Entropy Generation Minimization

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出版者:CRC
作者:Adrian Bejan
出品人:
页数:392
译者:
出版时间:1995-10-20
价格:USD 185.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9780849396519
丛书系列:
图书标签:
  • 能量熵最底
  • 热力学
  • 不可逆过程
  • 优化
  • 能源效率
  • 系统设计
  • 工程应用
  • 传热
  • 流体力学
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具体描述

This book presents the diverse and rapidly expanding field of Entropy Generation Minimization (EGM), the method of thermodynamic optimization of real devices. The underlying principles of the EGM method - also referred to as 'thermodynamic optimization,' 'thermodynamic design,' and 'finite time thermodynamics' - are thoroughly discussed, and the method's applications to real devices are clearly illustrated. The EGM field has experienced tremendous growth during the 1980s and 1990s. This book places EGM's growth in perspective by reviewing both sides of the field - engineering and physics. Special emphasis is given to chronology and to the relationship between the more recent work and the pioneering work that outlined the method and the field."Entropy Generation Minimization" combines the fundamental principles of thermodynamics, heat transfer, and fluid mechanics. EGM applies these principles to the modeling and optimization of real systems and processes that are characterized by finite size and finite time constraints, and are limited by heat and mass transfer and fluid flow irreversibilities. "Entropy Generation Minimization" provides a straightforward presentation of the principles of the EGM method, and features examples that elucidate concepts and identify recent EGM advances in engineering and physics.Modern advances include the optimization of storage by melting and solidification; heat exchanger design; power from hot-dry-rock deposits; the on & off operation of defrosting refrigerators and power plants with fouled heat exchangers; the production of ice and other solids; the maximization of power output in simple power plant models with heat transfer irreversibilities; the minimization of refrigerator power input in simple models; and the optimal collection and use of solar energy.

《流动结构与热力学过程优化》 内容概要 本书聚焦于如何通过精细调控物质的流动状态与宏观热力学过程,实现能量的更高效利用和系统性能的最大化。我们深入探讨了流体力学、传热学与化学反应动力学之间的复杂耦合关系,旨在为工程师和研究人员提供一套系统的、基于第一性原理的优化方法论。 本书的结构围绕“理解流动-预测输运-设计结构-优化过程”的逻辑展开。我们首先从微观尺度出发,阐述分子运动与流场结构的关系,特别是湍流、层流以及多相流中的能量耗散机制。随后,我们将重点转移到宏观热力学框架下,分析能量转换过程中的不可逆性来源,并引入先进的耗散函数理论来量化这些损失。 第一部分:流体力学基础与输运现象的量化 本部分旨在巩固读者对复杂流动的理解,并建立其与能量传递之间的桥梁。 第一章:现代流体力学视角下的能量耗散 本章回顾了纳维-斯托克斯方程的物理意义,并重点分析了剪切层、边界层分离以及回流区域中机械能向热能的不可逆转化。我们将详细讨论雷诺应力模型(RSM)如何捕捉湍流脉动引起的动量和能量耗散。此外,我们引入了耗散率 $varepsilon$ 的精确计算方法,该参数是衡量机械能损失的关键指标。通过对不同几何构型(如管道、换热器管束、叶轮机械)内速度剖面的分析,读者将能够识别出主要的能量瓶颈。 第二章:多物理场耦合下的传热机制 能量的有效利用依赖于高效的传热。本章超越了简单的对流和导热理论,探讨了在强温度梯度、非均匀介质或存在化学反应时的复杂传热问题。我们引入了非平衡态热力学概念,研究了热流密度与温度梯度之间的非线性关系,特别是在微通道和多孔介质流动中的表现。针对辐射换热,本章也详细分析了体辐射(Volumetric Radiation)对总传热效率的影响,并提供了在高温和低压环境下准确模拟辐射-对流耦合的数值方法。 第二章重点案例:界面传热的阻力分析 详细分析了固-液、液-气界面处由于微观结构或相变引起的“界面热阻”现象。我们将探讨润湿性、表面粗糙度对热边界层演化的影响,并提出如何通过表面工程学手段(如引入纳米结构或超疏水表面)来降低界面热阻,从而提升整体热交换效率。 第二章延伸:电磁流体力学(MHD)中的能量转换 对于涉及导电流体(如等离子体、熔融金属)的系统,本章讨论了洛伦兹力对流场结构和传热的影响。通过分析磁场如何抑制湍流、重塑速度剖面,进而影响对流换热系数,为设计磁流体发电机和磁流体泵提供了理论基础。 第二部分:热力学过程的不可逆性分析与系统建模 本部分将理论基础提升到系统层面,关注如何通过热力学工具量化和最小化过程中的不可逆损失。 第三章:基于熵产的系统性能评估 本章的核心在于阐述不可逆性的热力学根源——熵的产生。我们详细介绍了熵产率方程在描述热力学过程中的核心地位。对于一个开放系统,总熵产率是内部耗散(如摩擦、混合)和边界交换(如温差驱动的传热)的叠加。本书侧重于如何将熵产率与设计变量(如几何尺寸、运行参数)关联起来。我们引入了“等效熵产最小化”的概念,将其作为指导系统优化的核心准则。 第三章案例研究:往复压缩机的热力学优化 通过一个实际的往复式压缩机模型,展示如何通过分析气缸壁与工质之间的换热过程、阀门开启/关闭导致的冲击损失,计算出主要的熵源,并据此提出改进冷却策略和阀门设计以降低整体功耗。 第四章:优化方法论:从局部到全局 本章系统介绍了应用于复杂工程系统优化的先进数值方法。重点讨论了如何将流体力学模拟(CFD)与热力学优化算法相结合。 1. 灵敏度分析与梯度信息: 如何高效计算设计变量对目标函数(如总熵产、系统效率)的敏感度,特别是针对高维设计空间。 2. 直接法与伴随法: 深入讲解伴随方法在计算流体动力学优化中的应用,该方法在处理大型系统时,相比于直接法具有显著的计算优势,能快速获得大规模设计变量的梯度信息。 3. 多目标优化策略: 现实工程问题往往涉及多个相互冲突的目标(如最大化换热量同时最小化压降)。本章将介绍帕累托前沿的识别技术,帮助决策者在效率和成本之间找到最佳平衡点。 第三部分:面向具体应用的结构设计与过程控制 本部分将前述理论和方法应用于特定的工程领域,展示如何通过结构设计实现性能的突破。 第五章:高效换热器拓扑的流场调控 本章聚焦于如何通过巧妙的几何设计来“引导”流体,使其在最大化对流换热的同时,最小化摩擦损失。我们考察了以下设计策略: 仿生结构: 借鉴自然界中高效率输运系统的特点,如鱼鳞或植物脉络的几何排布对边界层的影响。 主动与被动流控: 讨论了如何利用微小结构(如肋片、凹槽、射流)进行被动流场重塑,以及通过外部激励(如振动、脉冲驱动)进行主动控制,以延迟湍流转捩或增强混合。 第五章案例:微通道换热器的压力损失与热效率的权衡 详细分析了在微纳尺度下,流体阻力(由长径比和表面粗糙度决定)对泵送功耗的影响,并提出一种新型的非对称壁面结构设计,实现在极小体积内保持高换热系数的同时,将总熵产控制在可接受的水平。 第六章:反应工程与燃烧过程的热力学控制 本章探讨了化学反应过程中的能量管理。重点分析了反应器内因温度不均匀性、停留时间分布不均和扩散限制所导致的反应熵增。我们提出了基于“反应分区”和“局部冷却/加热”的热力学控制策略,旨在使反应过程更接近于等温或准平衡状态,从而最大化目标产物的收率并减少副产物的生成。 第七章:系统集成与全寿命周期优化 最后,本书将视角扩展到整个工程系统。我们讨论了如何将系统中的各个组件(泵、换热器、反应器、压缩机)作为一个整体进行耦合优化。这需要超越瞬态分析,考虑系统的启动、运行和停机等全寿命周期内的能量平衡和熵增累积。我们将介绍基于模型预测控制(MPC)的框架,以确保系统在面对外部负荷扰动时,仍能快速恢复到最优的低耗散运行点。 总结 《流动结构与热力学过程优化》致力于提供一套统一的理论框架,用以解决当代工程系统面临的效率瓶颈问题。它强调了从微观的流动结构到宏观的热力学过程,所有能量损失的根源均可被识别和量化。本书的最终目标是指导读者设计出本质上更高效、更具可持续性的工程解决方案。

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《熵产生最小化》这个书名,在我看来,不仅仅是一个科学术语的组合,更是一种对世界运行方式的深刻洞察和一种追求极致效率的哲学理念。我脑海中勾勒出这本书的模样:它像一部精密的显微镜,能够将那些隐藏在宏大叙事中的微观能量流动和不可逆过程一一放大,供我们仔细审视。我好奇作者将如何处理“熵”这个概念的复杂性,它是否会从基础的热力学定律出发,逐步深入到统计物理学的多角度解读,再延展到更广泛的应用领域?我期待书中能够包含大量的案例分析,从经典的物理实验到现代的工程技术,展示在不同的场景下,如何通过对熵产生机制的理解来优化设计、提高性能。这本书是否会颠覆我们对“效率”的传统理解,让我们认识到,追求最小的熵产生,不仅是技术上的进步,更是一种对资源负责、对未来负责的态度?我期待这本书能够是一场关于理解世界本质的智力冒险。

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在芸芸的书海中,《熵产生最小化》这个名字显得尤为独特,它传递出一种超越常规的书籍主题,指向一个更为本质的物理学概念。我设想这本书的作者,必定是一位对热力学和统计物理学有着深刻洞察的智者,他/她将带领读者一同潜入“熵”的深邃海洋,探索其生成机制以及如何实现其最小化。我期待书中能够包含详实的理论阐述,通过严谨的数学推导和物理逻辑,清晰地展现熵的生成与不可逆性。同时,我也渴望这本书能够结合丰富的工程实例,将抽象的理论转化为可触摸的实践,例如在热力发动机、制冷系统,乃至更广泛的社会经济系统中,如何应用熵产生最小化的原则来提升效率,减少损耗。这本书是否会挑战我们对“效率”的固有认知,引领我们走向一个更为精细化、更少浪费的未来?它是否会触及到复杂系统的自组织和演化,以及在这些过程中熵扮演的角色?我期待这本书能够成为一本启迪智慧、拓宽视野的学术巨著。

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在我的书架上,总有一些书名会以一种独特的方式吸引我的目光,《熵产生最小化》无疑是其中之一。它不像那些标题党式的畅销书,而是直接指向一个深刻的科学主题,这让我对作者的严谨态度和内容的深度充满了期待。我设想这本书会是一次关于“效率”的深度探索,它将不仅仅局限于工程技术层面,更会触及到物理学的基本原理,去阐释“熵”是如何影响着我们所见的万事万物。我期待书中能够包含对经典理论的梳理,比如卡诺循环的局限性,以及如何通过超越这些局限来逼近热力学最优。同时,我也非常想知道,在现代科学的前沿领域,例如纳米技术、量子信息或者人工智能的发展中,熵产生最小化是如何被应用的,它又带来了哪些新的突破?这本书是否会像一位经验丰富的向导,带领我穿越复杂的科学概念,最终抵达对效率的深刻理解,并让我能够将这种理解运用到我自己的学习和工作中?

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这本《熵产生最小化》的书名本身就带着一种深邃而又引人入胜的神秘感,仿佛在邀请读者一同踏上一段探索物理世界最基本原理的旅程。作为一个对热力学和能量转化过程充满好奇的爱好者,我被这个标题深深吸引。我想象着这本书会如何深入浅出地阐释“熵”这一概念,这个在统计力学中至关重要的概念,它不仅代表着系统的无序程度,更在很大程度上决定了能量转化的效率和方向。我期待着书中能够清晰地解释,如何在各种工程应用和自然现象中,通过巧妙的设计和优化的策略,来达到最小化熵产生的目标,从而实现更高效的能量利用和更可持续的发展。这本书会是一次关于如何“驯服”无序,如何更智慧地驾驭能量流动的深入剖析吗?它是否会触及到生命系统中的熵流动,以及我们如何在日益增长的人类活动对环境的影响下,找到平衡之道?我对书中可能包含的案例研究、理论推导以及作者独到的见解充满了期待,希望它能为我打开一扇理解世界运行方式的新视角,让我能够更深刻地认识到,在每一次能量的传递和转化中,都蕴含着对效率不懈追求的哲学。

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我之所以对《熵产生最小化》这本书产生浓厚的兴趣,是因为它触及了我内心深处对“效率”与“优化”的永恒追求。我设想这本书会是一部百科全书式的著作,它不仅仅局限于某一特定领域,而是从物理学的基本原理出发,触及工程学、化学,甚至可能包括生物学和社会科学等多个学科。我期待书中能够提供一种系统性的框架,帮助我理解各种系统(无论是物理的、机械的还是社会性的)是如何通过能量的转化和物质的流动来维持其运转,以及在这一过程中,熵的产生是如何影响其效率和可持续性的。这本书是否会包含大量的前沿研究成果,展示科学家和工程师们在降低能耗、减少污染、提升资源利用率方面所做的努力?我期待这本书能够不仅仅是知识的传授,更是一种思维方式的启迪,它鼓励我们以一种更深刻、更全面的视角去审视我们周围的世界,并积极地寻找改善和优化的途径。

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《熵产生最小化》这个书名,在我看来,蕴含着一种对世界运行机制的精妙洞察,以及对极致效率的不懈追求。它不像一本简单的教科书,而更像是一次对宇宙基本法则的深度解读。我期待这本书能够提供一种全新的视角,让我能够理解为什么在能量转换的过程中,总会有一些“损耗”,而这些损耗与“熵”的产生有着密不可分的联系。我好奇作者将如何阐释“熵”的生成机制,以及在各种工程设计、自然过程甚至生命系统中,如何通过巧妙的策略来达到最小化熵产生的目标。这本书是否会像一部科幻小说一样,描绘一个通过最大化效率来创造一个更美好、更可持续的未来?我期待书中能够包含丰富的案例研究,从宏观的宇宙演化到微观的分子运动,都能够展现熵产生最小化所带来的深远影响。它不仅仅是对科学知识的传播,更是一种对人类智慧和创造力的赞颂。

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我拿到《熵产生最小化》这本书的瞬间,就感受到了一种沉甸甸的知识分量,它并非一本轻松的读物,而是对一个核心科学原则的深度挖掘。我猜想,这本书的书写者必定是一位在该领域有着深厚造诣的学者,他/她能够将如此抽象和复杂的概念,如熵的生成与最小化,用一种既严谨又具备一定可读性的方式呈现出来。我脑海中浮现出书中可能出现的那些精妙的数学模型和物理方程,它们是理解这一原理的基石。我期待这本书能够引领我穿越冗长的理论推导,最终抵达对“为什么”的透彻理解。它是否会探讨在宇宙演化的宏大叙事中,熵增定律扮演的角色,以及在微观尺度上,粒子间的相互作用如何共同作用于整体系统的熵产生?这本书是否会提供一种全新的思考框架,让我们审视那些看似低效的能量转化过程,并从中找到改进和优化的潜在空间?我相信,这本书不仅仅是对一个科学概念的讲解,更是对一种解决问题的方法论的阐释,它鼓励我们用系统性的思维去面对挑战,去追求事物发展的最优解。

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《熵产生最小化》这个书名,乍一听,似乎有些枯燥,像是堆砌着冰冷公式的教科书。但当我仔细品味这个词组时,却发现其中蕴含着一种深刻的哲学意义和对效率的极致追求。我联想到在各种工程设计中,工程师们是如何绞尽脑汁去减少能量的损失,去提高设备的效率,而“熵产生最小化”正是这一追求的终极目标。我好奇这本书是否会从宏观到微观,从宇宙的起源到我们日常生活的方方面面,去探讨熵产生的影响。它会像一本导游手册,带领我们穿梭于各种物理现象之中,揭示隐藏在表象之下的能量流动规律吗?我期待书中能够包含丰富的实例,或许是关于高效发动机的设计,或许是关于可持续能源的开发,又或许是关于信息传输的优化,来具体展示熵产生最小化在实践中的应用。我想象着,读完这本书,我将能够以一种全新的视角去审视我们所处的这个世界,理解效率的真谛,并更积极地去寻找减少浪费、实现优化的方法。

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当我第一次看到《熵产生最小化》这个书名时,我就被它所传达出的深刻含义所吸引。它并非一个浅显易懂的标题,而是指向了物理学中最基本、也最核心的原理之一。我猜想,这本书的作者必定是一位对热力学和统计物理学有着深刻理解的专家,他/她能够将“熵”这一概念的复杂性,以及如何在各种过程中实现其最小化,以一种既严谨又易于理解的方式呈现出来。我期待书中能够包含对能量转化效率的深入探讨,并展示如何在各种工程应用和自然现象中,通过优化设计和操作来减少能量的耗散,提高系统的整体性能。这本书是否会提供一种全新的思维方式,帮助我理解为什么有些过程是不可逆的,以及如何通过巧妙的策略来克服这些不可逆性?我希望这本书能够成为我理解世界运行规律的一把钥匙,让我能够更深刻地认识到,在每一次的能量交换和信息传递中,都蕴含着对效率不懈追求的智慧。

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《熵产生最小化》这几个字,仿佛在我脑海中开启了一扇通往深层物理世界的大门,一股探索未知的好奇心油然而生。我猜想,这本书的作者一定是一位在热力学和统计物理学领域有着深厚功底的学者,他/她能够将“熵”这个抽象而又至关重要的概念,用一种引人入胜的方式呈现给读者。我期待书中能够包含严谨的理论推导,但更重要的是,我希望它能提供清晰的逻辑脉络,让我能够理解熵是如何在各种过程中产生的,以及为什么最小化它的产生对于实现更高的效率至关重要。这本书是否会从基础的热力学定律出发,一层层剥开熵的奥秘,再到应用层面,展示在诸如能源转换、信息处理、甚至是生命活动等领域,如何通过优化设计和操作来降低熵的产生?我期待这本书能带给我一种“豁然开朗”的感觉,让我对我们赖以生存的这个物质世界有更深层次的理解,并能够用一种更科学、更有效的方式去应对我们面临的各种挑战。

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