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圖解系列
理工
-
工科類
-
化工
圖解輸送現象
作 者:
吳永富
出版社別:
五南
書 系:
圖解系列
出版日期:2020/08/01(1版1刷)
ISBN:978-986-522-120-1
書 號:5B93
頁 數:288
開 數:20K
定 價:350元
優惠價格:280元
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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。
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)
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
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。
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