關閉 

圖解輸送現象

    作者:吳永富
  • 書系:圖解系列
  • 出版社:五南
  • 出版日期:2020/07/28
  • 商品語言:繁體/中文
  • ISBN:9789865221201
  • 定價:350
    優惠價:93折,326
  • 優惠期限:2021/01/23

    ※庫存=5

    結帳去

      

    內容簡介  |   作者介紹  |   目錄  |     |   內容試閱  |   同類推薦   |  購物說明

    內容簡介

    輸送現象是工程學、化學、材料科學、農學、氣象學、生理學、生物學、藥學等領域皆會面對的課題,從17世紀即已陸續建立基礎理論。一般探討的輸送現象包括動量輸送、熱量輸送和質量輸送,然而這三種輸送往往不會單獨發生,甚至彼此還會互相影響,因而成為複雜難解的問題。
    本書除了介紹上述三種輸送現象,也闡述了此領域的內涵、延伸和應用,可作為工程科系學生快速理解相關物理的入門資料。若欲繼續深究輸送現象,首要工作是建立物理模型,形成統御方程式與對應條件,但這些方程式與條件往往涉及微積分和工程數學,因此本書採取循序漸進的系統性方法,簡介輸送現象的推論過程,並也著重應用實例,期望讀者能以本書論點出發,一方面可以理解輸送現象的日常應用,另一方面也能探究輸送現象的研發課題。

    <TOP>

    作者介紹

    吳永富

    吳永富

    [現職]
    明志科技大學化學工程系副教授

    [學歷]
    臺灣大學化學工程系學士
    臺灣大學化學工程所博士

    [經歷]
    工研院電子研究所工程師
    工研院平面顯示中心研發課長
    明志科技大學化學工程系系主任

    [著作]
    電化學工程原理(五南文化)
    電化學工程應用(五南文化)

    <TOP>

    詳細資料

    EAN / 9789865221201
    頁數 / 288
    裝訂 / 平裝
    級別 / 普
    語言 / 繁體/中文

    <TOP>

    目錄

    第1章 緒 論
    1-1 輸送現象的內涵 
    1-2 輸送現象的研究層次 
    1-3 輸送現象的應用 
    1-4 輸送現象與化學工程 
    1-5 輸送現象與物質 
    1-6 質量與能量均衡 
    第2章 動量傳送
    2-1 流體力學發展史 
    2-2 流體黏性 
    2-3 真實流體 
    2-4 靜止流體 
    2-5 運動流體 
    2-6 運動描述 
    2-7 控制體積 
    2-8 巨觀質量均衡 
    2-9 巨觀能量均衡(I) 
    2-10 巨觀能量均衡(II) 
    2-11 巨觀動量均衡(I) 
    2-12 巨觀動量均衡(II) 
    2-13 層流與紊流 
    2-14 管線設計 
    2-15 摩擦損失 
    2-16 流體邊界層 
    2-17 流體繞過固體 
    2-18 粒子沉降 
    2-19 攪拌 
    2-20 微觀質量均衡 
    2-21 連續方程式 
    2-22 微觀動量均衡 
    2-23 運動方程式 
    2-24 不可壓縮牛頓流體的運動 
    2-25 紊流中的運動方程式 
    2-26 流場分析 
    2-27 無因次的運動方程式 
    2-28 緩流 
    2-29 白努利定理 
    2-30 速度勢與流函數 
    2-31 渦流 
    2-32 環流 
    2-33 邊界層理論 
    2-34 邊界層剝離 
    2-35 流固作用力 
    2-36 康達效應 
    2-37 馬格努斯效應 
    2-38 套管內的流動 
    2-39 管件 
    2-40 離心泵 
    2-41 正位移泵 
    2-42 壓氣機 
    2-43 流量計 
    2-44 皮托管與浮子流量計 
    2-45 差壓式流量計 
    2-46 因次分析法 
    2-47 計算流體力學 
    2-48 數值模擬 
    2-49 模擬流程 
    2-50 有限體積法 
    第3章 熱量傳送
    3-1 熱力學概念 
    3-2 熱傳遞概念 
    3-3 傳導與對流 
    3-4 熱輻射 
    3-5 熱傳導原理-傅立葉定律 
    3-6 複合平板中的熱傳導 
    3-7 管壁熱傳導 
    3-8 球殼熱傳導 
    3-9 熱對流 
    3-10 熱邊界層 
    3-11 強制對流 
    3-12 圓管內的熱對流 
    3-13 固體外的強制對流 
    3-14 自然對流 
    3-15 相變化的熱傳 
    3-16 微觀能量均衡 
    3-17 能量均衡方程式 
    3-18 發熱固體與散熱固體 
    3-19 非穩定態的熱傳 
    3-20 非穩態熱傳之近似分析 
    3-21 熱傳現象與流體力學的耦合 
    3-22 熱傳裝置 
    3-23 套管式熱交換器 
    3-24 相變化的熱交換器 
    3-25 殼管式熱交換器 
    3-26 熱交換器效能 
    3-27 蒸發 
    3-28 蒸發器 
    第4章 質量傳送
    4-1 質量傳遞概論 
    4-2 擴散 
    4-3 對流 
    4-4 微觀質量均衡 
    4-5 等莫耳相對擴散系統 
    4-6 不等莫耳質傳系統 
    4-7 伴隨化學反應的質傳系統 
    4-8 一成分靜止的質傳系統 
    4-9 多成分系統 
    4-10 電場中的質傳系統 
    4-11 液相與固相質傳系統 
    4-12 動態質傳系統 
    4-13 界面質傳系統 
    4-14 質量均衡之無因次化 
    4-15 固體外的層流式質傳 
    4-16 固體外的紊流式質傳 
    4-17 膜理論 
    4-18 雙膜理論 
    4-19 巨觀質量均衡 
    4-20 巨觀暫態質傳程序 
    4-21 網絡質傳系統 
    4-22 擴散係數 
    第5章 總 結
    5-1 輸送現象的相似性 
    5-2 邊界層的相似性 
    5-3 輸送現象的微縮 
    5-4 輸送現象的延伸 
    5-5 輸送現象總結 
    附錄
    參考資料、延伸閱讀

    <TOP>

    自序
    「天之道,損有餘而補不足,是故虛勝實,不足勝有餘。其意博,其理奧,其趣深,天地之象分,陰陽之候列,變化之由表,死生之兆彰…。」此乃已故武俠文學大師金庸於《射鵰英雄傳》內設定的九陰真經總綱,吸引書中人物醉心追逐,「損有餘而補不足」,完全對應了輸送現象的根基,故為天之道,且為變化之由表。這意味了輸送現象原理早已深植人心,從古至今。
    然而,科學的發展無法只憑定性研究,還需要定量思索,因而歐洲能在文藝復興後,延續科學革命,從全球文明躍進中脫穎。在長達三世紀的努力中,伽利略留下經典名言:「自然這部書,只能被那些通曉其中所用語言的人閱讀,而此語言正是數學。」愛因斯坦也留下經典名句:「物理學的書,總充滿著複雜的數學式,但每個理論的開端卻是思想和觀念,只是這些構想在日後,必須採取某種數學型式,才可能與實驗對照。」前人倡導的建構學習模式,值得讀者深思。
    《圖解輸送現象》定位於工程科系學生理解相關物理的入門資料,適用對象的專業背景包括機械工程系、化學工程系、環境工程系、土木工程系、航太工程系、海洋工程系、大氣科學系,各系可能拆分成流體力學、熱傳遞、質量傳遞等課程,但皆屬本書範疇。書末將會介紹輸送現象的經典中外文典籍,提供進階學習者延伸閱讀,精益求精。
    輸送現象是系統性的學術,歷經眾多前輩的羅織歸納,儼然脈絡清晰,條理分明,讀者翻閱傳統教科書時,應已知「其意博」。然而,本書秉持段落式學習,逐節闡明前人耙梳過的條理,以文圖互搏的陳述方式,期於讀者驟然浮現「其理奧」的陰影前,頓然體悟「其趣深」的融通感。本書篇幅有限,加上定位精簡,文中各種輸送現象主題皆以最扼要的方式呈現,時而現象說明眾多,時而算式闡釋滿目,盼能秉持工程領域中有「理」有「據」的原則,訓練讀者兼具定性原「理」分析和定量數「據」推理的能力。
    筆者多年從事輸送現象與工程數學的教學,有感於學生想深入主題時的學習障礙,以及面對考試時的挫折無奈。在全球處於科技迅速發展、產業大幅轉變、環境嚴峻變遷的時代,工程學系規劃的核心能力必須能面對上述議題,致使學習動機生硬,不一定能帶來正向回饋的學習效益,故有一派專家倡議科學與藝術的結合,將美感的鑑賞引入科學工程教育中,化怨懟成趣味。在輸送現象領域,筆者至少能察覺到兩種美感,一抽象一具象。抽象的是方程式的簡潔之美,透過向量與張量,經由梯度、散度與旋度,自然世界與人類智慧繼而融合成滿載模型的烏托邦;具象的是物理流動的變異之美,模擬軟體的可視之美,協助流場躍然紙上,促使速度場、溫度場和濃度場繪成各派畫作,從印象派到野獸派,從表現主義到立體主義,古典力學與工程設計終而羽化成饒富趣味的藝術品。抽象性的規律、具象性的扭曲,都值得欣賞,讀者可以不擔任創作者,但仍能成為鑑賞家。
    對於工程議題的學習,盼讀者能從歐陽鋒本末倒置的蠻橫方法中尋求轉變,師法洪七公辨義理的決斷、一燈大師求澈悟的修為、周伯通淡泊名利的豁達、黃藥師欣賞藝術的品味。以虛勝實,以不足勝有餘,自然哲學將順理成章地「輸送」至腦內。

    <TOP>

    內容試閱

    1-1 輸送現象的內涵
    什麼被輸送、被傳播、被轉移?
    輸送現象(transport phenomena)是工程學、化學、材料科學、農學、氣象學、生理學、生物學、藥學等領域皆會面對的課題,其理論基礎已經從17世紀起陸續建立完成,唯有計算輸送方程式的解答時,還沒有通用的方法。
    一般探討的輸送現象是指動量、熱量與質量的轉移,因此分為動量輸送(momentum transfer)、熱量輸送(heat transfer)和質量輸送(mass transfer)三大部分。然而,這三種輸送往往不會單獨發生在前述領域,例如工業製造中會同時包含動量、熱量和質量輸送,而且彼此還會互相影響。分割成三種現象逐一探究的原因,主要來自於三者間的相似性,所以理解了其中一種,即可透過類推法,預測另一種現象。
    輸送現象的來源是驅動力(driving force),但此處所指的「力」並不僅是「力量」,也包括其他物理量,例如壓力差、溫度差或濃度差。歸根究柢,這些物理量皆來自於原子或分子的運動,只是在常見的系統中,原子或分子的數量過於龐大,它們的集體行為必須依靠模型來推估,無法將所有原子的特性加總。因此,欲詳細理解輸送現象,首要工作是建立模型,並且形成方程式與限制條件,這些方程式與條件往往涉及微積分,所以經由工程數學來認識輸送現象是無可迴避的道路。
    然而,求解微分方程式向來困難,在電腦科技尚未發達時更是如此,所以過去的科學家或工程師選擇另一條道路來「建立模型」。這種方法有別於建立理論方程式,而是從影響系統的變因著手。待所有牽涉其中的重要變因被找出後,接著藉由因次分析法,初步得到諸多變因之間的關係,再透過實驗操作,發現變因間的經驗關聯式(empirical correlation),其中不涉及微積分。對於工廠中已經安置完成的固定裝置,經驗關聯式可以快速提供預測,但欲使用此裝置的關聯式來預測其他裝置,卻窒礙難行,甚至在同一裝置中大幅改變操作條件後,原關聯式也可能不再適用。
    因此,在電腦科技大幅進步後,從前只能透過推導微分方程式的模式獲得紓解,在強大的計算能力下,多種數值方法皆可游刃有餘地解決一般性輸送現象問題,迫使經驗關聯法式微,但這只算工程學的成功,而非物理學的躍進。
    1-2 輸送現象的研究層次
    如何研究輸送現象?
    探討輸送現象,可分為三種層次。對一個肉眼可察的反應系統,反應原料會從某個入口送進反應器,之後再從某個出口排出,排出物包含反應生成的產物和未消耗的原料。基於整個系統的管路出入、裝置邊界穿越、內部反應生成或消耗,可分析數種均衡關係,例如反應物的含量、流體的動量、系統的能量等,因而建立出巨觀的均衡方程式(macroscopic balance equation)。這是一種不深究系統內部各處變化的觀察方法,僅探討系統的整體性轉變,所以歸類為巨觀層次。
    但欲探索系統內部各處之變化,則切割成小單元,每一單元的體積要小到可以代表系統內的各處,最理想的情形是小單元經過週期性排列後,能再回復成整體系統。雖然這種理想型的分割或回復很難實現,但就理論面而言,仍可約略地研究系統內部各處之變化。每個小單元也相當於一個整體,故仍可進行動量、角動量、能量和質量的均衡,得到微觀的均衡方程式(microscopic balance equation)。這類觀察方法,尚未觸及輸送現象的成因,僅探討系統的區域性變化,歸類為微觀層次。
    欲探索輸送現象的成因,則必須研究每個小單元內的組成,從組成物的分子內結構和分子間作用來推論,深入理論物理學的層面。透過物理化學(physical chemistry)領域的知識,可以描述分子行為,從而說明輸送現象,這類觀察方法,觸及輸送現象的成因,歸類為分子層次。
    上述三種層次的觀察結果,並非相互獨立的觀點,而是環環相扣,因為分子層次的結果可以提供成分物性而輸入微觀層次,微觀層次的結果可以估計平均行為,繼而強化巨觀層次。在應用面,雖然各層次環環相扣,但課題屬於工廠等級的程序設計與控制時,則以巨觀層次為主;若屬於裝置設計或製程改善,則以微觀層次為主;若屬於材料組成調整,則以分子層次為主。因此,工程師不僅需要理解巨觀層次,也應熟稔微觀與分子層次。
    1-3 輸送現象的應用
    什麼領域會使用到輸送原理?
    輸送現象已經廣泛地應用在工業與民生中,幾乎無處不涉及動量、熱量與質量的變化;甚至在生物體內,呼吸、血液流動、消化代謝或醫療行為,也全都涵蓋輸送現象。因此,工程師、物理學家、化學家、生物學家或醫護人員皆需認識輸送現象。
    工廠是製造產品的場所,因此反應原料或產品的運送需要事先安排,例如管路的設計規範必須依據流體力學,推動物質前進時,需要提供動力的泵或壓氣機等質傳裝置,另外在處理原料或產物時,往往需要調整溫度或改變物質狀態,因而需要使用熱交換器、冷卻器或蒸發器等裝置,這些設備的安置皆需遵循輸送原理。
    家戶是生活起居的場所,其中空調、自來水、天然氣、衛浴、排水等設施,皆涉及動量與質量輸送,冰箱、熱水瓶、烹飪用具,則相關於動量與熱量輸送,所以設計與運用這些裝置也屬於輸送現象的範疇。
    到了戶外,汽車、船舶、飛機等運輸工具,以及道路、橋梁、運河、建築物等公共設施,甚至空氣品質、氣溫、乾溼度、風雨、海浪、洋流等自然現象,全都牽涉輸送原理,因為水和空氣對固體的作用將影響運輸工具和建築物的設計,而且水和空氣的遷移也會改變生活環境。
    由於輸送原理的應用對象極其廣泛,為了能夠從一個對象的特性來推測另一對象的行為,其中的共通性原理特別值得探究。愛因斯坦曾在《物理之演進》中提到:「每個物理學理論的開端,都是思想與觀念,而不是公式。這些構想日後必須採取一種定量理論的數學形式,才可能與實驗進行對照」。若能熟悉這些共通原則與數學形式,即可進行典範轉移,以便運用核心概念設計新事物,此即學習和探究輸送現象的宗旨。

    <TOP>

    如果你喜歡這商品,那你一定不能錯過...

    <TOP>

    購物說明

    退換貨說明

    如遇欲退換貨之情形,請於收貨日當天起算第7日(含)前以收執聯為憑,將商品與完整包裝(商品、附件、內外包裝、隨貨文件、贈品等)以掛號方式寄回灰熊愛讀書客服部,否則恕不接受退貨。有特殊外包裝之商品,一經拆封(除運送包裝外之一切包裝),恕不接受退貨。
    詳細退換貨須知請參考FAQ

    <TOP>