01 / 導讀
導讀
引用
Felder, R. M., Rousseau, R. W., & Bullard, L. G. (2020). Elementary Principles of Chemical Processes (4th ed.). Wiley.
章節概要
第四版共三部十章（第一部「工程問題分析」，第1–3章；第二部「質量均衡」，第4–6章；第三部「能量均衡」，第7–10章），其後是計算方法附錄、物性資料表附錄、「Test Yourself」（自我測驗）解答與部分習題解答。書前附有符號表與名詞解釋。從第2章起，每章都以學習目標開頭，以摘要與大量習題作結。依出版社的說法，本書培養學生建立並求解化工程序系統的質量與能量均衡，為後續課程奠定基礎。
第1章：化學工程師以何為業
兩頁的開篇章，並不試圖為化學工程下定義，而是跟隨一屆畢業生走進製造業、政府機關與顧問公司、研究所、醫學、法律與商業。最後指出，有一套共通的問題解決技巧適用於所有這些職涯，而這些技巧正是本書的主題。
第2章：工程計算導論
單位與因次、單位換算、單位制、力與重量、數值計算與估算、因次一致性與無因次量，以及程序數據的呈現與分析。
第3章：程序與程序變數
描述程序所用的變數：質量與體積、流率、化學組成、壓力與溫度。
第4章：質量均衡基礎
篇幅最長也最重要的一章，涵蓋程序分類、一般均衡方程式、質量均衡的計算步驟、多單元程序、迴流與旁路、化學反應計量、反應程序的均衡與燃燒反應，最後討論有關化學程序的一些補充事項。
第5章：單相系統
單相物性估算：液體與固體的密度、理想氣體、非理想氣體的狀態方程式，以及壓縮因子狀態方程式。
第6章：多相系統
相平衡：單成分相平衡、吉布斯相律、含一種可凝成分與含多種成分的氣液系統、固體在液體中的溶解、兩液相間的平衡，以及固體表面的吸附。
第7章：能量與能量均衡
能量的形式與熱力學第一定律；動能與位能；封閉系統與穩態開放系統的能量均衡；熱力學數據表；能量均衡步驟；以及機械能均衡。
第8章：非反應程序的均衡
壓力變化、溫度變化、相變化以及混合與溶解過程的焓變計算。
第9章：反應程序的均衡
反應熱、赫斯定律、生成熱與燃燒熱、反應程序的能量均衡，以及燃料與燃燒。
第10章：暫態程序的均衡
針對非穩態操作再次討論一般均衡方程式：暫態質量均衡、單相非反應程序的能量均衡，以及聯立的暫態均衡。
核心概念
第一部：工程問題分析
- 因次一致性：正確的方程式中，每個相加的項都必須具有相同因次，可用來檢驗任何計算。
- 程序變數：流率、組成、壓力與溫度等界定程序物流的量。
- 估算：用來檢驗計算結果是否合理的近似計算。
第二部：質量均衡
- 一般均衡方程式：輸入＋生成－輸出－消耗＝累積。
- 迴流與旁路：返回程序單元或繞過程序單元的物流，會改變均衡的建立方式。
- 化學反應計量：平衡化學反應式中的定量關係，用於建立反應程序的均衡。
- 吉布斯相律：處於平衡的系統中可獨立指定的強度變數數目。
第三部：能量均衡
- 開放系統的第一定律：把焓、動能與位能變化與熱和功連結起來的穩態能量均衡。
- 非反應程序中的焓變：壓力變化、溫度變化、相變化以及混合與溶解的影響，第8章依序討論。
- 反應熱與赫斯定律：組合已知反應或生成熱以求得反應焓。
- 暫態均衡：累積項不為零的均衡，會得到對時間的微分方程式。
評析
優點
- 經過檢驗的教學設計。 威立出版社介紹，理查·費爾德是美國工程教育學會首屆「工程教育終身成就獎」得主，並稱本書凝聚了他對有效教學的長期研究。這在架構上清楚可見：每章以學習目標開頭，以摘要與習題作結；「Test Yourself」在書末附有解答；另有符號表與名詞解釋。
- 涵蓋現代應用領域的習題。 第四版新增或修訂了約350道章末習題，其中許多取自安全、環境、生物工程、替代能源與材料等較新的應用領域；「應用領域習題索引」協助教師找到這些題目。
- 系統化的方法。 第4章先確立質量均衡的一般計算步驟，再應用到多單元、迴流與反應程序；第7章在能量均衡中重複同樣的模式。學生學到的是一套可轉移的方法，而不是一堆特例。
- 教學資源。 威立為第2–9章提供「Notes With Gaps」——一套留有空白、讓學生在課堂上填寫的講義——以及可省去例行物性計算的Excel增益集APEx。
局限
- 篇幅長、內容密集。 正文約670頁，光是第4章連同習題就超過120頁。一門課很少能深入講完全部十章。
- 範圍刻意收窄。 本書講授質量與能量均衡以及所需的物性估算，速率、設備設計與程序經濟性留給後續課程。想了解學科全貌的學生還應閱讀一本概論。
- 計算內容有限。 計算方法只以附錄形式出現（最小平方法、非線性方程式的疊代解法、數值積分），外加APEx增益集，沒有專講電腦輔助均衡計算的章節。教授流程模擬的課程需要另找教材。
在課程中的定位
本書是化工程序工程書單中第一門核心課程的主要教科書。威立表示，美國五分之四以上的化學工程學系都在使用它。書單中的另一本入門書——莫頓·丹恩的 Chemical Engineering: An Introduction——篇幅短得多，它透過建立薄膜分離、生物反應器與薄膜反應器等液相程序的簡單模型，來呈現化學工程師在做什麼。可以把丹恩與費爾德並讀以開闊視野，或先讀丹恩作為入門引導，但系統化的方法與練習要倚靠費爾德。
書單中後續的每本書都建立在費爾德的某一部分之上。第6章與第8章為麥凱布、史密斯與哈里奧特的 Unit Operations of Chemical Engineering，以及吉安科普利斯、赫塞爾與萊佩克的 Transport Processes and Separation Process Principles 中的分離程序做準備。第4章與第9章通往福格勒的 Elements of Chemical Reaction Engineering。為高年級設計課程撰寫的托勒與辛諾特的 Chemical Engineering Design，在需要對整個流程完成均衡時，會用到這裡的全部內容。
如何使用本書
本書為第一門化學工程課程的學生撰寫，通常在大一或大二開設。具備大一微積分、普通化學與普通物理即可；第10章的暫態均衡會導出對時間的微分方程式。
- 核心順序： 第2–4章，接著第5–6章，再到第7–9章。第4章是全書的核心，要在這裡投入最多時間：每道題都完整依照本章的計算步驟進行，在動手計算之前先把問題完全建立起來。
- 可以輕帶過的部分： 對單位已經熟練的學生可略過第2章；課程不需要時可略過第6章的吸附一節。
- 課程末尾或第二學期： 第10章暫態均衡，它與後續的程序動態與控制課程相銜接。
- 及早讀一遍： 第1章，了解這些方法通往何處。
多做習題——熟練來自反覆練習。用「Test Yourself」解答檢查閱讀理解，用部分習題解答核對數值結果，用應用領域索引尋找自己感興趣領域的題目。附錄B收錄了能量均衡各章所需的蒸汽表、熱容量等物性資料，應及早學會查用。