超出一學期課程所能覆蓋的範圍，所以教師或讀者必須選擇章節。
在課程中的定位
Bejan 是熱力學書單中面向進階、作為第二門課的一本。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 是第一門課的工程教材，建立性質、第一和第二定律、迴圈，其中一些還包括反應系統。Peter Atkins 的 The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction 則是對四條定律的簡明物理闡述。
應先讀其中一本教材，因為 Bejan 的第 1 章只是壓縮的回顧。當興趣轉向有效能、熵產生和麵向效率的設計時，再在第一門課之後轉向 Bejan。
如何使用本書
本書適合已經學過熱力學、熟悉微積分的工程專業研究生和高年級本科生，也可作為研究有效能、動力迴圈和換熱器設計的研究者的參考書。
實用的讀法：
- 核心： 第 1 至 3 章講定律與熵產生，然後是講有效能分析的第 5 章。
- 按領域選擇： 第 4 章和第 6 章講性質關係與相平衡；第 7 章講燃燒與反應系統；第 8 至 10 章講動力與製冷。
- 設計方法： 第 11 章講熵產生最小化，第 13 章講構形定律，後者可以作為獨立單元閱讀。
- 練習： 做每章末的習題，並藉助第 1、2 章的歷史小節瞭解背景。