Nguyên lý Truyền nhiệt và Truyền khối - Ấn bản thứ 7 bởi Bergman, Lavine, Incropera

• Tác giả: Theodore L. Bergman
• Chuyên ngành: Truyền nhiệt và khối lượng
• Đề tài: Cơ sở truyền nhiệt và khối lượng
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2011

Tóm tắt

I. Tổng quan về Incropera fundamentals heat mass transfer 7th txtbk

Incropera fundamentals heat mass transfer 7th edition là giáo trình chuẩn quốc tế về truyền nhiệt và khối lượng. Cuốn sách do Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine, Frank P. Incropera và David P. DeWitt biên soạn. Nhà xuất bản John Wiley & Sons phát hành lần thứ bảy năm 2011. Nội dung cung cấp nền tảng vững chắc về ba cơ chế truyền nhiệt chính: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Sách trình bày các nguyên lý vật lý một cách rõ ràng. Phương trình và mô hình hóa được giải thích chi tiết. Tài liệu này phục vụ sinh viên kỹ thuật và chuyên gia nghiên cứu. Mỗi chương đi kèm ví dụ minh họa và bài tập thực hành. Hệ thống lý thuyết được xây dựng logic từ cơ bản đến nâng cao. Đây là nguồn tài liệu không thể thiếu trong đào tạo kỹ thuật nhiệt.

1.1. Giới thiệu tác giả và nhà xuất bản

Frank P. Incropera là giáo sư danh tiếng tại Đại học Notre Dame. Ông có nhiều công trình nghiên cứu về truyền nhiệt. Các đồng tác giả như Bergman và Lavine giảng dạy tại các đại học hàng đầu Hoa Kỳ. Nhà xuất bản John Wiley & Sons có lịch sử hơn 200 năm. Họ chuyên cung cấp tài liệu học thuật chất lượng cao. Ấn phẩm được in trên giấy không axit, thân thiện môi trường. Quy trình sản xuất tuân thủ nguyên tắc khai thác bền vững. Bản quyền tác giả được bảo vệ nghiêm ngặt theo luật pháp quốc tế.

1.2. Nội dung chính của sách

Sách bao gồm các phần về dẫn nhiệt ổn định và không ổn định. Phần đối lưu đề cập đến dòng chảy chất lưu và hệ số truyền nhiệt. Phần bức xạ thảo luận về bản chất sóng điện từ. Chủ đề truyền khối lượng được tích hợp liên quan đến khuếch tán phân tử. Sách giới thiệu phương trình cân bằng năng lượng và khối lượng. Các ứng dụng thực tế như pin nhiên liệu được phân tích chi tiết. Tài liệu sử dụng nhiều hình ảnh minh họa và đồ thị. Hệ thống bài tập từ dễ đến khó hỗ trợ người học tự đánh giá.

II. Phân tích các vấn đề truyền nhiệt và khối lượng trong Incropera

Cuốn sách Incropera phân tích sâu các vấn đề cơ bản trong truyền nhiệt và khối lượng. Truyền nhiệt dẫn xảy ra do sự chênh lệch năng lượng phân tử. Khi nhiệt độ gradient tồn tại, năng lượng truyền từ vùng nóng sang lạnh. Hiện tượng này mô tả như sự khuếch tán năng lượng. Đối với chất khí, va chạm phân tử tăng cường quá trình truyền. Trong chất lỏng, phân tử gần nhau hơn tương tác mạnh hơn. Truyền khối lượng liên quan đến sự di chuyển của các loài hóa học. Khuếch tán khối lượng Fick giải thích sự vận chuyển do nồng độ gradient. Sách nhấn mạnh các thách thức trong mô hình hóa các quá trình phức tạp. Các vấn đề biên và điều kiện ban đầu được thảo luận kỹ lưỡng. Phân tích giúp hiểu rõ bản chất vật lý của các hiện tượng.

2.1. Cơ chế dẫn nhiệt và khuếch tán năng lượng

Dẫn nhiệt là quá trình truyền năng lượng qua vật liệu không có chuyển động khối. Trong chất khí, năng lượng liên quan đến chuyển động quay và rung của phân tử. Nhiệt độ cao hơn tương ứng năng lượng phân tử lớn hơn. Khi phân tử va chạm, năng lượng truyền từ vùng năng lượng cao đến thấp. Ngay cả không va chạm, sự chuyển động ngẫu nhiên tạo ra dòng năng lượng ròng. Xét mặt phẳng giả tưởng tại vị trí x0, phân tử từ trên xuống mang năng lượng cao hơn. Điều này dẫn đến truyền nhiệt theo hướng giảm nhiệt độ. Hiện tượng tương tự xảy ra trong chất lỏng và chất rắn.

2.2. Thách thức trong mô hình hóa truyền khối lượng

Truyền khối lượng đối mặt với nhiều thách thức trong mô hình hóa. Sự khuếch tán khối lượng phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và điều kiện biên. Trong pin nhiên liệu, kiểm soát nước lỏng là vấn đề then chốt. Nước lỏng có thể chặn oxy đến cực âm gây hỏng pin. Sách giải thích phương trình cân bằng khối lượng cho các loài hóa học. Các yếu tố như hệ số khuếch tán và dòng đối lưu được xem xét. Bài toán phức tạp yêu cầu giải pháp số và mô phỏng. Hiểu rõ các thách thức giúp thiết kế hệ thống hiệu quả hơn.

III. Giải pháp và phương pháp giảng dạy trong Incropera 7th txtbk

Incropera 7th edition cung cấp giải pháp tiếp cận hệ thống cho truyền nhiệt và khối lượng. Sách sử dụng phương trình vi phân cân bằng năng lượng và khối lượng. Biểu đồ và đồ thị giúp trực quan hóa các mối quan hệ phức tạp. Phương pháp giảng dạy kết hợp lý thuyết và ứng dụng thực tế. Ví dụ về pin nhiên liệu minh họa kiểm soát nhiệt độ và nước. Sách đề xuất các mô hình hóa đơn giản trước khi nâng cao. Bài tập từ cơ bản đến nâng cao rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề. Người học được hướng dẫn áp dụng kiến thức vào thiết kế công nghiệp. Tài liệu hỗ trợ tự học qua giải thích chi tiết và ví dụ đầy đủ. Phương pháp này xây dựng nền tảng vững chắc cho kỹ sư tương lai.

3.1. Sử dụng phương trình cân bằng và biểu đồ

Phương trình cân bằng năng lượng dạng tổng quát là công cụ trung tâm. Nó mô tả sự bảo toàn nhiệt trong hệ thống. Biểu đồ nhiệt độ và dòng nhiệt giúp phân tích trực quan. Sách trình bày các phương trình vi phân riêng cho từng cơ chế. Đối với dẫn nhiệt, định luật Fourier được áp dụng. Đối với đối lưu, hệ số truyền nhiệt được xác định qua tương quan. Biểu đồ Heisler và các đồ thị chuẩn hóa hỗ trợ giải bài toán nhanh. Người học được khuyến khích sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm chứng kết quả.

3.2. Ứng dụng trong thiết kế pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu là ứng dụng thực tế nổi bật trong sách. Phản ứng điện hóa tổng quát là 2H2 + O2 tạo thành 2H2O. Tại cực âm, proton và electron tái hợp thành nước. Màng điện giải phải hoạt động trong trạng thái ẩm để dẫn ion. Kiểm soát nhiệt độ pin là rất quan trọng để duy trì hơi nước bão hòa. Sách phân tích tốc độ sinh nhiệt và yêu cầu tản nhiệt. Công suất điện sinh ra được tính toán dựa trên dòng điện và điện áp. Thiết kế tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của pin. Ứng dụng này chứng minh tầm quan trọng của truyền nhiệt trong công nghệ năng lượng.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của Incropera fundamentals

Incropera fundamentals heat mass transfer 7th edition là tài liệu tham khảo toàn diện. Sách cung cấp kiến thức nền tảng và nâng cao về truyền nhiệt khối lượng. Ứng dụng trải rộng từ công nghiệp đến nghiên cứu khoa học. Trong kỹ thuật cơ khí, kiến thức áp dụng vào thiết kế bộ trao đổi nhiệt. Ngành hóa học sử dụng để tối ưu hóa quy trình phản ứng. Năng lượng tái tạo như pin mặt trời và pin nhiên liệu dựa trên nguyên lý này. Sách nhấn mạnh tầm quan trọng của mô hình hóa và mô phỏng. Kỹ sư có thể áp dụng để giải quyết vấn đề thực tế hiệu quả. Tài liệu này duy trì giá trị qua nhiều thế hệ sinh viên. Đầu tư thời gian nghiên cứu sách mang lại lợi ích lâu dài cho sự nghiệp kỹ thuật.

4.1. Vai trò trong đào tạo kỹ sư

Sách đóng vai trò cốt lõi trong chương trình đào tạo kỹ thuật nhiệt. Nó xây dựng tư duy phân tích và giải quyết vấn đề cho sinh viên. Các khái niệm từ cơ bản đến phức tạp được trình bày logic. Bài tập thực hành giúp củng cố kiến thức lý thuyết. Giáo viên sử dụng sách làm tài liệu giảng dạy chính. Sinh viên được chuẩn bị tốt cho các khóa học nâng cao hơn. Năng lực mô hình hóa và tính toán được rèn luyện qua sách. Điều này đáp ứng yêu cầu của thị trường lao động kỹ thuật hiện đại.

4.2. Ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu

Trong công nghiệp, kiến thức áp dụng vào thiết kế hệ thống làm mát điện tử. Ngành sản xuất ô tô sử dụng để tối ưu hóa động cơ nhiệt. Nghiên cứu về vật liệu mới dựa trên đặc tính truyền nhiệt. Y sinh học áp dụng để hiểu quá trình trao đổi nhiệt trong cơ thể. Công nghệ môi trường sử dụng để kiểm soát ô nhiễm nhiệt. Các phòng thí nghiệm nghiên cứu năng lượng tiên tiến tham khảo sách thường xuyên. Ứng dụng mở rộng sang hàng không vũ trụ và quốc phòng. Sách cung cấp nền tảng cho đổi mới công nghệ trong nhiều lĩnh vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net http://www.net LIBROS UNIVERISTARIOS Y SOLUCIONARIOS DE MUCHOS DE ESTOS LIBROS LOS SOLUCIONARIOS CONTIENEN TODOS LOS EJERCICIOS DEL LIBRO RESUELTOS Y EXPLICADOS DE FORMA CLARA VISITANOS PARA DESARGALOS GRATIS.net This page intentionally left blank www.qxd 2/21/11 6:11 PM Page i SEVENTH EDITION Fundamentals of Heat and Mass Transfer THEODORE L. BERGMAN Department of Mechanical Engineering University of Connecticut ADRIENNE S. LAVINE Mechanical and Aerospace Engineering Department University of California, Los Angeles FRANK P. INCROPERA College of Engineering University of Notre Dame DAVID P. DEWITT School of Mechanical Engineering Purdue University JOHN WILEY & SONS www.qxd 2/21/11 6:11 PM Page ii VICE PRESIDENT & PUBLISHER Don Fowley EXECUTIVE EDITOR Linda Ratts EDITORIAL ASSISTANT Renata Marchione MARKETING MANAGER Christopher Ruel PRODUCTION MANAGER Dorothy Sinclair PRODUCTION EDITOR Sandra Dumas DESIGNER Wendy Lai EXECUTIVE MEDIA EDITOR Thomas Kulesa PRODUCTION MANAGEMENT SERVICES MPS Ltd. This book was typeset in 10.5/12 Times Roman by MPS Limited, a Macmillan Company and printed and bound by R. The cover was printed by R. Founded in 1807, John Wiley & Sons, Inc. has been a valued source of knowledge and understanding for more than 200 years, helping people around the world meet their needs and fulfill their aspirations. Our company is built on a foundation of principles that include responsibility to the communities we serve and where we live and work. In 2008, we launched a Corporate Citizenship Initiative, a global effort to address the environmental, social, economic, and ethical challenges we face in our business. Among the issues we are addressing are carbon impact, paper specifications and procurement, ethical conduct within our business and among our vendors, and community and charitable support. For more information, please visit our website: www.com/go/citizenship. The paper in this book was manufactured by a mill whose forest management programs include sustained yield harvesting of its timberlands. Sustained yield-harvesting principles ensure that the number of trees cut each year does not exceed the amount of new growth. This book is printed on acid-free paper. Copyright © 2011, 2007, 2002 by 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, 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, [phone], fax [phone]. 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]. Evaluation copies are provided to qualified academics and professionals for review purposes only, for use in their courses during the next academic year. These copies are licensed and may not be sold or transferred to a third party. Upon completion of the review period, please return the evaluation copy to Wiley. Return instructions and a free of charge return shipping label are available at www.com/go/returnlabel. If you have chosen to adopt this textbook for use in your course, please accept this book as your complimentary desk copy. Outside of the United States, please contact your local representative. ISBN 13 978-0470-50197-9 Printed in the United States of America 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 www.qxd 2/21/11 6:11 PM Page iii Preface In the Preface to the previous edition, we posed questions regarding trends in engineering education and practice, and whether the discipline of heat transfer would remain relevant. After weighing various arguments, we concluded that the future of engineering was bright and that heat transfer would remain a vital and enabling discipline across a range of emerg- ing technologies including but not limited to information technology, biotechnology, phar- macology, and alternative energy generation. Since we drew these conclusions, many changes have occurred in both engineering education and engineering practice. Driving factors have been a contracting global econ- omy, coupled with technological and environmental challenges associated with energy pro- duction and energy conversion. The impact of a weak global economy on higher education has been sobering. Colleges and universities around the world are being forced to set prior- ities and answer tough questions as to which educational programs are crucial, and which are not. Was our previous assessment of the future of engineering, including the relevance of heat transfer, too optimistic? Faced with economic realities, many colleges and universities have set clear priorities. In recognition of its value and relevance to society, investment in engineering education has, in many cases, increased. Pedagogically, there is renewed emphasis on the fundamen- tal principles that are the foundation for lifelong learning. The important and sometimes dominant role of heat transfer in many applications, particularly in conventional as well as in alternative energy generation and concomitant environmental effects, has reaffirmed its relevance. We believe our previous conclusions were correct: The future of engineering is bright, and heat transfer is a topic that is crucial to address a broad array of technological and environmental challenges. In preparing this edition, we have sought to incorporate recent heat transfer research at a level that is appropriate for an undergraduate student. We have strived to include new examples and problems that motivate students with interesting applications, but whose solutions are based firmly on fundamental principles. We have remained true to the peda- gogical approach of previous editions by retaining a rigorous and systematic methodology for problem solving. We have attempted to continue the tradition of providing a text that will serve as a valuable, everyday resource for students and practicing engineers through- out their careers.qxd 2/21/11 6:11 PM Page iv iv Preface Approach and Organization Previous editions of the text have adhered to four learning objectives: 1. The student should internalize the meaning of the terminology and physical principles associated with heat transfer. The student should be able to delineate pertinent transport phenomena for any process or system involving heat transfer. The student should be able to use requisite inputs for computing heat transfer rates and/or material temperatures. The student should be able to develop representative models of real processes and systems and draw conclusions concerning process/system design or performance from the atten- dant analysis. Moreover, as in previous editions, specific learning objectives for each chapter are clarified, as are means by which achievement of the objectives may be assessed. The sum- mary of each chapter highlights key terminology and concepts developed in the chapter and poses questions designed to test and enhance student comprehension. It is recommended that problems involving complex models and/or exploratory, what- if, and parameter sensitivity considerations be addressed using a computational equation- solving package. To this end, the Interactive Heat Transfer (IHT) package available in pre- vious editions has been updated. Specifically, a simplified user interface now delineates between the basic and advanced features of the software. It has been our experience that most students and instructors will use primarily the basic features of IHT. By clearly identi- fying which features are advanced, we believe students will be motivated to use IHT on a daily basis. A second software package, Finite Element Heat Transfer (FEHT), developed by F-Chart Software (Madison, Wisconsin), provides enhanced capabilities for solving two-dimensional conduction heat transfer problems. To encourage use of IHT, a Quickstart User’s Guide has been installed in the soft- ware. Students and instructors can become familiar with the basic features of IHT in approximately one hour. It has been our experience that once students have read the Quickstart guide, they will use IHT heavily, even in courses other than heat transfer. Students report that IHT significantly reduces the time spent on the mechanics of lengthy problem solutions, reduces errors, and allows more attention to be paid to substantive aspects of the solution. Graphical output can be generated for homework solutions, reports, and papers. As in previous editions, some homework problems require a computer-based solution. Other problems include both a hand calculation and an extension that is computer based. The latter approach is time-tested and promotes the habit of checking a computer-generated solution with a hand calculation. Once validated in this manner, the computer solution can be utilized to conduct parametric calculations. Problems involving both hand- and com- puter-generated solutions are identified by enclosing the exploratory part in a red rectangle, as, for example, (b) , (c) , or (d) . This feature also allows instructors who wish to limit their assignments of computer-based problems to benefit from the richness of these prob- lems without assigning their computer-based parts. Solutions to problems for which the number is highlighted (for example, 1.26 ) are entirely computer based.qxd 2/21/11 6:11 PM Page v Preface v What’s New in the 7th Edition Chapter-by-Chapter Content Changes In the previous edition, Chapter 1 Introduction was modified to emphasize the relevance of heat transfer in various contemporary applica- tions. Responding to today’s challenges involving energy production and its environmental impact, an expanded discussion of the efficiency of energy conversion and the production of greenhouse gases has been added. Chapter 1 has also been modified to embellish the com- plementary nature of heat transfer and thermodynamics. The existing treatment of the first law of thermodynamics is augmented with a new section on the relationship between heat transfer and the second law of thermodynamics as well as the efficiency of heat engines. Indeed, the influence of heat transfer on the efficiency of energy conversion is a recurring theme throughout this edition. The coverage of micro- and nanoscale effects in Chapter 2 Introduction to Conduction has been updated, reflecting recent advances. For example, the description of the thermophysical properties of composite materials is enhanced, with a new discussion of nanofluids. Chapter 3 One-Dimensional, Steady-State Conduction has undergone extensive revision and includes new material on conduction in porous media, thermoelectric power generation, and micro- as well as nanoscale systems. Inclusion of these new topics follows recent fundamental discover- ies and is presented through the use of the thermal resistance network concept. Hence the power and utility of the resistance network approach is further emphasized in this edition. Chapter 4 Two-Dimensional, Steady-State Conduction has been reduced in length. Today, systems of linear, algebraic equations are readily solved using standard computer software or even handheld calculators. Hence the focus of the shortened chapter is on the application of heat transfer principles to derive the systems of algebraic equations to be solved and on the discussion and interpretation of results. The discussion of Gauss–Seidel iteration has been moved to an appendix for instructors wishing to cover that material. Chapter 5 Transient Conduction was substantially modified in the previous edition and has been augmented in this edition with a streamlined presentation of the lumped- capacitance method. Chapter 6 Introduction to Convection includes clarification of how temperature-dependent properties should be evaluated when calculating the convection heat transfer coefficient. The fundamental aspects of compressible flow are introduced to provide the reader with guidelines regarding the limits of applicability of the treatment of convection in the text. Chapter 7 External Flow has been updated and reduced in length. Specifically, presen- tation of the similarity solution for flow over a flat plate has been simplified. New results for flow over noncircular cylinders have been added, replacing the correlations of previous editions. The discussion of flow across banks of tubes has been shortened, eliminating redundancy without sacrificing content. Chapter 8 Internal Flow entry length correlations have been updated, and the discus- sion of micro- and nanoscale convection has been modified and linked to the content of Chapter 3. Changes to Chapter 9 Free Convection include a new correlation for free convection from flat plates, replacing a correlation from previous editions. The discussion of boundary layer effects has been modified. Aspects of condensation included in Chapter 10 Boiling and Condensation have been updated to incorporate recent advances in, for example, external condensation on finned tubes.