Fundamentals of Thermodynamics（熱力學基礎）

引用

Borgnakke, C., & Sonntag, R. E. (2022). Fundamentals of Thermodynamics (10th ed., international adaptation, SI units). Wiley.

章節概要

出版社的目錄顯示全書共十三章，約736頁。每章末尾都有摘要和習題，多數章還設有「工程應用」一節。出版社說明這一國際改編版採用國際單位制（SI），並作了一些結構調整。

第1章：導論與基本概念（Introduction and Preliminaries）

建立全書的詞彙體系：熱力學系統與控制體、宏觀與微觀觀點、性質、狀態、過程與循環、單位、比體積與密度、壓力、能量、溫度和熱力學第零定律，最後以工程應用結束。

第2章：純物質的性質（Properties of a Pure Substance）

講相界與P-v-T曲面，兩相、液態、固態和過熱狀態的性質表的使用，理想氣體模型，壓縮因子和狀態方程。

第3章：能量方程與熱力學第一定律（Energy Equation and First Law of Thermodynamics）

引入能量方程和第一定律，以及功（包括移動邊界功）、熱與傳熱方式、內能、焓、比熱和理想氣體的能量變化。本章有一節專講問題分析與求解方法，也討論了非均勻狀態和瞬態傳熱過程。

第4章：控制體的能量分析（Energy Analysis for a Control Volume）

把質量守恆和能量方程用於控制體：穩態過程、穩態裝置的例子、多股流動裝置和瞬態流動。

第5–6章：熱力學第二定律；熵（The Second Law of Thermodynamics; Entropy）

第5章講熱機、冷凍機與熱泵，第二定律，可逆與不可逆，卡諾循環，熱力學溫標與理想氣體溫標，以及克勞修斯不等式。第6章把熵定義為系統的性質，計算物質、固體、液體和理想氣體的熵變，講可逆多變過程、熵產和熵增原理，最後談到熵與混沌。

第7–8章：控制體的熵分析；可用能（Entropy Analysis for a Control Volume; Exergy）

第7章把熵平衡推廣到控制體，包括穩態和瞬態過程以及裝置效率。第8章講可用能、可逆功與不可逆性、可用能平衡和第二定律效率。

第9–10章：燃氣動力與冷凍系統；蒸汽動力與冷凍系統（Gas Power and Refrigeration Systems; Vapor Power and Refrigeration Systems）

第9章講空氣標準循環：斯特林與愛立信循環、奧托、狄賽爾、混合加熱、阿特金森與米勒循環、帶回熱的布列敦循環、燃氣輪機的各種配置、噴氣推進以及空氣標準冷凍循環。第10章講朗肯循環及其再熱和回熱形式、實際循環與理想循環的偏差、熱電聯供、蒸氣壓縮冷凍及其工作流體、吸收式循環、循環的可用能分析以及聯合循環系統。

第11–12章：氣體混合物；熱力學關係式（Gas Mixtures; Thermodynamic Relations）

第11章處理理想氣體混合物和氣-汽混合物，包括絕熱飽和、溼球與乾球溫度和焓溼圖。第12章彙集克拉珀龍方程、麥克斯韋關係式、焓、內能和熵的關係式、壓縮性與膨脹係數、狀態方程與通用圖，以及混合物的性質關係。

第13章：化學反應（Chemical Reactions）

講燃料與燃燒、生成焓、反應系統的能量分析、熱值、絕熱火焰溫度、第三定律與絕對熵、反應系統的第二定律分析以及燃料電池。

核心概念

第1–4章：基礎、性質、第一定律

• 控制體：物質可以流進流出的空間區域，第1章引入，第4章加以分析。
• 壓縮因子：衡量偏離理想氣體行為的修正量。
• 焓與比熱：第一定律各章所用的性質和熱容概念。

第5–8章：第二定律、熵與可用能

• 卡諾循環與克勞修斯不等式：作為參照的循環，以及發展出熵的那個不等式。
• 熵產：熵平衡中用來度量不可逆性的量。
• 可用能與第二定律效率：可用功，以及據此定義的效率。

第9–13章：循環、混合物、關係式、化學反應

• 空氣標準循環：理想化的燃氣動力循環（奧托、狄賽爾、布列敦等）與冷凍循環。
• 朗肯循環：基本的蒸汽動力循環，帶再熱與回熱。
• 焓溼圖：用於氣-汽混合物的圖表，與溼球、乾球溫度相聯絡。
• 麥克斯韋關係式：聯絡各熱力學性質的恆等式。
• 絕熱火焰溫度：燃燒過程無熱損失時所達到的溫度。

評析

優點

• 清晰而系統的順序。 目錄從性質講到控制質量和控制體的第一定律，再到第二定律、控制質量和控制體的熵以及可用能，然後才是應用各章。控制體分析（第4章）排在第二定律之前，因此兩條定律都較早地用於開口系統。
• 熵和可用能佔有充分篇幅。 熵佔兩章（第6章和第7章），可用能單獨成章，第10章還有循環的可用能分析。這適合把第二定律分析當作實用工具來學的學生。
• 一致的教學結構。 每章以摘要和習題結束，多數章設有「工程應用」一節，第3章還有一節專講問題分析與求解方法。
• 應用覆蓋面寬。 循環各章包含阿特金森和米勒循環、噴氣推進、吸收式冷凍和聯合循環等變體；第13章包括燃料電池。

侷限

• 沒有相平衡、化學平衡和可壓縮流動章節。 這一國際改編版的十三章止於化學反應。需要平衡或可壓縮流動的讀者要另找一本書。
• 改編版。 出版社說明這是採用SI單位的國際改編版，有一些結構調整，因此章節編號和部分內容可能與本書的其他版本不同。請對照所持版本核對教學大綱。
• 應用內容集中在少數幾章。 混合物與溼空氣（第11章）、熱力學關係式（第12章）和反應系統（第13章）各只有一章，所以在燃燒或空調上花較多時間的課程需要補充材料。

在課程中的定位

Borgnakke與Sonntag的書是一年級或二年級工程熱力學課程的完整主教材。Çengel、Boles與Kanoğlu的 Thermodynamics: An Engineering Approach 是直接的替代選擇；其第十版有18章，與這個改編版不同，包含化學與相平衡以及可壓縮流動兩章。它同樣用兩章講熵（Entropy與Entropy Analysis）。Moran、Shapiro、Boettner與Bailey的 Fundamentals of Engineering Thermodynamics 是另一本範圍相近的系統化主教材；Turns與Pauley的 Thermodynamics: Concepts and Applications 則是更平易、以例題為主的入門書，第二版把第二定律分成兩章，並增加了混合物、溼空氣、化學平衡和燃燒。

Peter Atkins的 The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction 是對四條定律的簡明概念性預覽。本課程書單中偏物理的幾本書裡，Schroeder的 An Introduction to Thermal Physics 通過計數微觀狀態來定義溫度和熵，Blundell夫婦的 Concepts in Thermal Physics 則從機率和溫度的含義出發建立各條定律。Bejan的 Advanced Engineering Thermodynamics 是研究生層次的延伸，把可用能和熵產當作設計工具。

如何使用本書

本書面向學過一年級微積分和基礎物理、正在修第一或第二門熱力學課程的工科學生。第1–4章請依次閱讀，因為後面的一切都依賴性質和能量方程；從第2章起就要配合性質表。

• 核心： 第1–8章是這門學科的核心。不要跳過第4章，並給第5–8章足夠的時間：它們承載著第二定律、熵與可用能。
• 循環： 第9章和第10章是前面各章的應用。選擇與課程相符的燃氣輪機和朗肯循環部分，把阿特金森/米勒循環或吸收式冷凍等變體當作選讀。
• 按需選讀： 溼空氣與空調讀第11章，熱力學關係式讀第12章，燃燒與反應系統讀第13章。

逐步跟著每個例題走一遍，再做章末習題；做習題之前，先用各章摘要複習。