01 / 導讀
導讀
引用
Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2018). Fundamentals of Engineering Thermodynamics (9th ed.). Wiley.
章節概要
全書共十四章，約880頁，後有包含物性表、圖線和圖表的附錄、換算係數，以及一節「如何有效使用本書」。每章末尾都有「本章小結與學習指南」。出版社提供試讀的第一章體現了這一模式：本章學習目標、例題、「小測驗」（Quick Quiz）以及讀者應能做到的事項清單。出版社介紹說，本書教學生成為有效的問題求解者，書中的現實應用取自能源與環境、生物醫學與生物工程話題以及新興技術。
第1–2章：入門；能量與熱力學第一定律
第1章介紹系統（封閉系統與控制體）、性質、狀態與過程、廣延性質與強度性質、平衡、SI與英制工程單位、比體積、壓力與溫度，並給出五步求解法：已知、求解、示意圖與給定資料、工程模型、分析。另有一小節講工程設計與分析。第2章回顧機械能，拓寬功和熱量傳遞能量的概念，建立封閉系統的能量平衡，並涉及循環分析和一節儲能。
第3章：物性的計算
這一章篇幅較長，講如何獲得物性資料：壓力—比體積—溫度關係、相變、表與軟體、比熱、液體與固體、廣義壓縮性圖、理想氣體模型和多變過程。
第4章：用能量進行控制體分析
控制體的質量與能量守恆，在穩態下應用於噴嘴與擴壓管、渦輪、壓縮機與泵、熱交換器和節流裝置，然後是系統整合與暫態分析。
第5–7章：熱力學第二定律；熵的應用；可用能分析
第5章陳述第二定律，涵蓋可逆與不可逆、開爾文與國際溫標、卡諾循環和克勞修斯不等式。第6章發展熵及其對封閉系統和控制體的平衡，以及等熵效率。第7章引入可用能（exergy）及可用能平衡。
第8–10章：蒸汽動力系統；燃氣動力系統；製冷與熱泵系統
把各定律應用於動力循環和製冷，包括蒸氣壓縮式與吸收式製冷、熱泵系統和氣體制冷。第9章還涉及航空推進用燃氣輪機，以及噴嘴與擴壓管中可壓縮流動的入門。
第11–14章：熱力學關係式；理想氣體混合物與溼空氣應用；反應混合物與燃燒；化學平衡與相平衡
最後四章轉向較深入的內容：物性關係式、包括溼空氣和空調在內的混合物、含反應系統的燃燒，以及化學平衡與相平衡。
核心概念
第1–4章：系統、能量與物性
- 封閉系統與控制體：界定分析對象的兩種方式。
- 能量平衡：核算以功和熱方式傳遞的能量。
- 物性計算：表、軟體和理想氣體等模型。
- 穩態裝置：噴嘴、渦輪、壓縮機、熱交換器和節流裝置。
第5–7章：第二定律與可用能
- 第二定律的表述：克勞修斯表述、開爾文—普朗克表述和熵表述。
- 熵及其平衡：用來判斷方向和損失的性質。
- 等熵效率：把實際渦輪、壓縮機、噴嘴和泵與理想情形比較。
- 可用能：相對於死態可獲得的最大有用功。
第8–14章：循環與進階主題
- 動力與製冷循環：蒸汽動力、燃氣動力、製冷與熱泵系統。
- 溼空氣學：溼空氣與空調。
- 燃燒與平衡：反應混合物、化學平衡與相平衡。
評析
優點
- 明確的解題方法。 第一章給出五步解題格式，並提醒不要機械套用；書中的例題遵循這一格式，並附有關於所學內容的註釋。
- 清晰的學習支援。 每章都有學習目標、頁邊術語、「關鍵工程概念」列表和學習指南清單，讀者可以檢查自己的進度。
- 覆蓋第一門課及更多內容。 前七章講定律和可用能，接下來三章講主要循環，最後四章擴充套件到關係式、混合物、燃燒和平衡。
- 可用能屬於主線內容。 專門一章可用能分析緊接在熵這一章之後，因此可用能是主幹序列的一部分。
侷限
- 篇幅。 880頁，內容超出一門課程所能涵蓋的範圍，讀者需要決定略過哪些部分。
- 軟體與表格。 該方法依賴物性表（附錄中有分別針對SI和英制單位的表格索引）和軟體，學生需要熟練地在兩者之間切換。
- 後面的章節更抽象。 第11章從狀態方程和一節重要數學關係式開始，第14章發展平衡判據，所以最後的章節比前面的數學和化學色彩更濃。
在課程中的定位
在這門熱力學課程的書單中，Moran與Shapiro屬於從第一定律到循環和混合物貫穿整個序列的完整工程教材；Borgnakke與Sonntag的 Fundamentals of Thermodynamics 以及 Thermodynamics: An Engineering Approach 是同類的工程教材，也是最接近的替代品，學生可以按風格在其中選擇。Thermodynamics: Concepts and Applications 是較輕鬆、以例題為主的入門，適合初學。Atkins的 The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction 講述背後的基本思想而不做工程計算，Bejan的 Advanced Engineering Thermodynamics 是研究生層次的後續讀物，在本書第5至7章之後進一步討論可用能和熵產。
如何使用本書
本書適合學過含微積分的基礎物理和單變數微積分的工程專業學生；學過一些化學對燃燒一章有幫助。
對於第一門課，應仔細閱讀第1至6章，因為控制體和熵這兩章是此後一切內容的基礎；一旦理解了第3章的邏輯，就可以把它當作物性資料的參考。然後按課程需要（發電或製冷）從第8至10章中選擇循環。第7章的可用能分析對注重設計的學生很有價值。第11至14章適合第二門課或更高階的方向。
用五步格式做章末習題，用「本章小結與學習指南」的清單檢驗自己是否準備就緒，並在解題時把附錄表格放在手邊。