کتاب مفاهیم اساسی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم (جلد دوم)

کتاب مفاهیم اساسی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم (جلد دوم) نوشته‌ی جیمز ولتی، گرگوری رورر و دیوید فوستر با ترجمه‌ی احسان صالحی و مهدی عسکری ادامه‌ی متنی است که به‌صورت یکپارچه سه حوزه‌ی انتقال اندازه حرکت، انتقال حرارت و انتقال جرم را در قالب یک چارچوب مفهومی مشترک بررسی کرده است. نشر آوند دانش آن را منتشر کرده است و در ابتدای کتاب، ناشر توضیح داده است که این اثر به‌عنوان نسخه‌ی دانشجویی یکی از ویرایش‌های جدید کتاب ولتی انتخاب شده تا هم‌زمان با نسخه‌ی انگلیسی در اختیار جامعه‌ی دانشگاهی فارسی‌زبان قرار بگیرد. در مقدمه‌ی مترجمان تأکید شده است که کنار هم‌قرارگرفتن سه پدیده‌ی انتقال، امکان مقایسه‌ی وجوه مشترک و تفاوت‌های آن‌ها را فراهم کرده و درک ساختاری‌تری از «پدیده‌های انتقال» به‌عنوان هسته‌ی علوم پایه‌ی مهندسی به خواننده می‌دهد. این جلد به‌طور خاص روی مبانی و معادلات انتقال حرارت و انتقال جرم، شکل‌های مختلف هدایت، جابه‌جایی و تشعشع، و نیز معادلات دیفرانسیلی حاکم بر این فرایندها تمرکز دارد و مثال‌ها، مسائل انتهایی و سؤالات مفهومی کوتاه در پایان هر بخش، آن را به متنی آموزشی برای دانشجویان مهندسی شیمی، مکانیک، محیط‌زیست و رشته‌های نزدیک تبدیل کرده است. نسخه‌ی الکترونیکی این اثر را می‌توانید از طاقچه خرید و دانلود کنید.

درباره کتاب مفاهیم اساسی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم (جلد دوم)

کتاب مفاهیم اساسی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم (جلد دوم) با تکیه‌بر متن اصلی جیمز ولتی، گرگوری رورر و دیوید فوستر، ادامه‌ی مسیری است که در ویرایش‌های مختلف این اثر برای آموزش منسجم پدیده‌های انتقال در مهندسی ترسیم شده است. در مقدمه‌ی ویرایش ششم توضیح داده شده است که از نخستین چاپ کتاب، کاربرد مفاهیم پایه‌ای مهندسی در فناوری‌های نو مانند چاپگرهای پاششی، راکتورهای شیمیایی کوچک‌مقیاس و فرایندهای زیستی گسترش یافته اما ساختار مفهومی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم همچنان ثابت مانده است. نویسندگان تأکید کرده‌اند که این متن برای دانشجویان سال‌های میانی و پایانی رشته‌های مهندسی نوشته شده که پیش‌نیازهایی مانند حساب دیفرانسیل و انتگرال، موازنه‌ی جرم و انرژی و آشنایی مقدماتی با معادلات دیفرانسیل را گذرانده‌اند و بتوانند بخشی از مسائل را با نرم‌افزارهای محاسبات عددی حل کنند. در مقدمه‌ی مترجم فارسی نیز، پدیده‌های انتقال به‌عنوان مجموعه‌ای از مفاهیم پایه‌ای معرفی شده که درک هم‌زمان آن‌ها، تصویر یکپارچه‌تری از رفتار سیالات، گرما و جرم در دستگاه‌های مهندسی به‌دست می‌دهد. کتاب مفاهیم اساسی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم (جلد دوم) در این بخش از متن، روی انتقال حرارت و انتقال جرم تمرکز کرده است. فصل ۱۴ با عنوان مبانی انتقال حرارت سه مکانیزم اصلی هدایت، جابه‌جایی و تشعشع را معرفی می‌کند، قانون فوریه، قانون سرمایش نیوتن و قانون استفان–بولتزمن را به‌عنوان معادلات شدت مطرح می‌کند و سپس به ترکیب این مکانیزم‌ها در دیوارهای مرکب و سیستم‌های واقعی می‌پردازد. فصل ۱۵ به معادلات دیفرانسیلی انتقال حرارت اختصاص دارد و از قانون اول ترمودینامیک برای یک حجم کنترل دیفرانسیلی شروع می‌کند تا معادله‌ی انرژی را در حالت کلی و سپس شکل‌های ویژه‌ی آن را برای سیال تراکم‌ناپذیر، جریان هم‌فشار و حالت‌های صرفاً هدایتی استخراج کند. در ادامه، معادله‌ی میدان فوریه، معادله‌ی پواسن و معادله‌ی لاپلاس در دستگاه‌های مختصات کارتزین، استوانه‌ای و کروی نوشته شده و شرایط مرزی و اولیه‌ی رایج با مثال‌های فیزیکی توضیح داده شده است. فصل ۱۶ به هدایت پایا می‌پردازد و حالت‌های یک‌بعدی در دیوار مسطح، استوانه‌ی توخالی و کره‌ی توخالی، مفهوم مقاومت حرارتی، دیوارهای مرکب سری–موازی، شعاع بحرانی عایق و اثر هدایت حرارتی متغیر با دما را به‌تفصیل بررسی کرده است. در پایان هر فصل، سؤالات مفهومی شماره‌گذاری‌شده و مجموعه‌ای از مسائل محاسباتی، خواننده را به استفاده‌ی فعال از معادلات وادار می‌کند.

خلاصه کتاب مفاهیم اساسی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم (جلد دوم)

در بخش‌های ارائه‌شده از کتاب مفاهیم اساسی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم (جلد دوم) ابتدا فصل مبانی انتقال حرارت، تصویر کلی از سه سازوکار اصلی انتقال انرژی ارائه کرده است. هدایت به‌عنوان پدیده‌ای مولکولی توضیح داده شده که در آن انرژی از نواحی با دمای بالاتر به نواحی با دمای پایین‌تر از طریق برهم‌کنش مولکولی و در جامدات فلزی از طریق الکترون‌های آزاد منتقل می‌شود. قانون فوریه به‌صورت برداری و یک‌بعدی معرفی شده و هدایت حرارتی به‌عنوان ضریبی که نقش آن در هدایت مشابه نقش لزجت در انتقال مومنتوم است، تفسیر شده است. سپس با استفاده از تئوری جنبشی گازها، وابستگی هدایت حرارتی گاز به دما، جرم مولکولی و قطر مولکولی بررسی شده و رابطه‌ی ویدمن–فرانز–لورنز پیوند میان هدایت حرارتی و هدایت الکتریکی در جامدات را نشان داده است. در ادامه‌ی همین فصل، جابه‌جایی به‌عنوان تبادل انرژی بین سطح جامد و سیال مجاور معرفی شده و تفاوت جابه‌جایی اجباری و طبیعی، نقش لایه‌ی مرزی آرام نزدیک سطح و مفهوم «ضریب فیلم انتقال حرارت» توضیح داده شده است. قانون سرمایش نیوتن، تعریف ضرایب موضعی و متوسط انتقال حرارت و بازه‌های تقریبی این ضرایب برای حالت‌های مختلف (هوای ساکن، جریان آب، جوشش و میعان) ارائه شده است. سپس تشعشع حرارتی با قانون استفان–بولتزمن برای جسم سیاه معرفی شده و تأکید شده که انتقال تابشی برای انتشار به محیط مادی نیاز ندارد و در خلأ بیشینه است. در بخش مکانیزم‌های ترکیبی، کتاب نشان داده است که در سیستم‌های واقعی معمولاً هدایت، جابه‌جایی و تشعشع هم‌زمان حضور دارند و با استفاده از مفهوم مقاومت حرارتی و تشبیه به مدارهای الکتریکی، نرخ انتقال حرارت در دیوارهای مرکب، لوله‌های عایق‌دار و سیستم‌های چندلایه محاسبه شده است. در این‌جا ضریب انتقال حرارت کلی و ضریب شکل نیز معرفی شده‌اند. فصل معادلات دیفرانسیلی انتقال حرارت، از قانون اول ترمودینامیک برای یک حجم کنترل دیفرانسیلی شروع کرده و با محاسبه‌ی جداگانه‌ی نرخ خالص گرمای ورودی، کار محوری، کار لزجتی، شار انرژی از سطح و تغییرات انرژی درون حجم، معادله‌ی انرژی را در حالت کلی به‌دست آورده است. سپس با استفاده از معادله‌ی پیوستگی و فرض تراکم‌ناپذیری، شکل ساده‌تر معادله‌ی انرژی نوشته شده و تابع اتلاف لزجتی معرفی شده است؛ تابعی که همیشه مثبت است و افزایش انرژی داخلی ناشی از اتلاف لزجتی را نشان می‌دهد. بعد، شکل‌های ویژه‌ی معادله‌ی انرژی برای سیال تراکم‌ناپذیر بدون منبع، جریان هم‌فشار، و حالت بدون حرکت سیال استخراج شده و برای حالت صرفاً هدایتی، معادله‌ی میدان فوریه، معادله‌ی پواسن و معادله‌ی لاپلاس معرفی شده‌اند. این معادلات در مختصات کارتزین، استوانه‌ای و کروی بازنویسی شده و نقش شرایط اولیه و مرزی (سطح هم‌دما، سطح عایق، ترکیب هدایت و جابه‌جایی در مرز) با مثال‌هایی مانند مخزن کروی حاوی پسماند رادیواکتیو توضیح داده شده است. در فصل هدایت پایا، کتاب از معادله‌ی لاپلاس شروع کرده و حالت‌های یک‌بعدی را برای دیوار مسطح، استوانه‌ی بلند توخالی و کره‌ی توخالی بررسی کرده است. برای دیوار مسطح، توزیع دما خطی و شار حرارتی ثابت به‌دست آمده و مفهوم مقاومت حرارتی دیوار معرفی شده است. سپس دیوارهای مرکب چندلایه و ترکیب مسیرهای سری و موازی هدایت بررسی شده و نشان داده شده که چگونه می‌توان با استفاده از مقاومت‌های معادل، نرخ انتقال حرارت و دمای سطوح مشترک را محاسبه کرد. برای استوانه‌ی توخالی، توزیع دما تابعی لگاریتمی از شعاع و مقاومت حرارتی تابعی از لگاریتم نسبت شعاع‌ها است. مفهوم شعاع بحرانی عایق برای لوله‌ها مطرح شده و نشان داده شده که در بازه‌ای از شعاع، افزودن عایق می‌تواند ابتدا اتلاف حرارت را افزایش دهد و سپس کاهش دهد. برای کره‌ی توخالی، توزیع دما و شار شعاعی به‌صورت تحلیلی به‌دست آمده و در پایان، حالت هدایت حرارتی متغیر با دما با یک مدل خطی برای وابستگی / به دما معرفی شده است.

چرا باید کتاب مفاهیم اساسی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم (جلد دوم) را بخوانیم؟

خواندن مفاهیم اساسی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم (جلد دوم) به‌ویژه برای کسانی که در میانه‌ی مسیر آموزش مهندسی هستند، امکان می‌دهد سه حوزه‌ی مهم انتقال را در یک چارچوب مشترک ببینند و بین معادلات، ضرایب و مفاهیم در سیالات، حرارت و جرم ارتباط برقرار کنند. در فصل‌های ارائه‌شده، کتاب از سطح تعریف‌های کیفی (مثل توضیح شهودی هدایت، جابه‌جایی و تشعشع) تا سطح معادلات دیفرانسیلی کلی و شکل‌های ویژه‌ی آن‌ها پیش می‌رود و نشان می‌دهد چگونه می‌توان از قانون اول ترمودینامیک به معادله‌ی انرژی رسید و سپس آن را برای هندسه‌ها و شرایط مختلف ساده کرد. این ساختار، درک مرحله‌به‌مرحله‌ی معادلاتی مانند میدان فوریه، پواسن و لاپلاس را آسان‌تر می‌کند. ویژگی دیگر این کتاب، پیوند مداوم بین تفسیر فیزیکی و بیان ریاضی است. برای نمونه، تابع اتلاف لزجتی فقط به‌صورت یک عبارت ریاضی معرفی نشده بلکه نقش آن در افزایش انرژی داخلی و اهمیتش در لایه‌های مرزی فراصوت توضیح داده شده است. در بحث هدایت پایا، مفهوم مقاومت حرارتی و تشبیه به مدار الکتریکی کمک می‌کند تا تحلیل دیوارهای مرکب، لوله‌های عایق‌دار و سیستم‌های چندلایه به‌صورت منظم انجام شود و ایده‌هایی مانند شعاع بحرانی عایق، از دل همین تشبیه روشن می‌شود. سؤالات مفهومی شماره‌گذاری‌شده در متن، خواننده را وادار می‌کند بعد از هر بخش، نکات کلیدی را بازبینی کند و مسائل انتهایی فصل‌ها، امکان تمرین محاسباتی و مدل‌سازی را فراهم کرده است. برای دانشجویانی که می‌خواهند از حفظ‌کردن فرمول‌ها فاصله بگیرند و به درک ساختاری‌تری از پدیده‌های انتقال برسند، این جلد بستر مناسبی فراهم کرده است.

خواندن این کتاب را به چه کسانی پیشنهاد می‌کنیم؟

مطالعه‌ی مفاهیم اساسی انتقال اندازه حرکت، حرارت و جرم (جلد دوم) به دانشجویان مهندسی شیمی، مهندسی مکانیک، مهندسی محیط‌زیست، بیوشیمی و دیگر گرایش‌هایی که در برنامه‌ی درسی خود درس پدیده‌های انتقال، انتقال حرارت یا انتقال جرم دارند پیشنهاد می‌شود. همچنین به مدرسانی که به‌دنبال متنی برای تدریس همراه با مثال‌های عددی، مسائل انتهایی و سؤالات مفهومی هستند و پژوهشگرانی که نیاز دارند معادلات انرژی و هدایت را در هندسه‌های مختلف مرور کنند توصیه می‌شود.