工程热力学本科生教学

Cengel Boles是一本精彩的书。看到http://www.amazon.com/Thermodynamics-Engineering-Approach-version-1-2/dp..。这本书使这个主题变得非常非常有趣。

志刚，我在春季教研究生热力学和统计力学的课程(这门课也是我自愿教的)。我从来没有教过本科生热力学，老实说，我觉得现在的“工程”热力学不太合我的口味。我想你已经知道了迪尔和布朗伯格的书……我更喜欢这本书补充必要的工程主题。我个人的观点是，即使在热力学的基础课程中，统计力学也应该在一开始就介绍(恐怕这个观点并没有被广泛接受)。有一本书(由一位机械师同事写的)非常有趣，它的部分内容可以用于本科生和研究生课万博体育平台程:http://www.amazon.com/Introduction-Thermodynamics-Applied-Mathematical-S..。

这本书的重点是实体。尽管埃里克森教授在本科课程中使用了他的书，而且数学的先决条件确实相当基础，但这本书确实需要一些成熟度。

阿米特:我会看看你推荐的那本书。

亲爱的中国,

以下是一些建议:

1.请介绍一下Stat. Mech。也是入门课程。[Pradeep，我一直有这样的观点——至少从我20年前看到黄的文章开始!当然，这种处理方法在数学上可能不够深入。然而，这个主题仍然应该包括在内，以便学生能够欣赏粒子模型——它导致的简单性。从历史上看，这两个学科几乎是同时发展起来的，尽管所有最初的公式，当然，都是热力学(即连续统)项。

2.不要再强调麦克斯韦关系式中单调乏味的演绎，否则它将是老师们的最爱。毫无疑问，这个话题应该被提及。然而，演绎操作不应在任何计入成绩的工作中被强调。(否则，在试图掌握这些关系的过程中，包括通过记忆这些关系，学生实际上会远离热力学本身的理论之美和宏伟。)哦，顺便说一下，还要告诉他们一些线性假设——这些关系的局限性。

3.包括一些关于电化学的话题。电池热力学，燃料电池热力学…在这里，我努力回忆一个关于电池的发现，基本上是通过应用热力学的数学关系得出的。不知怎么回事，我现在想不起来了……也许我会回来补充。

4.正如普拉迪普所建议的，可能包括一些固体热力学的东西。但没有详细说明。最多可能是半个讲座(30分钟)。我不确定学生是否准备好在热力学的第一门课程中了解更多关于这个主题的内容. ...事实上，这个学生可能根本没有学过固体力学。

5.一定要介绍一下远离平衡的系统。对于接近平衡的系统，可以引入一点数学(可能只是一个模型/情况)。数学应该足够让学生对所涉及的内容有所了解。然后，也给他们一些理论方法的味道来解决远离平衡的系统。我认为至少概念上的治疗应该很容易实现。

——特

- - - - -
(E&OE)

中国,

关于热机等的教学，你可能希望看看Truesdell和Bharatha的书

作为热力学理论的经典热力学的概念和逻辑
热机，严格地建立在S。
卡诺和F. Reech

形成你自己的观点。我不太关心所谓的“严密性”等等，但当我(很久以前)浏览它时，它确实以一种明确的方式呈现了材料。数学就是微分学。

- - - - - -阿米特

中国,

刚加入UMaine担任助理教授，我就被要求教授F08和S09的热力学课程。从那以后，我教过许多其他课程，但我必须说教热学是一种不同的经历。我用的是你提到的那本书，Borgnakke和Sunntag的《热力学基础》这本书很好，只是在这里和那里有一些错别字，在每个部分的末尾有很多硬件问题，从简单到困难。我发现第4章(书中介绍热传递的地方)中关于“热”的部分相当薄弱。我想，这个概念应该被更好地描述，因为以后对热传递的良好把握将有助于更容易地理解过程中的可逆性。

事情会相当顺利，直到第一定律之后，概念都很容易理解，也许对许多学生来说是直观的。但是，当你想谈论“熵”，当然还要教授第二定律时，问题就来了。这本书没有帮助，这不是这本书的问题，我检查了许多其他的书，并没有发现它们更有用(也许我发现唯一一个更有用的是PK Nag的“工程热力学”)。当涉及到第二定律时，这些书的共同特点是介绍了卡诺循环热机。这就是学生们可能会感到困惑的地方。这本书在第7章的涂鸦只是增加了混乱，我发现它与这本书的逻辑流到这一点上相当不一致。然后这本书继续第八章和“熵”的概念，并把它作为一个抽象的量，如果你想知道它的值(变化)，你可以看看书末的表格!

我很难理解这种方法。为什么卡诺循环如此重要?几年前，Harry Tiersten教我连续介质力学时，我是通过“Caratheodory的公理方法”来学习第二定律的，这与这些假想的引擎没有任何关系。这是一种很好的方法，可以从数学上推导出热力学第二定律的表达式，但显然不是教授本科生热力学的合适方法。我花了一段时间才意识到，大多数工程热力学书籍所采用的方法基本上遵循了热科学发展的历史路径(对我来说，为了教学目的，这不一定是最好的方法)。卡尔诺对改进热机的运行很感兴趣，这是工业化时代的一个重大挑战。他用他的理想热机发现，可逆热机的效率不是由于热能的消耗(他称之为“热量”)，而是由于热量从一个温暖的物体转移到一个寒冷的物体。这是一个惊人的结论，对我来说一点也不微不足道。这一说法后来被开尔文勋爵表述为热力学第二定律。卡诺的假设(可以很容易地证明)是，他的理想可逆发动机具有最高的效率; this particular conclusion solved the puzzle for me and provided me a basis to teach the 2nd law. So I raised this question in my class: if the maximum efficiency in a fully reversible engine (no friction, etc) is just controlled by the input and output temperature, then where does the rest of the input energy go to? The answer is, it increases the entropy. At this point I sewed the subject to the molecular picture of gases and tried to relate the entropy to the order in the molecular structure of matters.

无论如何，当我发现教授热力学对我自己(希望对我的学生)是一次非常有益的经历时，我得出的结论是，为了澄清熵的概念，并为本科生改进第二定律的解释，现有的教科书需要重新阅读。

此前

亲爱的中国,

热力学的主要问题是它的教学方式(生物学也是如此，至少在印度!)。正如普拉迪普所说，人们只有在自己研究热力学这门学科时，才会欣赏它的美丽和“普遍适用性”。我希望我正在进入那个阶段……

我唯一一次在课堂笔记上写下讨厌的评论，是在麦克斯韦关系的数量超过50的时候。我写了“恭喜你”，就好像半个世纪的板球得分一样(不管怎样，我来自印度!)……

我希望你能把完整的笔记贴在iMechanica上。万博manbetx平台我急切地等待着……

问候,

Jayadeep

中国,

前面几位作家推荐的书都很好。桑塔格的这本书是经典之作，经过了几十种语言的版本，经受住了“时间的考验”。迪尔和布隆伯格的文章也不错。我想再提几个经典性质的例子。第一本是麦克斯韦的《热理论》。在我看来，任何希望了解这些概念的人都应该阅读它。其次，基南的书也是一本很好的经典作品。最后，索末菲的著作《热力学与统计力学》是20世纪最伟大的物理学家之一所写的经典杰作。我喜欢他关于热力学的名言"热力学是一门有趣的学科。第一次看的时候，你根本不懂。第二次看的时候，除了一两个小问题，你觉得你已经理解了。当你第三次看的时候，你知道你不明白，但那时你已经习惯了，所以它不再困扰你了。”

穆吉布·拉赫曼

亲爱的中国,

谢谢你的评论。我不知道因戈·穆勒的书。我已经从谷歌书籍预览了这本书，看起来很有趣。我很想仔细看看。

另一本关于热力学的畅销书是Van Ness写的《理解热力学》。

穆吉布·拉赫曼

我是在几天前看到这个帖子后加入iMechan万博manbetx平台ica的。我还没读过大部分
评论，但我的意见，我确实有世界上最大的
个人收藏热力学书籍和教科书，超过300+在他
点:

http://www.eoht.info/page/Thims%27+thermodynamics+book+collection

书的选择取决于是否
你教机械(Cengel)，化学(Sandler)或生物工程
(Katchalsky)，或者物理学家(Callen)，一般来说。最常引用的一个
热力学教科书是路易斯和兰德尔(1923)。

一句至理名言就是要专注
熵(转换内容)和熵的基本核心解释
一次热量的变化(所有未补偿变换的等价值)
就像克劳修斯解释的那样，用精确的微分来做对比
卡诺的观点(以拉瓦锡为基础)在他的平衡重建模型中的热量
热量方面:

http://www.eoht.info/page/Re-establishment+of+equilibrium+in+the+caloric

专注于给出一个视觉画面
“工作体”(系统)，在典型的瓦特蒸汽机中移动，但更重要的是在最初的帕潘蒸汽机设计中。热力学的整个结构都被捕捉到了
克劳修斯对卡诺的下列假设所作的修正:

“每当工作是由热(在一具尸体上周期)不永久
的状态发生变化工作的身体
(否认这一点)就会使整个国家垮台热理论，
这是它的基础。”

F奥克斯对解释“机械等效热”的观点，与之形成对比
热量观的热量，从而解释当一个物体(任何物体的
宇宙)膨胀，然后收缩到它的“原始状态”
永久性的变化确实发生了，而且这种变化是用数学方法来捕捉的
用克劳修斯不等式。

作为期末论文，我建议你布置学生写一篇
十页的，基于方程式的，关于热力学普遍定律的论文
适用于人类的存在。400多位思想家都曾尝试过
历年的配方列于此:

http://www.eoht.info/page/HT+pioneers

在这里:

http://www.eoht.info/page/HTPs+|+categorical

我认为这是最
回顾个人大学生涯的重要任务。

关于经典热力学，我更喜欢的书是罗杰斯和梅休．它写得很好，我还没有找到比这更好的文本，不仅在热力学上，而且在我的整个工程教育中(我把I H Shames的《固体力学》一书排在第二，仅次于这本书)。但是，如果这是你的学生的第一门热力学课程，它可能不适合他们自己阅读(因为它在不同的单独部分介绍了基本定律和应用-这是合理的，因为作者说他们的目标是提供一个严格的文本，学生可能会在以后的职业生涯中返回，以阐明精细的细节)。即使这样，它也一定会帮助你决定如何以最有意义的方式展示热力学的应用、限制等。

其他适合温和介绍的好书还有Eastop & McKonkey、Spalding & Coles和Rayner Joel的书(相当初级，但适用于应用)。

在初始热课程中讨论统计热力学是不合适的(尽管学生可能从物理课程中得到一些概念)。但是，这并不意味着它根本不应该被提及。更好的办法是给他们一张我们目前理解的路线图，让他们意识到更大的图景。

很高兴你喜欢表面文章。你可能还想要海报的尺寸
表面的四步构造，附由Kriz(2008)制作的PDF，发送
把PDF文件交给Kinkos，他们会打印出一张漂亮的38英寸x 24英寸的巨型海报
你的教室。然后你可以向学生形象地解释“自由能”。

我家里的墙上就挂着一本，印刷费(45美元)是物有所值的。

在讨论教学策略之前，先讨论一下学科本身的性质总是好的。

不幸的是，对热力学本质最好的描述(据我所知)是悲观的。这是由于Sommereld:

“热力学是一门有趣的学科。你第一次经历的时候，你
我一点也不明白。当你第二次经历时，你
我觉得你懂了，除了一两个小问题。第三个
当你经历它的时候，你知道你不理解它，但通过它
当你习惯了它，它就不会再困扰你了。”

这是因为热力学(与力学相比)不那么直观，更优雅，需要学习者更多的想象力，尽管它可能不像力学那样严格或数学化

要注意教学并不容易(与力学相比)。

我一直在思考，为什么我们(至少我)对热力学有一种陌生的感觉?为什么不是那么友好?另一方面，一旦掌握了足够的数学(有时甚至在此之前)，力学(无论是刚体、固体、流体还是统计学)就很容易被选中。电磁学也是如此。为什么热力学如此不同?

现在这里的讨论是如此刺激，我将尝试添加更多的燃料....

也许我的问题的答案是，它几乎都是正确的，直到引入熵(几乎是因为焓的到来，在一定程度上，内能的进入，也扰乱了学生)。H和s(以及后来的f和g)似乎是罪魁祸首。对于学习者来说，再多的冥想似乎也不能降低原因的重要性。只有在分子水平上理解了这些统计意义，不安的心灵才能找到平静。我把这种现象称为力学的回归——这次把它应用到构成粒子上。随机性比想象的循环更直观。分子的机械能比连续体的内能更具体。那么，困难来自于我们对不存在的连续体的想象吗?肯定不是!同样的假设是更容易理解的连续介质力学的基础? Then what is the reason? I still don't know!

最近，在能量转换系统课程的导论课上，我的教授(他也是我校燃烧工程之父)向全班同学询问了熵的概念。他对我们从宏观到微观的所有回答都不满意。然后他让我们在上面找到什么就读一下。他告诉我们他特别喜欢给出的熵的描述萨德的书．

我相信，如果在工程程序中改变微观和宏观热力学的呈现顺序，学生们会更快乐，只要他们能适应数学成熟度的要求。但是，这会破坏主题的美感!一个从未存在过的东西，纯粹是一个想象的壮举，如此精确地，以如此普遍的方式描述了真实存在的事物的行为，这难道不奇怪吗?热力学的美妙之处在于，一个人永远不可能知道原子的存在，而总是有一些大体上是普遍的原理。它独立于物质的实际构成。这简直太神奇了!

伍德考克和桑德勒的文章读起来不错。伍德考克八月份给我寄了一份。他对我说:

“多好的网站啊!”我认为你的[法律的热力学的网页应该是我们论文的参考文献1而不是彼得阿特金斯(阿特金斯,彼得。（2007）.宇宙运行的四大法则。牛津大学出版社]。这是
这是对所有困惑的精彩总结。我很想知道在哪里
你的网站来自。谁拥有并资助它?它的目标是谁
读者吗?”

我认为伍德考克的意思是热力学定律，0-4，是按时间顺序引入的。很多人对此感到困惑。

回复:mechprog“奇怪的感觉”，约翰佩里和马克斯普朗克提到熵作为一个“可怕的数量，似乎是因为它只能间接地衡量。还有伟大的1902年"什么是熵的争论"应该能安抚你的心，这个话题很脆弱，现在也是。

ds = δqrev/T

这就是教科书上通常定义的熵。我在Anderson,s中发现了一个更“清晰”的描述现代可压缩流．

ds =δT + dsirrev q /

意思是一样的，表示方式更简洁。

对于引入温度和热量，我认为最好的方法是同时进行。这种方法几乎不会造成两者混淆。

有趣的一点!应该采用哪种方法(巴比伦式或希腊式)的问题与学习/教学的哲学方面有关。不幸的是(或许更幸运的是)，没有一种教学方法是最完美的。每个好老师都有他/她自己的好教学方法。然而，在文献中有一些建议。波利亚提出了一个这样的建议(见他的书，数学的发现约翰·威利，1962年出版，第1卷)，这被称为教学的“遗传”原则。巴比伦人的方法似乎与这一原则有相似之处。目前还不清楚是波利亚本人还是其他人提出了这个观点，但这对我们的讨论并不重要。当然，他对这种思想的传播负有责任，尤其是在数学教学中。这一原则背后的基本思想是，个人获得知识的良好秩序应该是人类获得知识的良好秩序。该原理改编自恩斯特·海克尔(Ernst Haeckel)的假说:个体发生(Ontogeny)概括了亲缘发生(Philogeny)，该假说认为，动物从胚胎到成年的发展过程中，经历了类似或代表其远祖进化的连续阶段的阶段。放在教学的语境中，它说的是，如果学习者接触到某个概念的历史背景，他就能更好地掌握这个概念。例如，如果这个概念是关于熵的，那么最好能知道是谁提出了这个概念，在什么情况下，如何提出的，如果没有提出这个概念会发生什么等等。应该给学习者机会思考在这种情况下他会怎么做。即使他自己无法提出一个明确的想法，但他已经深入研究了这个问题，这一事实将有助于他对这个概念的理解。公理(希腊)方法可能只有在学习者对主题有很好的控制之后才会很好。这就是麦克斯韦关于热理论的书如此优秀的原因。它把基本概念放在一个很好的历史角度，很好地解释了这些概念，尽可能地剥离了数学。

我认为Gordon Rogers和Yon Mayhew写的“工程热力学，功和热传递”是热力学方面最好的书。这种方法是非常合乎逻辑的，最重要的事实是，在这本书中，“原则”与“应用”是不同的。在我看来，我强烈推荐你学习这本书。

我偶然发现了这本非常漂亮的书仅仅是热力学”。在不到200页的篇幅里，它涵盖了很多内容。非常清晰，有很强的生理动力，数学也很容易理解，即使是大一新生。有一天晚上，我读了一大半，这真是一种乐趣!我从图书馆借的，但我肯定会自己买一本。

我建议至少把它作为一种补充。不管怎样，阅读它并不需要花费很多时间。

我发了一个简短的博客如何教授热力学那可能会有一些帮助。

这是我今天遇到的两个学生的思想内幕，他们觉得自己被一个老师剥夺了经典热力学的知识，这个老师一心想把统计力学的重点放在一个课程被定义为“经典热力学”的课程中:

http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=146689

我提出这个问题，是因为似乎你在你的课上也在尝试类似的东西?

尊敬的老师们，关于熵我有几个问题。

1)在可逆绝热压缩过程中熵保持不变，在不可逆绝热压缩过程中熵增加。为什么会这样?

2)熵是指系统的无序性。在绝热压缩过程中，气体分子被压缩，结果内能增加，那么熵如何保持不变呢?

3)熵是如何衡量系统的多样性，我们如何将它与概率联系起来?

我将非常感谢你们所有人的帮助。我期待着你的消息。

问候,

非常感谢，先生。您的讲座信息量很大，很有帮助。详细讨论了多重性的概念。您对这一主题的知识、洞察力和把握能力给我留下了深刻的印象，但如果您能进一步阐述我的第1和第2个问题，我将非常感激。

尊敬的先生,

我是甘希亚姆。我的问题是热力学性质或密集或广泛的财产?

您好，索教授:

如我们所知，热力学最初是用来描述理想气体的平衡态的，用宏观状态变量P,V, T来描述，这些状态变量在气体内部的任何地方都是均匀的。但是当我们考虑把热力学的框架应用到弹性固体上时，

1.与气体的状态变量P、V不同，弹性固体中的状态变量应力和应变是不均匀的。在这种情况下，热力学仍然可以应用于弹性固体?

2.对于固体的弹性动力学，状态变量应力\sigma_{ij}和应变\epsilon_{ij}是时间t的函数。这是否意味着固体不是处于平衡状态，因此热力学框架不再适用于运动中的弹性固体?

不管怎样，连续介质力学教科书中对固体的热力学分析是很常见的。然而，上述两个问题的答案似乎在这些书中被遗漏了。

问候,

京