圖解輸送現象
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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。
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
序／導讀
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。
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