01 / 導讀
導讀
引用
Turns, S. R., & Pauley, L. L. (2020). Thermodynamics: Concepts and Applications (2nd ed.). Cambridge University Press.
章節概要
第二版是一部超過850頁的大開本全彩教科書：13章正文之後是九個附錄（歷史年表、水蒸氣表，空氣、理想氣體、其他氣體、液體與碳氫燃料的物性表，以及濕空氣線圖）。第一版（2006年）由史蒂芬·特恩斯獨力撰寫，蘿拉·波莉自本版起加入。兩位作者在序言中說明主要的變動：全書改依熱力學課程通常的講授順序編排；第二定律拆成兩章；混合物、濕空氣、燃燒與平衡各有獨立的章節；章末習題從899題增加到1,363題，並依小節分組。每章以學習目標與概觀開始，以摘要、關鍵概念與定義檢核表、問答題與習題作結。蒸汽發電廠、火花點火引擎與噴射引擎這三種應用，作為貫穿全書的主題反覆出現。
第1章：開端
藉由三個反覆出現的應用說明什麼是熱力學。本章定義封閉系統與開放系統（控制體積）、性質、狀態、過程、循環、平衡與準平衡過程，並講述因次與單位、解題方法，以及需要複習的數學。
第2章：熱力學性質、性質關係與過程
篇幅超過100頁的物性章節：狀態原理、P–v–T狀態方程式與卡路里狀態方程式、理想氣體及其在P–v–T空間中的過程、非理想氣體、液–汽物質與查表方法，以及液體與固體的近似處理。序言指出，與第二定律相關的性質留待後面的章節。
第3章：質量守恆
整章專講質量守恆：以通用的平衡原理為基礎，先用於封閉系統，再用於穩態流動與非穩態流動的開放系統，並討論流率與平均速度。第一版序言說明，本章刻意納入了通常出現在流體力學教科書中的內容。
第4章：能量與能量傳遞
系統整體層次與微觀層次的能量形式、跨越邊界的熱與功、符號慣例與單位，以及傳導、對流與輻射的速率定律，這些定律之後會用在後續例題中。
第5章：熱力學第一定律
封閉系統的能量守恆（針對微小變化、狀態變化與某一瞬間），接著是穩態流動與非穩態流動開放系統的能量守恆，以及在開放系統上的應用。
第6章：熱力學第二定律及其若干推論
透過循環引入第二定律：熱庫、熱機、熱效率與性能係數、可逆性、克耳文–普朗克敘述及其推論（克耳文絕對溫標與卡諾效率），以及第二定律的其他敘述。
第7章：熵與可用能
講原理的章節中篇幅最長的一章。熵由可逆等溫傳熱來定義，並依序發展為吉布斯關係式、理想氣體等熵關係式、T–s圖與h–s圖、封閉與開放系統的熵平衡，以及渦輪機、泵、壓縮機與噴嘴的等熵效率。本章最後討論可用能（可用功、exergy），並附有熵的分子詮釋。序言指出，本章開頭幾節不依賴第6章，因此課程也可以從這裡開始講第二定律。
第8章：穩態流動裝置的熱流分析
對噴嘴與擴散器、節流裝置、泵、壓縮機與風扇、渦輪機以及熱交換器逐一分類與分析。
第9章：用於發電、推進、加熱與冷卻的系統
把第8章的裝置組合成系統：含過熱、再熱與再生的朗肯循環（以及核能電廠）、燃氣渦輪引擎、汽電共生與複循環電廠、渦輪噴射引擎與推進效率、奧圖循環與狄塞爾循環，以及蒸汽壓縮式冷凍機與熱泵。
第10–11章：理想氣體混合物；空氣–水蒸氣混合物
混合物組成的表示方式，以及理想氣體混合物的狀態關係、卡路里關係與第二定律關係，並介紹吉布斯自由能；接著討論用於空調與加濕的空氣–水蒸氣混合物：絕對濕度、相對濕度、露點、絕熱飽和、濕球與乾球溫度以及濕空氣線圖。
第12–13章：反應系統；化學平衡與相平衡
原子平衡與化學計量、標準化性質、定壓燃燒與定容燃燒、熱值，以及引擎燃燒室、鍋爐與電廠整體能量利用的穩態流動分析。第13章由第二定律推導平衡條件，討論定溫定壓下的化學平衡、多重反應與相平衡。序言將第10–13章定位為很可能屬於第二門課的內容。
核心概念
第1–5章：基礎與第一定律
- 封閉系統與開放系統：固定質量與有物質跨越邊界的控制體積，是貫穿全書的兩種分析架構。
- 狀態原理與狀態方程式：少數幾個性質如何透過P–v–T關係與卡路里關係決定其餘性質。
- 通用平衡原理：同一種收支形式，依序用於質量、能量以及之後的熵。
- 開放與封閉系統的第一定律：以微小變化、狀態變化與時率形式表示的能量守恆。
第6–9章：第二定律及其應用
- 克耳文–普朗克敘述與卡諾效率：以循環為基礎的第二定律及其對熱機的限制。
- 熵平衡與等熵效率：作為性質的熵，以及衡量實際裝置與理想裝置差距的指標。
- 可用能（exergy）：相對於外界，可從系統取得的最大有用功。
- 動力循環與冷凍循環：朗肯、燃氣渦輪、渦輪噴射、奧圖、狄塞爾與蒸汽壓縮循環。
第10–13章：混合物與反應
- 濕空氣熱力學：濕空氣的絕對濕度、相對濕度與露點。
- 化學計量與熱值：燃燒過程的質量與能量收支。
- 化學平衡：在給定溫度與壓力下由第二定律決定的平衡組成。
評析
優點
- 進入第二定律的路徑有彈性。 序言說明，第二定律既可透過第6章的循環分析引入，也可從第7章熵的定義出發，而且第7章開頭幾節寫得不依賴第6章。
- 與熱流科學的銜接。 如第一版序言所述，質量守恆獨立成章，並納入通常留給流體力學的內容；傳熱速率定律在第4章引入，並在例題中反覆使用。這為學生日後修習流體力學與熱傳學做好準備。
- 有條理的練習。 例題遵循標準的解題格式，多數例題後附有自我測驗，關鍵方程式醒目標示；1,363道習題依小節編排，其中有針對FE考試的題目，也有EES或電腦題：先手算一個情況，再用軟體求解同一問題，然後做參數研究。
- 真實的物性資料。 書中鼓勵學生除了印刷的表格外，也使用NIST物性軟體與線上的NIST WebBook。
局限
- 篇幅大、內容密。 全書超過850頁，光是物性就超過100頁，內容超出一門課所能涵蓋的範圍，教師與學生都需要取捨。
- 後半部是第二門課的內容。 混合物、濕空氣、燃燒與平衡雖然都有，但作者自己將它們歸入很可能的第二門課，因此第一門課只會用到第1–9章。
- 部分內容以美國為背景。 全書一律使用SI單位，但第1章以美國的電力資料介紹應用，FE考試題目針對的也是美國的工程師執照考試。
在課程中的定位
Turns 與 Pauley 的書是熱力學書單中的入門工程教科書。Atkins 的 The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction 是一本幾乎不用數學的簡短概念伴讀書：在學習第1–7章之前或同時閱讀它，有助於學生在物性表與收支方程式登場之前，先弄清楚溫度、能量與熵的意義。
書單中的其他主要工程教科書，即 Çengel、Boles 與 Kanoglu 的 Thermodynamics: An Engineering Approach，Borgnakke 與 Sonntag 的 Fundamentals of Thermodynamics，以及 Moran、Shapiro、Boettner 與 Bailey 的 Fundamentals of Engineering Thermodynamics，涵蓋範圍相近，每一本都能作為課程教科書。Turns 與 Pauley 的特色在於熱流科學的架構與進入第二定律的兩條路徑；使用其他教科書的學生，也可以把本書關於質量守恆或穩態流動裝置的章節當作另一種講解來參考。Bejan 的 Advanced Engineering Thermodynamics 是將熱力學定律重新作為設計與最佳化工具的研究所教科書，是學完第7章與第9章之後自然的進階讀物。
如何使用本書
序言以初次學習熱力學基本原理的工科大學生為對象。大學一年級的微積分與物理是自然的基礎，第1章正文最後列出了需要複習的數學技能。
- 第一門課的核心： 第1–9章。第2章一開始可選擇性閱讀，之後每當後續章節需要用到物性時再回來查閱；第一版序言便把物性內容描述為需要反覆回看的資料。
- 第二定律： 依課程選擇的路徑學習，先第6章再第7章，或先第7章再第6章。若課程涵蓋可用能分析，要研讀第7章末關於可用能的小節。
- 第二門課或專業課程： 空調與暖通空調用第10–11章，燃燒與化學平衡用第12–13章。
利用每章的學習目標與關鍵概念檢核表安排複習，先做完例題後的自我測驗再往下學，並嘗試EES或電腦題，練習用手算核對軟體結果。出版社配套網站上的免費資源包括關於第一定律與理想氣體過程的教學影片。