01 / 導讀
導讀
引用
Nellis, G. F., & Klein, S. A. (2021). Introduction to Engineering Heat Transfer. Cambridge University Press.
章節概要
本書約1,000頁，包括14章正文、熱物性表附錄、書中所用三種軟體（Engineering Equation Solver、Finite Element Heat Transfer 與 MATLAB）的教學，以及部分習題解答。本書源自作者在威斯康辛大學麥迪遜分校講授的大學部熱傳學課程。序言說明了其方法：每個問題都分為建模（界定並簡化問題）、分析（從基本原理推導方程式）、求解（通常藉助電腦）與探索（參數、最佳化與設計研究）四個步驟，使軟體只負責解方程式，而不替學生思考。每章以結論與學習目標、依主題分組的習題，以及若干使用電腦工具的專題題作結。一份由45講組成的一學期教學進度範例，把各節分配到15週的課程中。
第1章：緒論
熱傳為何重要、它與熱力學的關係、解題方法、三種熱傳機制（傳導、對流、輻射），以及熱物性，包括真實流體、理想氣體模型與不可壓縮物質模型。
第2章：一維穩態熱傳導
全書的基礎，篇幅超過150頁。傅立葉定律與熱傳導係數；從微分控制體積出發逐步推導平板熱傳導；平板、圓柱與球幾何中的熱阻概念，以及對流熱阻、接觸熱阻與輻射熱阻；含均勻與非均勻熱生成的熱傳導；以及有限差分數值解法，分別用EES、矩陣分解與高斯–賽德迭代求解，並考慮隨溫度變化的物性。
第3章：延伸表面問題
延伸表面近似與畢奧數、鰭片方程式的解析解（附有雙曲函數與線性常微分方程的複習）、鰭片效率、鰭端對流、鰭片熱阻與鰭片化表面，以及數值解法。
第4章：二維穩態熱傳導
統御方程式與邊界條件、熱傳導形狀因子及其作為熱阻的意義、以第2章三種方法求得的有限差分解，以及在FEHT中求得的有限元素解，並討論網格收斂與工程判斷。
第5章：集總系統暫態問題
集總熱容假設、畢奧數與時間常數、環境溫度步階變化與斜坡變化時的解析解，以及數值積分：尤拉法、預測–修正法、隱式方法，以及EES與MATLAB中的常微分方程求解器。
第6章：暫態熱傳導
概念工具（擴散傳輸、擴散時間常數、半無限體熱阻），半無限體以及平板、圓柱與球（精確解與近似解）的解析解，以及包括暫態有限元素分析在內的一維與二維數值解。
第7章：對流
對流的概念基礎：層流速度邊界層與溫度邊界層、普朗特數與雷諾數、摩擦係數與紐塞數、雷諾類比、紊流邊界層與臨界雷諾數、邊界層方程式，以及導出經驗關係式的因次分析。
第8章：外部強制對流
先說明如何使用對流經驗關係式，接著討論平板上的流動（光滑與粗糙表面、未加熱起始段、定熱通量）、橫越圓柱及其他擠型的流動，以及繞球流動。
第9章：內部強制對流
內部流動的流體力學與熱學面向（發展區與完全發展區、入口長度、摩擦因子、平均溫度），層流與紊流的經驗關係式（包括EES的內部流動函式庫），以及指定熱通量、壁溫或外部溫度時的能量平衡。
第10章：自然對流
浮力驅動的流動及其無因次數（格拉索夫數與瑞利數），不同方位平板、球與圓柱的外部經驗關係式，垂直平行板流道與封閉空間的內部經驗關係式，以及自然對流與強制對流並存的混合對流。
第11章：沸騰與凝結
池沸騰與沸騰曲線、流動沸騰，壁面、平板、圓柱與鰭片管上的膜狀凝結，以及流動凝結，各附經驗關係式。
第12章：熱交換器
應用與分類、整體能量平衡與熱傳導納（包括積垢熱阻）、橫越管排的流動與緊密式熱交換器經驗關係式、逆流熱交換器的解、對數平均溫差法，以及有效度–NTU法，最後討論有效度在極限情況下的表現及其對設計的意義。
第13章：質量傳遞
組成關係、菲克定律與擴散係數、界面濃度、固體中的暫態擴散、伴隨對流的擴散（通過氣體層的蒸發）、動量、能量與質量傳遞之間的類比，以及熱質同時傳遞。
第14章：輻射
黑體輻射與普朗克定律、視角因子（包括交叉繩法與EES視角因子函式庫）、黑體表面間的輻射交換、放射率與真實表面的輻射特性、克希荷夫定律，以及利用輻射度與熱阻網路計算擴散灰體表面間的輻射交換。
核心概念
第1–4章：穩態熱傳導
- 熱阻：把傳導、對流、接觸與輻射視為熱阻，組合成熱路。
- 鰭片效率與畢奧數：何時可把表面視為延伸表面，以及鰭片的傳熱效果如何。
- 形狀因子：二維熱傳導中取決於幾何形狀的熱阻。
- 有限差分與有限元素：檢驗收斂性的熱傳導問題數值解法。
第5–6章：暫態熱傳導
- 集總熱容與時間常數：溫度近乎均勻之物體的暫態行為。
- 擴散時間常數與半無限體：熱擾動滲透多遠、多快。
- 顯式與隱式時間積分：尤拉法、預測–修正法與隱式方法，以及透過常微分方程求解器的運用。
第7–11章：對流與相變
- 邊界層與雷諾類比：表面摩擦與熱傳之間的關聯。
- 對流經驗關係式：外部、內部與自然對流的紐塞數關係式。
- 沸騰曲線與膜狀凝結：伴隨相變的熱傳。
第12–14章：熱交換器、質量傳遞與輻射
- 對數平均溫差與有效度–NTU：分析熱交換器的兩種標準方法。
- 菲克定律與熱質類比：物種擴散及其與熱傳的相似之處。
- 視角因子與輻射度：控制輻射交換的幾何因素與表面性質。
評析
優點
- 清楚的解題規範。 序言中建模、分析、求解與探索的區分貫徹到例題之中，教學生先建立模型再動用軟體，然後用軟體探索模型。
- 計算融入而非附加。 EES、MATLAB 與 FEHT 出現在各章正文之中，數值方法與解析方法並行發展（第2章與第4章的有限差分，第5章與第6章的時間積分，第4章與第6章的有限元素）。附錄提供軟體教學，EES的熱傳函式庫則提供原本需要查圖表才能得到的物性、形狀因子、視角因子與經驗關係式。
- 練習支援充分。 習題依主題分組，每章都有供引導式探索的專題題，並附部分習題解答。出版社引用的 Ernest Tollner、Thomas Merrill 與 Marc Hodes 的推薦語，肯定其以電腦為基礎的解法清楚，且軟體的使用始終把重點放在解題本身。
- 現成的教學進度。 45講的教學進度範例說明了如何在一學期內教完全書。
局限
- 依賴特定軟體。 本書的大部分價值來自EES、FEHT與MATLAB。作者指出有教育版可用，但無法使用這些軟體的學生，會失去許多例題與專題中一半的計算內容。
- 單位混用。 書中例題與習題刻意混用英制單位與SI單位，仰賴EES的單位檢查；這反映了工程實務，但對只習慣SI單位的學生要求較高。
- 篇幅。 全書約1,000頁，光第2章就超過150頁；儘管教學進度範例以45講涵蓋全書，作為第一門課的教科書仍然偏長。
在課程中的定位
Nellis 與 Klein 的書是熱傳學書單中以計算為導向的入門教科書。Lienhard 與 Lienhard 的 A Heat Transfer Textbook 可向作者免費取得，從物理原理出發涵蓋相近的內容，並注重因次分析與工程判斷；它是很好的第二種講解，尤其適合無法使用EES的學生。Çengel 與 Ghajar 的 Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications 以及 Kreith 與 Manglik 的 Principles of Heat Transfer 是一般的大學部教科書，在課程不使用EES時可作為主教材；此時 Nellis 與 Klein 關於數值方法的章節便成為有用的補充。
Bergman、Lavine、Incropera 與 DeWitt 的 Fundamentals of Heat and Mass Transfer 內容更為全面，適合讀完本書後想深入學習的學生，或作為後續課程的參考書；Ghiaasiaan 的 Convective Heat and Mass Transfer 則是把第7–10章與第13章推進得遠得多的研究所教科書。序言中提到同一作者的進階教科書 Heat Transfer，是喜歡這種方法的讀者自然的下一步。
如何使用本書
本書以大學部熱傳學課程為對象，也可作為在職工程師的參考書。需要微積分、常微分方程與第一門熱力學課程的基礎；具備一些流體力學知識有助於學習對流各章。
- 一學期課程的核心： 教學進度範例以45講、即每週約三講涵蓋全部14章；時數較少的課程可以壓縮第11章與第13章。
- 必讀章節： 第2、5、7、12章。熱阻概念、集總系統暫態分析、邊界層概念與熱交換器方法是其餘一切內容的基礎。
- 可以壓縮的部分： 課程不使用軟體時的數值方法小節（但這樣會失去本書最有特色的部分）；質量傳遞在其他課程中講授時的第13章。
盡早安裝EES教育版，並在讀第2章的數值方法小節之前先研讀附錄E。每道題都先手寫建模與分析過程，再用軟體求解，然後利用探索步驟（如參數研究）檢視答案如何隨各個輸入改變。每章至少嘗試一道專題題。