本科工程热力学教学

《Cengel Boles》是一本引人入胜的书。看到http://www.amazon.com/Thermodynamics-Engineering-Approach-version-1-2/dp..。这本书把这个主题写得非常非常有趣。

志刚，我在春季教一门研究生的热力学和统计力学课程(我也自愿教这门课)。我从来没有教过本科生热力学，老实说，我觉得现在的“工程”热力学并不太合我的口味。我想你已经知道了迪尔和布朗伯格写的那本书……我更喜欢这本书补充必要的工程主题。我个人的观点是，即使是在热力学的基础课程中，也应该从一开始就介绍统计力学(我恐怕这个观点并没有得到广泛的认同)。有一本书(由一位机械师同事写的)非常有趣，其中的部分内容可以在本科和研究生课程万博体育平台中使用:http://www.amazon.com/Introduction-Thermodynamics-Applied-Mathematical-S..。

这本书的重点是固体。尽管埃里克森教授用他的书作为本科课程，而且数学的先决条件确实是相当初级的，但这本书确实需要一些成熟的知识。

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:

1.一定要介绍Stat. Mech。在入门课程中也是如此。[Pradeep，我一直有这个观点——至少从我20年前看到黄的文章开始!]当然，这种方法在数学上可能并不深入。然而，这个主题仍然应该包括在内，以便学生发展对粒子模型的欣赏-它导致的简单性。而且，从历史上看，这两门学科几乎是同时发展起来的，尽管所有的初始公式，当然，都是在热力学(即连续体)方面。

2.不要强调麦克斯韦关系的演绎过程，否则这是老师们的最爱。毫无疑问，应该讨论这个话题。然而，演绎手法不应该在任何对成绩有影响的作业中被强调。(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，学生实际上被带离了理论之美和热力学本身的伟大。)哦，顺便说一句，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，我努力回忆起一个关于电池的发现，这个发现基本上是通过应用热力学的数学关系得出的。不知怎么的，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，固体热力学的一些东西可能包括在内。但没有详细说明。可能是半个讲座(30分钟)左右，最多。我不确定学生是否会在热力学的第一门课程中准备好更多关于这个主题. ...事实上，到这个时候，学生可能根本就没有学过固体力学。

5.一定要介绍系统远离平衡的话题。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)。数学应该恰到好处，使学生对所涉及的内容形成一种欣赏。然后，也给他们一些理论方法的味道，这些方法是用来解决远离平衡的系统的。我认为至少一个概念性的治疗应该是很容易实现的。

——特

- - - - -
(E&OE)

中国,

关于热机等的u/g教学，你可以看看Truesdell和Bharatha的书

经典热力学的概念和逻辑作为一种理论
热机，在S。
卡诺和雷奇

形成你自己的观点。我不太关心所谓的“严谨性”等，但当我看完它(很久以前)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,

我刚以助理教授的身份加入缅因大学，就被要求在F08和S09教热力学。从那以后，我教过很多其他的课程，但我必须说，教热学是一种不同的经历。我用了你提到的那本书，博格纳克和桑塔格的《热力学基础》。这本书很好，只是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，从容易到困难。我发现第4章中关于“热”的部分(书中介绍热传递的部分)相当薄弱。这个概念应该被更好地描述，我想，因为对热传递的一个很好的把握将有助于更容易地理解过程中的可逆性。

直到第一定律之后，一切都很顺利，概念都很容易理解，对许多学生来说可能是直观的。但是，当你想要谈论“熵”，当然要教第二定律时，问题就开始了。这本书没有帮助，这不是这本书的问题，我检查了许多其他书，并没有发现它们更有用(也许我发现唯一更有用的是PK Nag的“工程热力学”)。当谈到第二定律时，这些书的共同特点是介绍了卡诺循环发动机。这是学生们可能会感到困惑的地方。书中第7章的乱写乱画只是增加了混乱，我发现它与书中到目前为止的逻辑流程相当不一致。然后本书继续介绍第8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。为什么卡诺周期如此重要?多年前，Harry Tiersten教授我第二定律的方法是，当我和他一起学习连续介质力学时，是通过“Caratheodory的公理方法”这和这些想象的引擎没有任何关系。这是一个很好的方法从数学上推导出热力学第二定律的表达式，但显然不是给本科生教授热力学的合适方法。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是遵循热科学发展的历史路径(对我来说，为了教学，这不一定是最好的方法)。卡尔诺对改进热机的操作很感兴趣，这是工业化时代的一个主要挑战。利用他的理想热机，他发现可逆热机的效率不是由于热能的消耗(他称之为“热量”)，而是由于热能从温暖的物体转移到寒冷的物体。这是一个惊人的结论，对我来说一点也不微不足道。这一陈述后来被开尔文勋爵表述为热力学第二定律。卡诺的假设(而且很容易证明)是，他理想的可逆热机具有最高的效率; 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)来说是一个非常有益的经历时，我得出的结论是，为了澄清熵的概念并改进对本科生第二定律的解释，现有的教科书需要重新审视。

此前

亲爱的中国,

热力学的主要问题是它的教学方式(生物也是如此，至少在印度!)正如普拉迪普所说，人们只有在自己研究这门学科时，才会欣赏热力学的美丽和“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里写恶毒的评论是在麦克斯韦关系数超过50的时候。我写了“祝贺”，就好像半个世纪的“板球”得分了一样(不管怎么说，我来自印度!)…

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

问候,

Jayadeep

中国,

前几位作家推荐的书都很好。Sonntag的书是一部经典的文本，它经历了几十种语言的“时间的考验”。迪尔和布隆伯格的文章也很好。我还想再提几个经典的例子。第一本是麦克斯韦的《热论》。在我看来，任何希望理解这些概念的人都应该阅读它。其次，基南的这本书也是一本很好的经典读物。最后，索默菲尔德的《热力学和统计力学》是20世纪最伟大的物理学家之一的经典杰作。我喜欢他对热力学的引用。”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，除了一两个小的地方，你觉得你懂了。当你第三遍读的时候，你知道你不懂，但那时你已经习惯了，所以它不再困扰你。”

穆吉布·拉赫曼

亲爱的中国,

谢谢你的评论。我不知道英戈·穆勒写的这本书。我已经从谷歌图书上预览了这本书，看起来很有趣。我很想仔细看看它。

另一本关于热力学的畅销书是Van Ness写的一本叫做《理解热力学》的小书。

穆吉布·拉赫曼

几天前，在阅读了这个帖子后，我特别加入了iM万博manbetx平台echanica。我大部分都没读过
评论，但我想说的是，我正好有世界上最大的
个人收藏的热力学书籍和教科书，在他的300+
点:

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

书的选择将取决于是否
你教的是机械(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
热力学教科书一直是刘易斯和兰德尔(1923)。

智慧的一句话是专注于
熵(变换内容)和熵的底层核心解释
一次热量的变化(所有未补偿变换的等价值)
克劳修斯用精确微分来解释的循环，作为对比
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
在热量方面:

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)，因为它在典型的瓦特蒸汽机中移动，但更重要的是在最初的帕平蒸汽机设计中。热力学的整个结构被捕捉到了
克劳修斯对卡诺的下列公设作了更正:

“每当工作是由热(在一个身体上周期)不永久
变化发生在条件工作的身体
[否认这一点]会推翻整个热学，
它是它的基础。”

F重点解释热的“机械等效热”观点，并与之对比
热量的观点，从而解释如何当一个物体(任何物体)的
宇宙)膨胀，然后收缩到它的“原始状态”
永久性的变化确实会发生，而这种变化是用数学方法记录下来的
克劳修斯不等式。

作为学期末的学期论文，我建议你们布置学生写a
10页，基于方程的，关于热力学普遍定律的论文
适用于人类生存。400多名思想家尝试过这样的方法
这里列出了历年的配方:

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

在这里:

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

我认为这是最
回想起来，这是大学生涯的重要任务。

我比较喜欢的经典热力学的书是由罗杰斯和梅休。它写得如此之好，以至于我还没有找到比它更好的文本，不仅在热力学方面，而且在我的整个工程教育中(我把I H Shames的《固体力学》排在第二位，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(因为它在不同的独立部分呈现基本定律和应用-这是合理的，因为作者说他们的目的是呈现一个严谨的文本，学生可能会在以后的职业生涯中回到精细的细节说明)。即使这样，它也一定会帮助你决定如何以最有意义的方式呈现热力学的应用，限制等。

其他适合温和介绍的好书是Eastop & McKonkey、Spalding & Coles的书，以及Rayner Joel的书(相当初级，但在应用方面很好)。

在最初的热学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对统计热力学有所了解)。但是，这并不意味着它不应该被提及。最好是给他们一个你目前所有理解的路线图，让他们意识到更大的图景。

很高兴你喜欢表面文章。你可能还想弄清楚海报的尺寸
表面的四步构造，附件PDF，由Kriz(2008)制作，发送
把PDF发给Kinkos，他们会打印出一张38英寸x 24英寸的巨幅海报
你的教室。然后你可以用图形向学生解释“自由能”。

我家里的墙上就挂着一幅，花了45美元就印出来了。

在讨论教学策略之前，最好先讨论一下学科本身的性质。

不幸的是，(据我所知)对热力学本质最好的描述是悲观的。这要归功于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。你第二次经历的时候，你
我想你明白了，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，但由此
你已经习惯了时间，所以它不会再困扰你了。”

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

注意，教它并不容易(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?为什么不那么友好呢?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)就很容易选择。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，在引入熵之前，它几乎是正确的(这几乎是因为引入焓和在一定程度上的内能也会让学生感到不安)。H和s(以及后来的f和g)似乎是罪魁祸首。对学习者来说，再多的思考似乎也不能降低目标。直到这些在分子水平上的统计意义被认识到，被扰乱的头脑才会找到平静。我把这种现象称为力学的回归——这一次把它应用于构成粒子。随机性比想象中的循环更直观。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(他也是我们学校燃烧工程之父)问我们关于熵的心理图景。他对我们从宏观到微观的所有回答都不满意。然后他让我们在任何我们找到的地方阅读它。他告诉我们他特别喜欢书中关于熵的描述萨德的书。

我相信，如果在工程课程中改变微观和宏观热力学的呈现顺序，学生们会更高兴，只要他们能够应付所需的数学成熟度的提升。但是，它会破坏主题的美!从来没有存在过的东西，纯粹是一种想象的壮举，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，这难道不令人惊讶吗? !这就是热力学的美妙之处，人们永远不可能知道原子的存在，却总是有一些基本的原理。它独立于物质的实际构成。这几乎是不可思议的!

伍德考克和桑德勒的文章值得一读。事实上，伍德考克在8月份寄给我一份副本。他对我说:

“多棒的网站啊!”我认为你的[法律的热力学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)。驱动宇宙的四大法则。牛津大学出版社]。这是
对所有困惑的精彩总结。我很想知道在哪儿
你的网站来自。谁拥有和资助它?它的目标是谁?
读者吗?”

我认为伍德考克想表达的是热力学定律，从0到4，是按时间顺序依次介绍的。很多人对此感到困惑。

回复:机械进步的“陌生感”，约翰·佩里和马克斯·普朗克提到熵是一种“可怕的数量，似乎是因为它只能间接测量。还有伟大的1902年。”什么是熵的争论“应该安抚一下你的心，这个话题过去很脆弱，现在仍然如此。

ds = δqrev/T

这就是教科书通常对熵的定义。我在安德森的书中发现了一个更“清晰”的定义现代可压缩流。

ds =δT + dsirrev q /

意思是一样的，表达更清晰。

对于引入温度和热量，我认为最好的方法是同时进行。这种方法使两者之间的混淆余地很小。

有趣的一点!应该采用哪种方法(巴比伦还是希腊)的问题与学习/教学的哲学方面有关。不幸的是(也许是幸运的是)，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。其中一个推荐来自Polya(参见他的书，数学的发现，卷1，约翰威利，1962年)，这是所谓的“遗传”教学原则。巴比伦的方法似乎与这一原则非常相似。目前尚不清楚是波利亚本人还是其他人提出了这个想法，但这对我们的讨论并不重要。他当然要为这个想法的流行负责，尤其是在数学教学的背景下。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秩序。这一原理改编自恩斯特·海克尔的假说:个体发育概括了进化，该假说认为动物在从胚胎到成年的发育过程中，经历了类似或代表其遥远祖先进化的连续阶段。在教学的背景下，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，那么最好知道是谁提出了这个概念，在什么背景下，如何，如果这个概念没有被提出会发生什么，等等。学习者应该有机会思考在这种情况下他会怎么做。即使他不能自己提出一个明确的想法，他已经深入研究过的事实也会对他对这个概念的理解大有帮助。公理化(希腊语)方法可能只有在学习者对主题有很好的控制之后才有用。这就是为什么麦克斯韦关于热理论的书那么好。它把基本概念放在一个很好的历史的角度，解释非常好的概念，剥离数学尽可能多。

我认为Gordon Rogers和Yon Mayhew的《工程热力学，功与热传递》是热力学方面最好的书。这种方法非常符合逻辑，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，我强烈建议大家学习这本书。

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，以物理为动力，即使是新生也很容易理解数学。一天晚上，我读了一大半，真是一种享受!我是从图书馆借来的，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，读它并不需要花很多时间。

我发了一篇简短的博客如何教热力学，那可能会有所帮助。

下面是我今天遇到的两个学生的内心世界，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课程定义为“经典热力学”的课堂上:

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

我提出这个问题，是因为你似乎在课堂上也在尝试类似的事情?

关于熵，我有几个问题要问。

1)可逆绝热压缩时熵不变，不可逆绝热压缩时熵增大。为什么会这样呢?

熵是指系统的无序度。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?

3)熵是如何衡量系统的多样性的，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。您的讲座内容非常丰富，非常有帮助。详细讨论了多重性的概念。您对该主题的知识、洞察力和把握给我留下了深刻的印象，但如果您能进一步阐述我的问题1和2，我将非常感谢您。

尊敬的先生,

我是Ghanshyam。我的问题是热力学性质是不是集约型财产还是粗放型财产?

你好，索教授:

正如我们所知，热力学最初是用来描述理想气体的平衡状态，其特征是宏观状态变量P,V, T，它们在气体内部的任何地方都是均匀的。但是当我们考虑将热力学的框架应用于弹性固体时，

1.与气体的状态变量P、V不同，弹性固体中的应力和应变状态变量不是均匀的。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在平衡状态，因此热力学框架不再适用于运动中的弹性固体?

无论如何，连续介质力学教科书中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