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圖解輸送現象

內容簡介

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。

作者介紹

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）

產品目錄

產品目錄 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

商品規格

最佳賣點

最佳賣點 : 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

試閱文字

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。

試閱文字

內文 : 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。