五南官網-圖解輸送現象

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：315元

　　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）

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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