新概念热学讲义

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1、《新概念热学》讲义第一讲：引论1.1现有传热学面临的挑战热学是研究自然界中物质与冷热有关的性质及这些性质变化规律的理论，它[1]是物理学中的一个重要分支。热学这一门科学起源于人类对于热与冷现象的本[2]质的追求，从这个意义上说，热学的历史可以追溯到有史以前人类对火的认识和利用。后来，发展出传热学、热力学和不可逆过程热力学等分支学科。到现在为止，传热学在工程领域已获得了重要应用，应该说已相当成熟了。然而，现有的传热学仍然有着某些不足之处，一些重要问题还没有得到很好的解决，特别是随着新技术（例如纳米技术）的发展也面临着很多挑战。其一，经典的传热规律面临极端条件下传热现象的巨大挑战。例如以激

2、光的利用为代表的超快速加热，如激光武器和激光加工技术，激光脉冲宽度可达到飞-15秒（10s）量级，如何预测激光加热过程是一个国际性的难题。特别是近些年来以纳米电子机械系统为代表的纳米技术得到快速发展，超大规模集成电路中的互连引线尺寸已达到几十纳米的水平，纳米电子机械系统中的部件也出现了很多纳米尺寸量级的薄膜、纳米线和纳米管材料。在纳米结构材料的导热中，存在两92个突出的特点：一是热流密度很高，例如在实验室中可达到～10W/m量级；二是已经发现了一些常规热学定律所不能解释的物理现象，例如某些低维结构纳米[3]线和纳米管的热导率与长度成正比和变截面纳米结构存在热阻和热流方向有[4,5]关的

3、热二极管效应等。探讨极端条件下的热学规律已成为急待解决的问题。其二，经典热学中还没有以提高能源利用率为目的的传热过程的优化理论和技术。当前面临世界性的能源短缺问题，我国面临的节能减排的形势更为严峻，因此，提高能源利用效率更为重要。然而，传热学中只有热量传递速率而没有热量传递效率的概念，所以，只有传热过程的强化，而无传热过程的优化的理论和技术。因为效率的概念往往需要了解某种特定的付出和回报，如衡量热机工作性能的热功转换效率，付出的是输入热机的总热量，而回报是热机输出的机械能，但是现有强化传热技术中还缺乏对传热过程付出和回报的深刻认识。其三，傅立叶导热定律导致热传播速度为无穷大的缺陷还没有

4、很好地解决。早在1822年，法国的数学家、物理学家傅利叶就提出了著名的傅立叶导热定-1-第一讲：引论[6]律，即热流与温度梯度成正比。尽管作为实验定律的傅利叶导热定律已为大量的工程实践所证实，并获得了广泛的应用。然而，用傅利叶导热定律描述瞬态导热过程时，由于所得到的热传导方程是抛物型的，这隐含着热是以扩散的方式传播，因此出现了热扰动传播速度无穷大的佯谬。傅立叶定律的这一缺陷表[7]明，它只是一个唯象的近似定律，在物理上是不完善的。最早是Cattaneo和[8]Vernotte提出了新的热流定律来代替傅利叶导热定律，称之为CV模型，由于其中多了一个热流对时间的导数项，导热方程则变为双曲型

5、，从而使热扰动传播速度成为有限值。应该看到，历史上提出的诸多热波模型是从热力学非局域平衡的角度提出的，驰豫时间是其中基本的物理参数，而在物理学中标志惯性大小的物理量为质量，因此，在探讨热波传递的物理实质时还存在根本性的矛盾。其四，传热学缺乏同物理其它分支学科之间共性的量和规律。傅立叶在他的热学专著“热的解析理论”中指出“……无论力学理论的研究范围如何，它们都不能应用于热效应，这些热效应构成一个特殊的现象类，它们不能用运动和平衡的原理来解释。……自然哲学的这一部分不可能与动力学的理论有关，它[6]有它本身特有的原理。”因此，直到现在热学中没有热量运动速度、动量、能量等物理量，没有类似于牛

6、顿运动定律那样描述热量运动的定律，即无法用动[27]力学的理论来研究热现象。尽管在不可逆过程热力学中有热力学力等概念，但讨论的却是热力学力和热力学流的关系。还有，最小作用量原理是自然界最高的原理之一，在物理学的各分支学科中，建立相应的最小作用量原理是探索物理[9,10]规律、寻求极值和进行过程优化的基本途径。迄今为止，光学、力学、相对论和电磁学等学科都已建立了相应的最小作用量原理，而经典传热学中还缺乏对最小作用量原理的探讨。这的确使得热学在物理学各分支学科中独具个性，也是一个缺憾之处。另外，尽管在人类的历史上对热和冷的思考和探索起源于有史之前，热学是发展最早的学科之一，但在传热学中唯象

7、的、实验的和经验性的定律居多，同力学、电学、磁学、光学等学科相比其理论基础还很不完善。傅立叶导热定律的提出在热质说盛行的时代，其物理基础也是热质说，即认为热是没有质量的流动物质，但却在热动说占有绝对地位的时代获得了很多实验证明和工程应用，到现在为止热学中还有不少依据热质说得到的热学定律，例如拉普拉斯等用全微分等概念为热质说所建立的数学分析表述，并由此得到的绝热声速公式，以及卡诺用热质说观点论证了卡诺定理等。这也折射出，现有热学理论体系中或许还存