Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer - James R. Welty et al. 5th Edition

Kiến thức cơ bản về truyền động lượng, nhiệt và khối lượng. Phiên bản lần 5 với các nguyên lý cơ học, ứng dụng thực tiễn và bài tập chi tiết để nắm vững lĩnh

• Tác giả: James R. Welty
• Trường học: Oregon State University
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí và hóa học
• Đề tài: Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hoboken

Tóm tắt

I. Tổng quan về sách Fundamentals of Momentum Heat and Mass Transfer 5th

Cuốn sách Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer ấn bản thứ 5 là giáo trình kỹ thuật kinh điển do Welty, Wicks, Wilson và Rorrer biên soạn. Được xuất bản bởi John Wiley & Sons vào năm 2008. Cuốn sách trình bày ba chủ đề cốt lõi trong kỹ thuật: truyền động lượng (cơ học chất lỏng), truyền nhiệt và truyền khối lượng. Ấn bản đầu tiên ra mắt năm 1969, nằm trong chương trình giảng dạy kỹ thuật cốt lõi được ABET công nhận. Qua nhiều thập kỷ, cuốn sách liên tục được cập nhật để phản ánh những tiến bộ trong công nghệ tính toán. Ấn bản thứ năm tích hợp các kỹ thuật giải pháp số hiện đại. Nội dung sách được xây dựng trên nền tảng vật lý vững chắc. Phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng là trung tâm của toàn bộ nội dung. Cuốn sách phục vụ sinh viên kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật hóa học và các ngành liên quan. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho người học muốn hiểu sâu về các hiện tượng truyền trong kỹ thuật.

1.1. Lịch sử phát triển và vị trí trong chương trình đào tạo

Cuốn sách lần đầu xuất bản năm 1969 với mục tiêu trở thành phần cốt lõi trong chương trình giảng dạy kỹ thuật. ABET yêu cầu một phần đáng kể chương trình phải dành cho các môn cơ bản. Truyền động lượng, nhiệt và khối lượng luôn là thành phần quan trọng trong mọi chương trình kỹ thuật. Các ấn bản sau đó tích hợp ngày càng nhiều kỹ thuật giải pháp số khi công nghệ tiến bộ. Ấn bản thứ năm đánh dấu hơn 30 năm phát triển liên tục của bộ giáo trình này.

1.2. Cấu trúc nội dung và đối tượng độc giả

Nội dung sách được tổ chức theo ba phần chính: truyền động lượng, truyền nhiệt và truyền khối lượng. Mỗi phần bắt đầu từ nguyên lý cơ bản rồi tiến đến các ứng dụng phức tạp hơn. Sách sử dụng ngôn ngữ rõ ràng và nhiều hình minh họa trực quan. Đối tượng chính là sinh viên đại học các ngành kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật hóa học. Ngoài ra, sách cũng hữu ích cho kỹ sư hành nghề cần tra cứu kiến thức nền tảng.

II. Phân tích các nguyên lý cơ bản trong truyền động lượng

Truyền động lượng là nền tảng của cơ học chất lỏng, nghiên cứu sự vận động của chất lỏng và khí. Sách trình bày khái niệm đường dòng (streamline) là đường tiếp tuyến với vectơ vận tốc tại mọi điểm trong trường dòng chảy. Trong dòng chảy ổn định, quỹ đạo của phần tử chất lỏng đi theo đường dòng. Trong dòng chảy không ổn định, mẫu đường dòng thay đổi theo thời gian. Khái niệm đường quỹ đạo (path line) khác biệt với đường dòng trong dòng chảy không ổn định. Sách cũng giới thiệu phép biến đổi tọa độ để đơn giản hóa bài toán. Khi vật thể chuyển động đều qua chất lỏng, dòng chảy có thể biến đổi từ không ổn định sang ổn định bằng cách chọn hệ tọa độ cố định trên vật thể. Nguyên lý này được áp dụng rộng rãi trong thử nghiệm đường hầm gió. Phân tích lực cân bằng trên các bề mặt cong cũng là nội dung quan trọng.

2.1. Khái niệm đường dòng và đường quỹ đạo

Đường dòng là đường vẽ tiếp tuyến với vectơ vận tốc tại mỗi điểm trong trường dòng chảy. Trong dòng chảy ổn định, tất cả vectơ vận tốc không đổi theo thời gian. Do đó quỹ đạo của phần tử chất lỏng trùng với đường dòng. Trong dòng chảy không ổn định, mẫu đường dòng thay đổi liên tục. Quỹ đạo thực tế của phần tử chất lỏng gọi là đường quỹ đạo, khác biệt với đường dòng tại mọi thời điểm cụ thể.

2.2. Phân tích lực bề mặt và sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài giọt chất lỏng. Phương trình cân bằng lực cho hình bán cầu chỉ ra rằng chênh lệch áp suất tỷ lệ nghịch với bán kính. Đối với bong bóng xà phòng có hai bề mặt tiếp xúc, chênh lệch áp suất gấp đôi. Hiện tượng mao dẫn là hệ quả trực tiếp của sức căng bề mặt. Giá trị sức căng phụ thuộc vào loại chất lỏng và nhiệt độ.

III. Giải pháp và phương pháp giải quyết vấn đề truyền khối lượng

Truyền khối lượng là quá trình vận chuyển các thành phần hóa học từ vùng này sang vùng khác. Sách trình bày các phương pháp giải dựa trên cân bằng khối lượng và phương trình khuếch tán. Phương trình Fick mô tả dòng khuếch tán tỷ lệ với gradient nồng độ. Kỹ thuật biến đổi tọa độ giúp đơn giản hóa bài toán phức tạp. Khi vật thể di chuyển đều qua chất lỏng tĩnh, hệ tọa độ cố định trên vật thể biến đổi bài toán thành dòng chảy ổn định. Dữ liệu thu được từ mô hình tĩnh trong dòng chảy chuyển động sẽ giống với dữ liệu từ mô hình chuyển động qua dòng tĩnh. Kỹ thuật số hiện đại cho phép giải các phương trình vi phân phức tạp. Phương pháp giải tích kết hợp với mô phỏng số tạo ra kết quả chính xác cao. Áp dụng lý thuyết vào thiết bị công nghiệp là mục tiêu cuối cùng của việc học truyền khối lượng.

3.1. Phương trình khuếch tán Fick và ứng dụng

Phương trình Fick là công cụ cơ bản để mô tả quá trình khuếch tán khối lượng. Dòng khuếch tán tỷ lệ thuận với gradient nồng độ và hệ số khuếch tán. Hệ số khuếch tán phụ thuộc vào loại chất, nhiệt độ và áp suất. Phương trình này được áp dụng rộng rãi trong các quá trình hấp thụ, chưng cất và sấy. Việc xác định đúng hệ số khuếch tán là yếu tố then chốt để dự đoán chính xác tốc độ truyền khối lượng.

3.2. Kỹ thuật mô phỏng số và tính toán hiện đại

Sự phát triển của công nghệ tính toán đã thay đổi cách giải quyết bài toán truyền khối lượng. Ấn bản thứ năm tích hợp các kỹ thuật giải pháp số tiên tiến. Mô phỏng CFD cho phép phân tích trường dòng chảy phức tạp trong thiết bị công nghiệp. Phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp sai phân hữu hạn được sử dụng rộng rãi. Kết hợp lý thuyết với công cụ tính toán giúp rút ngắn thời gian thiết kế và tăng độ chính xác.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của kiến thức truyền nhiệt khối lượng

Kiến thức về truyền động lượng, nhiệt và khối lượng có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong kỹ thuật hóa học, các nguyên lý này giúp thiết kế thiết bị phản ứng, trao đổi nhiệt và hệ thống tách. Trong kỹ thuật cơ khí, hiểu biết về cơ học chất lỏng giúp tối ưu hóa hệ thống làm mát và bôi trơn. Quá trình sấy, hấp thụ, chưng cất và chiết xuất đều dựa trên nguyên lý truyền khối lượng. Thiết kế hệ thống HVAC áp dụng đồng thời cả ba cơ chế truyền. Ngành năng lượng tái tạo sử dụng nguyên lý truyền nhiệt để cải thiện hiệu suất tấm pin mặt trời. Công nghệ y sinh áp dụng truyền khối lượng trong hệ thống cung cấp thuốc. Cuốn sách cung cấp nền tảng vững chắc để giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tiễn. Sự kết hợp giữa lý thuyết và ứng dụng là giá trị cốt lõi của giáo trình này. Nắm vững các nguyên lý cơ bản giúp kỹ sư thích ứng với công nghệ mới một cách nhanh chóng.

4.1. Ứng dụng trong kỹ thuật hóa học và chế biến

4.2. Xu hướng phát triển và tương lai của ngành

Nội dung chính

Tổng quan học thuật: Giáo trình Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer (5th Edition)

Tổng quan về giáo trình

Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer (Ấn bản lần thứ 5, xuất bản năm 2008 bởi John Wiley & Sons, Inc., ISBN-13: 978-0470128688) là giáo trình kỹ thuật chuẩn mực được biên soạn bởi các giáo sư thuộc Đại học Bang Oregon (Oregon State University): James R. Welty, Charles E. Wicks, Robert E. Wilson (Khoa Kỹ thuật Cơ khí) và Gregory L. Rorrer (Khoa Kỹ thuật Hóa học). Xuất bản lần đầu năm 1969, giáo trình được thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu cốt lõi của chương trình khoa học kỹ thuật (engineering science core) theo tiêu chuẩn kiểm định ABET cho các khối ngành kỹ thuật cơ khí, hóa học, môi trường và sinh học.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  ABET Engineering Science Core Curriculum               |
+-------------------------------------------------------------------------+
                                     |
                                     v
+-------------------------------------------------------------------------+
|  UNIFIED TRANSPORT PHENOMENA FRAMEWORK (Cơ sở Hiện tượng Vận chuyển)    |
+--------------------+--------------------+-------------------------------+
|                    |                    |                               |
| Momentum Transfer  |   Heat Transfer    |         Mass Transfer         |
| (Truyền động lượng)|   (Truyền nhiệt)   |       (Truyền khối lượng)     |
|   Chương 1 - 14    |   Chương 15 - 23   |         Chương 24 - 31        |
+--------------------+--------------------+-------------------------------+
                                     |
                                     v
+-------------------------------------------------------------------------+
|   APPLICATIONS & EQUIPMENT DESIGN (Thiết kế Thiết bị Kỹ thuật Thực tế)  |
|      Bơm & Tua-bin  |   Thiết bị trao đổi nhiệt   |   Tháp tiếp xúc     |
|      (Chương 5, 14) |      LMTD/NTU (Chương 22)   |   pha (Chương 31)   |
+-------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu học tập của giáo trình hướng tới việc trang bị cho người học năng lực mô hình hóa toán học các quá trình vận chuyển (Transport Phenomena), bao gồm vận chuyển động lượng (cơ học chất lưu), vận chuyển năng lượng (truyền nhiệt) và vận chuyển khối lượng (khuếch tán và đối lưu). Cấu trúc giáo trình chia thành ba phần tuần tự tương ứng với ba hiện tượng vận chuyển, tiếp cận từ cấp độ vĩ mô (phương pháp thể tích kiểm soát tích phân - Integral Control-Volume Approach) đến vi mô (phương pháp vi phân vi mô - Differential Equations Approach) và ứng dụng thiết kế thiết bị kỹ thuật thực tế.

Điểm đặc sắc của ấn bản thứ 5 là việc tích hợp đồng nhất khung toán học vector và giải tích đa biến (toán tử Nabla $\nabla$) để mô tả các hiện tượng vật lý tương đương, đồng thời kết hợp hệ đơn vị chuẩn quốc tế (SI) song hành cùng hệ đơn vị kỹ thuật truyền thống (English Engineering Units: $\text{lbf}, \text{slug}, \text{lbm}, g_c$).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình bao gồm 31 chương được phân bổ mạch lạc theo ba trụ cột vận chuyển:

                            GIÁO TRÌNH 31 CHƯƠNG
   TRUYỀN ĐỘNG LƯỢNG            TRUYỀN NHIỆT                TRUYỀN KHỐI
     (Chương 1-14)             (Chương 15-23)              (Chương 24-31)
  - Tĩnh học chất lưu       - Dẫn nhiệt dừng/không dừng  - Khuếch tán phân tử
  - Cân bằng tích phân CV   - Đối lưu & tương tự         - Cân bằng pha
  - Navier-Stokes & biên    - Bức xạ & trao đổi nhiệt    - Tháp tiếp xúc liên tục

1. Chương 1–3: Khái niệm cơ bản và Tĩnh học chất lưu (Fluid Statics): Thiết lập mô hình môi trường liên tục (Continuum Hypothesis), mật độ tại một điểm ($\rho = \lim_{\Delta V \to \delta V} \frac{\Delta m}{\Delta V}$), ten-xơ ứng suất ($\sigma_{ii}, \tau_{ij}$), phân bố áp suất tĩnh ($\nabla P = \rho \mathbf{g}$), lực tác dụng lên bề mặt chìm và lực nổi Archimedes.
2. Chương 4–6: Phương pháp thể tích kiểm soát tích phân (Control-Volume Approach): Thiết lập các định luật bảo toàn vĩ mô: bảo toàn khối lượng (Phương trình liên tục), định luật II Newton cho động lượng tuyến tính và mô-men động lượng (ứng dụng trong máy bơm, tua-bin), và bảo toàn năng lượng (dẫn xuất phương trình Bernoulli).
3. Chương 7–9: Cơ học chất lưu vi phân (Differential Analysis): Khảo sát dòng chảy tầng, định luật độ nhớt Newton, phương trình vi phân liên tục và hệ phương trình vi phân chuyển động Navier-Stokes đối với hệ tọa độ Descartes, trụ và cầu.
4. Chương 10–13: Phân tích thứ nguyên, Dòng thế và Lớp biên (Boundary Layer): Phương pháp Buckingham $\Pi$, điều kiện đồng dạng động lực học, lý thuyết lớp biên Prandtl, nghiệm Blasius cho tấm phẳng, lý thuyết tích phân von Kármán và ma sát dòng chảy trong ống dẫn (biểu đồ Moody, hệ số ma sát).
5. Chương 15–18: Dẫn nhiệt dừng và không dừng (Conduction): Phương trình vi phân năng lượng tổng quát, dẫn nhiệt dừng một chiều qua cánh tản nhiệt (Extended Surfaces), dẫn nhiệt đa chiều và dẫn nhiệt quá độ (Unsteady-State Conduction) sử dụng đồ thị nhiệt độ - thời gian và phương pháp tích phân.
6. Chương 19–23: Truyền nhiệt đối lưu, Bức xạ và Thiết bị trao đổi nhiệt: Phân tích lớp biên nhiệt, các tương quan đối lưu cưỡng bức trong/ngoài ống, đối lưu tự nhiên, truyền nhiệt sôi và ngưng tụ; bức xạ vật đen/xám (Định luật Planck, Stefan-Boltzmann); thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt theo phương pháp LMTD (Log-Mean Temperature Difference) và NTU (Number of Transfer Units).
7. Chương 24–31: Truyền khối lượng và Thiết bị tiếp xúc pha: Định luật Fick về khuếch tán phân tử, hệ số khuếch tán trong hệ hai cấu tử (Binary Systems), phương trình vi phân truyền khối, truyền khối dừng/quá độ có kèm phản ứng hóa học, lý thuyết hai màng (Two-Resistance Theory), tương tự giữa truyền động lượng - nhiệt - khối (Reynolds, Chilton-Colburn analogies), và mô hình hóa tháp tiếp xúc khí - lỏng (Packed and Fluidized Beds, Continuous-Contact Towers).

+-------------------------------------------------------------------------------------+
|                  PROGRESSION LOGIC (Mạch phát triển nội dung)                       |
+-------------------------------------------------------------------------------------+
  [Mô hình Môi trường liên tục & Khái niệm trường vi phân (Continuum & Field Vars)]
  [Các định luật bảo toàn tích phân vĩ mô (Integral Control Volume Laws)]
  [Mô hình hóa vi phân chi tiết (Differential Navier-Stokes / Energy / Fick Eqs)]
  [Phân tích thứ nguyên, Lớp biên & Tương quan thực nghiệm (Dimensional & Boundary)]
  [Tính toán và thiết kế thiết bị kỹ thuật công nghiệp (Industrial Equipment Design)]
+-------------------------------------------------------------------------------------+

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập nền tảng dựa trên ba định luật vật lý cơ bản:

• Định luật bảo toàn khối lượng (Phương trình liên tục).
• Định luật II Newton về chuyển động (Định lý động lượng).
• Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học (Phương trình năng lượng).

Các nguyên lý vận chuyển phân tử cốt lõi được xây dựng song song:

• Định luật độ nhớt Newton: $\tau_{yx} = -\mu \frac{dv_x}{dy}$
• Định luật dẫn nhiệt Fourier: $q_x'' = -k \frac{dT}{dx}$
• Định luật khuếch tán Fick: $J_{Ax} = -D_{AB} \frac{dc_A}{dx}$

Hệ thống khung lý thuyết bao gồm việc sử dụng cách tiếp cận Euler (Eulerian Framework) để mô tả trường vận tốc, nhiệt độ và nồng độ; mô hình lớp biên (Prandtl Boundary-Layer Theory) để phân tách trường dòng chảy thành vùng ma sát gần thành và vùng thế không nhớt; cùng thuyết tương tự (Analogies) giữa truyền động lượng, nhiệt lượng và khối lượng.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thiết lập phương trình cân bằng cho vi phân thể tích hoặc thể tích kiểm soát hữu hạn; giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng của quá trình vận chuyển bằng phương pháp giải tích, đồ thị (temperature-time/concentration-time charts) và phương pháp số cơ bản.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Sử dụng phân tích thứ nguyên (Buckingham $\Pi$-theorem) để rút gọn các biến số vật lý thành các chuẩn số không thứ nguyên (Reynolds $\text{Re}$, Prandtl $\text{Pr}$, Schmidt $\text{Sc}$, Nusselt $\text{Nu}$, Sherwood $\text{Sh}$, Mach $\text{M}$).
• Năng lực thực hành kỹ thuật (Practical competencies): Tính toán sụt áp và tổn thất cột áp trong đường ống, lựa chọn máy bơm/quạt theo quy luật tỷ lệ (Scaling laws), thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt công nghiệp (dạng ống chùm, dòng chéo) và xác định chiều cao tháp đệm trong quá trình truyền khối tiếp xúc pha khí - lỏng.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

                                PHƯƠNG PHÁP SƯ PHẠM
[TIẾP CẬN TỪNG BƯỚC]            [LUYỆN TẬP ĐỊNH LƯỢNG]          [TRA CỨU DỮ LIỆU CHUẨN]
- Phân tích hiện tượng          - Bài tập cuối chương           - Phụ lục A-E (Toán học)
- Đặt thể tích kiểm soát        - Đa dạng đơn vị (SI / English) - Phụ lục G-N (Vật lý,
- Rút gọn giả thiết             - Ứng dụng kỹ thuật thực tế       kích thước ống chuẩn)

Phương pháp tiếp cận sư phạm

Giáo trình áp dụng phương pháp quy nạp kết hợp diễn dịch logic. Mỗi phần kiến thức bắt đầu bằng việc quan sát hiện tượng vật lý vĩ mô, xây dựng mô hình toán học thông qua cân bằng phần tử, sau đó mở rộng thành phương trình vi phân tổng quát và rút gọn cho các điều kiện biên cụ thể. Giáo trình cung cấp quy trình mô hình hóa từng bước rõ ràng, tiêu biểu như Section 25.4 (Steps for Modeling Processes Involving Molecular Diffusion) và Section 30.7 (Steps for Modeling Mass-Transfer Processes Involving Convection).

Bài tập và bài toán thực hành

Hệ thống bài tập cuối mỗi chương được thiết kế đa dạng, từ các bài toán tính toán cơ bản (như tính độ chênh áp qua áp kế chữ U, độ hạ mao dẫn của thủy ngân trong ống thủy tinh, lực tác dụng lên van xả đập nước) đến các bài toán mô hình hóa phức tạp (dòng chảy xung quanh xi lanh, truyền nhiệt đối lưu qua cánh tản nhiệt, khuếch tán khí trong hệ sinh học và tầng sôi).

Phương pháp đánh giá và tự học

• Đánh giá năng lực: Giáo trình cung cấp các bài toán đòi hỏi cả kỹ năng giải tích giải phương trình toán học và kỹ năng sử dụng phần mềm máy tính để xử lý các mô hình phức tạp.
• Hỗ trợ tự học: Hệ thống phụ lục từ A đến N cung cấp đầy đủ công cụ bổ trợ, bao gồm:
  • Phụ lục A–B: Chuyển đổi toán tử $\nabla$ và $\nabla^2$ sang hệ tọa độ trụ và cầu; tóm tắt các phép toán vi phân vector.
  • Phụ lục C–E: Chứng minh tính đối xứng của ten-xơ ứng suất và bảng phương trình Navier-Stokes hoàn chỉnh.
  • Phụ lục F: Đồ thị giải các bài toán vận chuyển không dừng.
  • Phụ lục G–N: Bảng thông số vật lý của khí quyển tiêu chuẩn, chất rắn, chất lỏng, chất khí, hệ số khuếch tán nhị phân ($D_{AB}$), hằng số thế Lennard-Jones, hàm sai số ($\text{erf}$) và kích thước ống tiêu chuẩn (Standard Pipe Sizes, Tubing Gages).

---

Điểm nổi bật và cập nhật của ấn bản thứ 5

+--------------------------------------------------------------------------------------+
|                     CÁC ĐIỂM NÂNG CẤP TRONG ẤN BẢN THỨ 5                            |
+--------------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                      |
|  1. ĐỘI NGŨ TÁC GIẢ: Bổ sung GS. Gregory L. Rorrer (Chuyên môn Kỹ thuật Sinh hóa)    |
|                                                                                      |
|  2. CHUYỂN DỊCH ĐƠN VỊ: Chuẩn hóa hệ SI làm trọng tâm, giữ lại hệ English truyền     |
|     thống cho các chuyên ngành nhiệt - thủy lực đặc thù.                             |
|                                                                                      |
|  3. CẬP NHẬT TRUYỀN KHỐI: Hiện đại hóa toàn diện Chương 24 - 31 (Mô hình sinh hóa,  |
|     cột đệm, thiết bị phản ứng sinh học, bình khuấy khí - lỏng).                     |
|                                                                                      |
|  4. TÍCH HỢP TÍNH TOÁN: Bổ sung các bài toán phù hợp với công cụ giải số và          |
|     phần mềm máy tính chuyên dụng.                                                   |
|                                                                                      |
+--------------------------------------------------------------------------------------+

• Đóng góp chuyên môn mới: Sự tham gia của Tiến sĩ Gregory L. Rorrer thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bang Oregon mang lại sự đổi mới cho toàn bộ phần Truyền khối lượng (Chapters 24–31), mở rộng ứng dụng sang các hệ thống sinh học và kỹ thuật sinh hóa (Biochemical Engineering).
• Chuẩn hóa hệ thống đơn vị: Phần lớn các ví dụ định lượng và hệ thống bài tập được chuyển dịch sang hệ đơn vị quốc tế SI ($\text{kg}, \text{m}, \text{s}, \text{N}, \text{Pa}$), phản ánh xu hướng đào tạo kỹ thuật hiện đại, đồng thời vẫn duy trì các bài tập theo hệ đo lường kỹ thuật Anh ($\text{ft}, \text{lbm}, \text{lbf}, \text{psi}, \text{slug}$) nhằm đảm bảo tính tương thích với tài liệu kỹ thuật công nghiệp đặc thù.
• Thích ứng với năng lực tính toán hiện đại: Giáo trình cập nhật cấu trúc bài tập phù hợp với sự phát triển của phần mềm máy tính, giảm bớt việc tính toán thủ công các phép tính đại số phức tạp để tập trung vào bản chất vật lý và phương pháp thiết lập mô hình.
• Tính kết nối thực tiễn: Tích hợp sâu các ứng dụng công nghiệp như máy bơm cánh dẫn và tua-bin thủy lực (Chương 5, 14), các loại thiết bị trao đổi nhiệt dòng chéo và ống chùm (Chương 22), cột tháp màng ướt (Wetted-wall columns), tháp đệm (Packed beds) và bể khuấy tiếp xúc khí - lỏng (Stirred tanks) (Chương 30, 31).

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Nhóm đối tượng	Yêu cầu / Điều kiện tiên quyết	Phạm vi và Mục đích sử dụng
Sinh viên Đại học (Năm 2–4)	• Giải tích đa biến & Vi phân vector • Vật lý đại cương (Cơ học, Nhiệt học) • Nhiệt động lực học cơ sở	Làm tài liệu học tập chính cho chuỗi môn học: Cơ học chất lưu, Truyền nhiệt, Truyền khối hoặc môn học tích hợp Hiện tượng Vận chuyển (Transport Phenomena) trong các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Hóa học, Sinh học, Môi trường.
Học viên Cao học	• Toán kỹ thuật nâng cao • Phương trình đạo hàm riêng (PDEs)	Sử dụng làm tài liệu tham khảo nền tảng để nghiên cứu các mô hình vận chuyển nâng cao, cơ học chất lưu tính toán (CFD), thiết kế thiết bị quá trình và các bài toán lớp biên phức tạp.
Giảng viên Kỹ thuật	• Chuyên môn sâu về Kỹ thuật Nhiệt - Chất lưu & Hóa kỹ thuật	Sử dụng để xây dựng đề cương bài giảng (syllabus) linh hoạt cho các học phần riêng lẻ (1 kỳ cho Cơ học chất lưu, 1 kỳ cho Truyền nhiệt - Truyền khối) hoặc khóa học tích hợp.
Kỹ sư Thực hành & Nghiên cứu	• Nền tảng kỹ thuật công nghiệp	Tra cứu các phương trình vi phân vận chuyển ở các hệ tọa độ, các hệ số tương quan thực nghiệm, và dữ liệu vật lý chuẩn trong các Phụ lục A–N.

---

Câu hỏi thường gặp

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            CÂU HỎI THƯỜNG GẶP (FAQ)                               |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Phù hợp với ai?   -> Sinh viên, học viên kỹ thuật Cơ khí, Hóa học, Môi trường. |
| 2. Kiến thức nền?    -> Giải tích vi tích phân, vector, vật lý đại cương.         |
| 3. Điểm khác biệt?   -> Khung tiếp cận thống nhất 3 hiện tượng: Động lượng -      |
|                         Nhiệt lượng - Khối lượng.                                 |
| 4. Cách tự học?      -> Đi từ tích phân vĩ mô đến vi phân, bám sát các bước       |
|                         mô hình hóa tiêu chuẩn (Modeling Steps).                  |
| 5. Tài liệu bổ trợ?  -> Hệ thống Phụ lục A-N: Bảng tra cứu, đồ thị giải tích số. |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Giáo trình được biên soạn phục vụ sinh viên đại học từ năm thứ hai đến năm cuối và học viên sau đại học thuộc các khối ngành kỹ thuật: Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Sinh học và Kỹ thuật Hàng không.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học cần hoàn thành các học phần Toán giải tích (đặc biệt là vi tích phân đa biến, phương trình vi phân và toán tử vector $\nabla$), Vật lý đại cương (cơ học và nhiệt học) và Nhiệt động lực học kỹ thuật cơ sở.

3. Điểm khác biệt chính giữa giáo trình này và các sách chuyên khảo đơn lẻ là gì?

Thay vì tách rời Cơ học chất lưu, Truyền nhiệt và Truyền khối thành các môn học biệt lập, giáo trình tích hợp cả ba quá trình vào một khung toán học và phương pháp luận đồng nhất (hiện tượng vận chuyển), giúp người học thấy rõ sự tương đồng về cơ chế vật lý (độ nhớt phân tử, độ dẫn nhiệt, hệ số khuếch tán) và các hệ thức tương tự (Reynolds, Colburn).

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học nên tuân thủ mạch tiếp cận: nắm vững các định luật bảo toàn tích phân trên thể tích kiểm soát (Chương 4–6), sau đó nghiên cứu phương pháp vi phân (Chương 8–9, 16, 25), áp dụng các quy trình mô hình hóa từng bước đã được hệ thống hóa trong sách và tự giải các bài tập định lượng từ hệ đơn vị SI đến hệ đơn vị kỹ thuật.

5. Giáo trình có những tài liệu dữ liệu bổ trợ nào đi kèm?

Sách tích hợp 14 phụ lục (Appendices A–N) cung cấp đầy đủ bảng chuyển đổi toán tử vector trong hệ tọa độ cong, hệ phương trình Navier-Stokes hoàn chỉnh, đồ thị truyền nhiệt/truyền khối quá độ, và bảng dữ liệu tra cứu tính chất nhiệt vật lý của vật liệu rắn, lỏng, khí cùng kích thước ống công nghiệp tiêu chuẩn.

---

Kết luận

                               TÓM LƯỢC HỌC THUẬT
  [GIÁ TRỊ CỐT LÕI]             [LỘ TRÌNH ĐÀO TẠO]            [DỮ LIỆU ĐÍNH KÈM]
toán học hiện tượng vận chuyển (Ch. 1-14)    (Ch. 15-23) (Ch. 24-31) (Toán học, Vật lý, Kỹ thuật)

Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer (5th Edition) cung cấp một cấu trúc học thuật hoàn chỉnh cho khối kiến thức hiện tượng vận chuyển trong chương trình đào tạo kỹ thuật đại học. Giá trị cốt lõi của tác phẩm nằm ở sự liên kết logic giữa ba lĩnh vực truyền động lượng, nhiệt lượng và khối lượng thông qua các định luật bảo toàn nền tảng và phương pháp mô hình hóa toán học nhất quán.

Lộ trình học tập được thiết kế mạch lạc từ phân tích thể tích kiểm soát vĩ mô, giải tích vi phân chi tiết, đến tính toán thiết kế các thiết bị công nghiệp thực tế. Cùng với hệ thống 14 phụ lục dữ liệu chuẩn xác, giáo trình là tài liệu học tập và tra cứu kỹ thuật đáp ứng các yêu cầu học thuật và ứng dụng chuyên ngành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer 5th Edition www.net Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer 5th Edition James R.net Department of Mechanical Engineering Charles E. Wicks Department of Chemical Engineering Robert E. Wilson Department of Mechanical Engineering Gregory L. Rorrer Department of Chemical Engineering Oregon State University John Wiley & Sons, Inc.net ASSOCIATE PUBLISHER Daniel Sayre ACQUISITIONS EDITOR Jennifer Welter MARKETING MANAGER Christopher Ruel CREATIVE DIRECTOR Harry Nolan DESIGNER Michael St.

Martine SENIOR MEDIA EDITOR Lauren Sapira SENIOR PRODUCTION EDITOR Patricia McFadden PRODUCTION MANAGEMENT SERVICES Thomson Digital www.net This book was set in by Thomson Digital and printed and bound by Hamilton Printing. The cover was printed by Lehigh Press, Inc. This book is printed on acid free paper.
1 Copyright # 2008 John Wiley & Sons, Inc.

All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning or otherwise, except as permitted under Sections 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, Inc. 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, website www. Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030-5774, [phone], fax [phone], website http://www.com/go/permissions.

To order books or for customer service please, call 1-800-CALL WILEY (225-5945). ISBN-13 978-0470128688 Printed in the United States of America 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 www.net Preface to the 5th Edition The first edition of Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer, published in 1969, was written to become a part of what was then known as the ‘‘engineering science core’’ of most engineering curricula. Indeed, requirements for ABET accreditation have stipulated that a significant part of all curricula must be devoted to fundamental subjects. The emphasis on engineering science has continued over the intervening years, but the degree of emphasis has diminished as new subjects and technologies have entered the world of engineering education.

Nonetheless, the subjects of momentum transfer (fluid mechanics), heat transfer, and mass transfer remain, at least in part, important components www.net of all engineering curricula. It is in this context that we now present the fifth edition. Advances in computing capability have been astonishing since 1969. At that time, the pocket calculator was quite new and not generally in the hands of engineering students.

Subsequent editions of this book included increasingly sophisticated solution techniques as technology advanced. Now, more than 30 years since the first edition, computer competency among students is a fait accompli and many homework assignments are completed using computer software that takes care of most mathematical complexity, and a good deal of physical insight. We do not judge the appropriateness of such approaches, but they surely occur and will do so more frequently as software becomes more readily available, more sophisticated, and easier to use. In this edition, we still include some examples and problems that are posed in English units, but a large portion of the quantitative work presented is now in SI units.

This is consistent with most of the current generation of engineering textbooks. There are still some subdisciplines in the thermal/fluid sciences that use English units conventionally, so it remains necessary for students to have some familiarity with pounds, mass, slugs, feet, psi, and so forth. Perhaps a fifth edition, if it materializes, will finally be entirely SI. We, the original three authors (W3), welcome Dr.

Greg Rorrer to our team. Greg is a member of the faculty of the Chemical Engineering Department at Oregon State University with expertise in biochemical engineering. He has had a significant influence on this edition’s sections on mass transfer, both in the text and in the problem sets at the end of Chapters 24 through 31. This edition is unquestionably strengthened by his contributions, and we anticipate his continued presence on our writing team.

We are gratified that the use of this book has continued at a significant level since the first edition appeared some 30 years ago. It is our continuing belief that the transport phenomena remain essential parts of the foundation of engineering education and practice. With the modifications and modernization of this fourth edition, it is our hope that Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer will continue to be an essential part of students’ educational experiences.net This page intentionally left blank www. Introduction to Momentum Transfer 1 1.1 Fluids and the Continuum 1 1.2 Properties at a Point 2 1.3 Point-to-Point Variation of Properties in a Fluid 5 1.6 Surface Tension 11 www.1 Pressure Variation in a Static Fluid 16 2.2 Uniform Rectilinear Acceleration 19 2.3 Forces on Submerged Surfaces 20 2.

Description of a Fluid in Motion 29 3.1 Fundamental Physical Laws 29 3.2 Fluid-Flow Fields: Lagrangian and Eulerian Representations 29 3.3 Steady and Unsteady Flows 30 3.5 Systems and Control Volumes 32 4. Conservation of Mass: Control-Volume Approach 34 4.2 Specific Forms of the Integral Expression 35 4. Newton’s Second Law of Motion: Control-Volume Approach 43 5.1 Integral Relation for Linear Momentum 43 5.2 Applications of the Integral Expression for Linear Momentum 46 5.3 Integral Relation for Moment of Momentum 52 5.4 Applications to Pumps and Turbines 53 5. Conservation of Energy: Control-Volume Approach 63 6.1 Integral Relation for the Conservation of Energy 63 6.2 Applications of the Integral Expression 69 vii www.net viii Contents 6.3 The Bernoulli Equation 72 6.

Shear Stress in Laminar Flow 81 7.1 Newton’s Viscosity Relation 81 7.2 Non-Newtonian Fluids 82 7.4 Shear Stress in Multidimensional Laminar Flows of a Newtonian Fluid 88 7. Analysis of a Differential Fluid Element in Laminar Flow 92 8.1 Fully Developed Laminar Flow in a Circular Conduit of Constant Cross Section 92 8.2 Laminar Flow of a Newtonian Fluid Down an Inclined-Plane Surface 95 8. Differential Equations of Fluid Flow 99 9.1 The Differential Continuity Equation 99 9.2 Navier-Stokes Equations 101 9. Inviscid Fluid Flow 113 10.1 Fluid Rotation at a Point 113 10.2 The Stream Function 114 10.3 Inviscid, Irrotational Flow about an Infinite Cylinder 116 10.4 Irrotational Flow, the Velocity Potential 117 10.5 Total Head in Irrotational Flow 119 10.6 Utilization of Potential Flow 119 10.7 Potential Flow Analysis—Simple Plane Flow Cases 120 10.8 Potential Flow Analysis—Superposition 121 10.

Dimensional Analysis and Similitude 125 11.2 Dimensional Analysis of Governing Differential Equations 126 11.3 The Buckingham Method 128 11.4 Geometric, Kinematic, and Dynamic Similarity 131 11.net Contents ix 12.3 The Boundary-Layer Concept 144 12.4 The Boundary-Layer Equations 145 12.5 Blasius’s Solution for the Laminar Boundary Layer on a Flat Plate 146 12.6 Flow with a Pressure Gradient 150 12.7 von Kármán Momentum Integral Analysis 152 12.8 Description of Turbulence 155 12.9 Turbulent Shearing Stresses 157 12.10 The Mixing-Length Hypothesis 158 12.11 Velocity Distribution from the Mixing-Length Theory 160 12.12 The Universal Velocity Distribution 161 12.13 Further Empirical Relations for Turbulent Flow 162 12.14 The Turbulent Boundary Layer on a Flat Plate 163 12.15 Factors Affecting the Transition From Laminar to Turbulent Flow 165 12. Flow in Closed Conduits 168 13.1 Dimensional Analysis of Conduit Flow 168 www.2 Friction Factors for Fully Developed Laminar, Turbulent, and Transition Flow in Circular Conduits 170 13.3 Friction Factor and Head-Loss Determination for Pipe Flow 173 13.4 Pipe-Flow Analysis 176 13.5 Friction Factors for Flow in the Entrance to a Circular Conduit 179 13.2 Scaling Laws for Pumps and Fans 194 14.3 Axial and Mixed Flow Pump Configurations 197 14. Fundamentals of Heat Transfer 201 15.5 Combined Mechanisms of Heat Transfer 209 15. Differential Equations of Heat Transfer 217 16.1 The General Differential Equation for Energy Transfer 217 16.2 Special Forms of the Differential Energy Equation 220 16.3 Commonly Encountered Boundary Conditions 221 16.

Steady-State Conduction 224 17.1 One-Dimensional Conduction 224 17.2 One-Dimensional Conduction with Internal Generation of Energy 230 17.3 Heat Transfer from Extended Surfaces 233 17.4 Two- and Three-Dimensional Systems 240 17. Unsteady-State Conduction 252 18.2 Temperature-Time Charts for Simple Geometric Shapes 261 18.3 Numerical Methods for Transient Conduction Analysis 263 18.4 An Integral Method for One-Dimensional Unsteady Conduction 266 18. Convective Heat Transfer 274 19.1 Fundamental Considerations in Convective Heat Transfer 274 www.2 Significant Parameters in Convective Heat Transfer 275 19.3 Dimensional Analysis of Convective Energy Transfer 276 19.4 Exact Analysis of the Laminar Boundary Layer 279 19.5 Approximate Integral Analysis of the Thermal Boundary Layer 283 19.6 Energy- and Momentum-Transfer Analogies 285 19.7 Turbulent Flow Considerations 287 19. Convective Heat-Transfer Correlations 297 20.2 Forced Convection for Internal Flow 305 20.3 Forced Convection for External Flow 311 20.

Boiling and Condensation 323 21. Heat-Transfer Equipment 336 22.1 Types of Heat Exchangers 336 22.2 Single-Pass Heat-Exchanger Analysis: The Log-Mean Temperature Difference 339 22.3 Crossflow and Shell-and-Tube Heat-Exchanger Analysis 343 22.4 The Number-of-Transfer-Units (NTU) Method of Heat-Exchanger Analysis and Design 347 22.5 Additional Considerations in Heat-Exchanger Design 354 22.net Contents xi 23. Radiation Heat Transfer 359 23.1 Nature of Radiation 359 23.3 The Intensity of Radiation 361 23.4 Planck’s Law of Radiation 363 23.5 Stefan-Boltzmann Law 365 23.6 Emissivity and Absorptivity of Solid Surfaces 367 23.7 Radiant Heat Transfer Between Black Bodies 370 23.8 Radiant Exchange in Black Enclosures 379 23.9 Radiant Exchange in Reradiating Surfaces Present 380 23.10 Radiant Heat Transfer Between Gray Surfaces 381 23.11 Radiation from Gases 388 23.12 The Radiation Heat-Transfer Coefficient 392 23. Fundamentals of Mass Transfer 398 www.1 Molecular Mass Transfer 399 24.2 The Diffusion Coefficient 407 24.3 Convective Mass Transfer 428 24.

Differential Equations of Mass Transfer 433 25.1 The Differential Equation for Mass Transfer 433 25.2 Special Forms of the Differential Mass-Transfer Equation 436 25.3 Commonly Encountered Boundary Conditions 438 25.4 Steps for Modeling Processes Involving Molecular Diffusion 441 25. Steady-State Molecular Diffusion 452 26.1 One-Dimensional Mass Transfer Independent of Chemical Reaction 452 26.2 One-Dimensional Systems Associated with Chemical Reaction 463 26.3 Two- and Three-Dimensional Systems 474 26.4 Simultaneous Momentum, Heat, and Mass Transfer 479 26. Unsteady-State Molecular Diffusion 496 27.1 Unsteady-State Diffusion and Fick’s Second Law 496 27.2 Transient Diffusion in a Semi-Infinite Medium 497 27.3 Transient Diffusion in a Finite-Dimensional Medium Under Conditions of Negligible Surface Resistance 500 27.4 Concentration-Time Charts for Simple Geometric Shapes 509 27.net xii Contents 28. Convective Mass Transfer 517 28.1 Fundamental Considerations in Convective Mass Transfer 517 28.2 Significant Parameters in Convective Mass Transfer 519 28.3 Dimensional Analysis of Convective Mass Transfer 521 28.4 Exact Analysis of the Laminar Concentration Boundary Layer 524 28.5 Approximate Analysis of the Concentration Boundary Layer 531 28.6 Mass, Energy, and Momentum-Transfer Analogies 533 28.7 Models for Convective Mass-Transfer Coefficients 542 28.

Convective Mass Transfer Between Phases 551 29.2 Two-Resistance Theory 554 29. Convective Mass-Transfer Correlations 569 www.1 Mass Transfer to Plates, Spheres, and Cylinders 569 30.2 Mass Transfer Involving Flow Through Pipes 580 30.3 Mass Transfer in Wetted-Wall Columns 581 30.4 Mass Transfer in Packed and Fluidized Beds 584 30.5 Gas-Liquid Mass Transfer in Stirred Tanks 585 30.6 Capacity Coefficients for Packed Towers 587 30.7 Steps for Modeling Mass-Transfer Processes Involving Convection 588 30. Mass-Transfer Equipment 603 31.1 Types of Mass-Transfer Equipment 603 31.2 Gas-Liquid Mass-Transfer Operations in Well-Mixed Tanks 605 31.3 Mass Balances for Continuous Contact Towers: Operating-Line Equations 611 31.4 Enthalpy Balances for Continuous-Contact Towers 620 31.5 Mass-Transfer Capacity Coefficients 621 31.6 Continuous-Contact Equipment Analysis 622 31.7 Closure 636 Nomenclature 641 APPENDIXES A. Transformations of the Operators = and =2 to Cylindrical Coordinates 648 B.

Summary of Differential Vector Operations in Various Coordinate Systems 651 C. Symmetry of the Stress Tensor 654 D. The Viscous Contribution to the Normal Stress 655 E. The Navier–Stokes Equations for Constant r and m in Cartesian, Cylindrical, and Spherical Coordinates 657 F.

Charts for Solution of Unsteady Transport Problems 659 www.net Contents xiii G. Properties of the Standard Atmosphere 672 H. Physical Properties of Solids 675 I. Physical Properties of Gases and Liquids 678 J.