传热学的发展历史及其现状

1、传热学的发展历史及其现状摘要： 20世纪初，传热学从物理学中的热学部分独立出来而成为一门学科。一百多年来，传热学研究者们对传热现象进行了广泛深入的研究，发表了大量的科学论著和研究报告，并出版了大量有价值的学术专著，促进了传热学理论的完善和学术的发展。历史总是向前发展的，尽管现有传热学具有坚实的理论基础，也取得了巨大成就，但新出现的现象已与现有的传热学体系产生了尖锐的矛盾，使现有的传热学理论捉襟见肘，暴露出其局限性。关键词：传热学 发展历史 现有困境 突破一、引言传热学是研究由温度差异引起的热量传递过程的科学。传热现象在我们的日常生活中司空见惯，早在人类文明之初，人们就学会了烧火取暖。随着工业革

2、命的到来，蒸汽机、内燃机等热动力机械相继出现，传热研究更是得到了飞速的发展，被广泛地应用于工农业生产与人们的日常生活之中。当今世界，国与国之间的竞争是经济竞争。而伴随着经济的高速发展，也带来了资源、人口与环境等重大国际问题。传热学在促进经济发展和加强环境保护方面起着举足轻重的作用。近年来，随着工业经济的兴起，环境问题日益严重。重点整治环境，保障人民的身体健康已成为实现我国经济可持续发展的重大战略。传热学的研究极大地提高了能源利用效率，不但节约能源，同时也大大减少了各种废料的排放量，最大限度地控制了现代工业文明对自然生态系统的破坏。在2050年以前我国能源结构仍将以“非洁净能源”煤为主，传热研究

3、在环境和生态领域方面所起的重要作用是显而易见的。人们越来越关注的生命科学也离不开传热学。生命系统是一个典型的耗散结构系统，生命通过与赖以生存的环境进行物质和能量的交换而得以维持。对生命系统中的能量与物质传输的认识ffs待进行传热学研究。随着人体环境学的发展尤其是生物医学领域中诸如低温外科手术、移植器官冷冻储存、肿瘤加热疗法、疾病热诊技术，以及烧伤冻伤、烫伤等临床医学和康复医学的进步，要求人们深人认识人体传热的特性和机制。总之，21世纪的能源问题、经济环境问题和生命科学问题都要求传热学研究作出积极配合，加强相应的科学储备，迎接一个新的发展时期。二、传热学的发展史18世纪30年代首先从英国开始的工

4、业革命促进了生产力的空前发展。生产力的发展为自然科学的发展和成长开辟了广阔的道路。传热学这一门学科就是在这种大背景下发展成长起来的。导热和对流两种基本热量传递方式早为人们所认识，第三种热量传递方式则是在1803年发现了红外线才确认的，它就是热辐射方式。三种方式基本理论的确立则经历了各自独特的历程。直到20世纪初，传热学才从物理学中的热学部分独立出来而成为一门学科。目前，通过对热传导、对流和辐射三种传热方式的研究，传热学已经具备了较为完整的理论基础，形成了相对成熟的学科体系。19世纪初，兰贝特、毕渥和傅里叶都从固体一维导热的实验研究入手开展了研究。1804年毕渥根据实验提出了一个公式，认为每单位

5、时间通过每单位面积的导热热量正比例于两侧表面温差，反比例于壁厚，比例系数是材料的物理性质。这个公式提高了对导热规律的认识，只是粗糙了一点。傅里叶在进行实验研究的同时，十分重视数学工具的运用，很有特色。他从理论解与实验的对比中不断完善他的理论公式，取得的进展令人瞩目。1807年他提出了求解场微分方程的分离变量法和可以将解表示成一系列任意函数的概念，得到学术界的重视。1812年法国科学院以“热量传递定律的数学理论及理论结果与精确实验的比较”为题设项竞奖。经过努力，傅里叶于1822年发表了他的著名论著“热的解析理论”，成功地完成了创建导热理论的任务。他提出的导热定律正确概括了导热实验的结果，现称为傅

6、里叶定律，奠定了导热理论的基础。傅里叶被公认为导热理论的奠基人。流体流动的理论是对流换热理论的必要前提。1823年纳维提出的流动方程可适用于不可压缩性流体。此方程1845年经斯托克斯改进为纳维斯托克斯方程，完成了建立流体流动基本方程的任务。1880年雷诺提出了一个对流动有决定性影响的无量纲物理量群，在1880至1883年间雷诺进行了大量实验研究，发现管内流动层流向湍流的转变发生在雷诺数的数值为1800至2000之间，澄清了实验结果之间的混乱，对指导实验研究作出了重大贡献。具有突破意义的进展要推1909和1915年努谢尔特两篇论文的贡献。他对强制对流和自然对流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析

7、获得了有关无量纲数之间的原则关系。开辟了在无量纲数原则关系正确指导下，通过实验研究求解对流换热问题的一种基本方法，有力地促进了对流换热研究的发展。1921年波尔豪森在流动边界层概念的启发下又引进了热边界层的概念。1930年他与施密特及贝克曼合作，成功地求解了竖壁附近空气的自然对流换热。1925年的普朗特比拟，1939年的卡门比拟以及1947年马丁纳利的引伸记录着早期发展的轨迹。由于湍流问题在应用上的重要性，湍流计算模型的研究随着对湍流机理认识的不断深化而蓬勃发展，逐渐发展成为传热学研究中的一个令人瞩目的热点。它也有力地推动着理论求解向纵深发展。还应该提到，在对流换热理论的近代发展中，麦克亚当、

8、贝尔特和埃克特先后作出了重要贡献。在热辐射的早期研究中，认识黑体辐射的重要意义并用人工黑体进行实验研究对于建立热辐射的理论具有重要作用。1889年卢默等人测得了黑体辐射光谱能量分布的实验数据。19世纪末斯蒂芬(J，Stefan)根据实验确立了黑体辐射力正比于它的绝对温度的四次方的规律，后来在理论上被玻耳兹曼所证实。这个规律被称为斯蒂芬玻耳兹曼定律。热辐射基础理论研究中的最大挑战在于确定黑体辐射的光谱能量分布。1896年维恩通过半理论半经验的方法推导出一个公式。这个公式虽然在短波段与实验比较符合，但在长波段则与实验显著不符。几年后，瑞利从理论上也推导出一个公式，此公式1905年又经过金斯改进，后

9、人称它为瑞利金斯公式。这个公式在长波段与实验结果比较符合而在短波段则与实验差距很大，而且随着频率的增高，辐射能量将增至无穷大，这显然是十分荒唐的。瑞利金斯公式在高频部分即紫外部分遇到了无法克服的因难，简直是理论上的一场灾难，因此被称为“紫外灾难”。“紫外灾难”的出现使人们强烈地意识到，原先以为已经相当完美的经典物理学理论确实存在着问题。问题的解决有赖于观念上新的突破。普朗克决心找到一个与实验结果相符的新公式。经过艰苦努力，他终于在1900年提出了个公式。其后的实验证实普朗克公式与实际情况在整个光谱段完全符合。在寻求这个公式的物理解释中，他大胆地提出了与经典物理学的连续性概念根本不同纳新假说，这

10、就是能量子假说。按照量子理论确立的普朗克定律正确地揭示了黑体辐射能量光谱分布的规律，奠定了热辐射理论的基础。1935年波略克借鉴商务结算提出的净辐射法，1954年霍特尔提出、1967年又加以改进的交换因子法以及1956年奥本亥姆提出的模拟网络法，是三种受到重视的计算方法。他们分别为完善此类复杂问题的计算方法作出了贡献。一百多年来，传热学研究者们对传热现象进行了广泛深入的研究，发表了大量的科学论著和研究报告，并出版了大量有价值的学术专著。研究成果在工业、农业、空间和生物技术等各个领域都有着广泛的应用，在提高传热效率、降低材料消耗和产品成本方面产生了重大的经济效益。总结和概括一下现有的工作，包括传

11、热学的基本概念和基本规律，指出存在的问题和今后的发展方向有着十分重要的意义总之，传热学本身是一门跨行业专业技术的基础性交叉学科，它是在数学(主要是微分方程理论)、热力学、流体力学和量子力学的基础上发展起来的，同时它还必须建立在实验的基础上。因此传热学的发展一方面依赖数学、热力学、流体力学和量子力学理论的进展，另一方面还需不断发展的科学测量技术来配合。三、现有传热学的困境及其突破历史总是向前发展的，尽管现有传热学具有坚实的理论基础，也取得了巨大成就，但新出现的现象已与现有的传热学体系产生了尖锐的矛盾，使现有的传热学理论捉襟见肘，暴露出其局限性。下面从几个方面来阐述。1. 现有传热学中的线性理论和

12、概念与非线性问题的矛盾自然界的系统都是非线性系统，传热学所要处理的问题都是非线性问题。众所周知，线性分析法是一种近似方法，长期以来，它被广泛地应用到对非线性问题的处理上。但是简单的线性近似方法不可能认识与非线性有关的特性。人们也只有对非线性系统了解以后，才能对线性分析方法的有效性作一评判。而到目前为止，人们对传热问题的分析方法绝大多数是线性分析法。例如傅里叶导热定理就是线性定律，尽管它在大多数情况下是实用的，但是在一些非线性和非平衡因素较强的场合已遇到了挑战。如对极非均匀材料以及在高速加热和冷却的场合它就不适用。此外目前的对流换热研究，均采用了准则关联式的概念，这实际也是一种线性近似。用线性的

13、方法来处理非线性的对象，这使得传统传热学的理论研究不时陷入尴尬的境地。2. 极端条件下的传热现象与常规传热理论的矛盾现有传热学是在处理常规现象的过程中发展起来的。高新技术的兴起，人类所涉足的领域与活动空间日益开拓，从而提出了很多极端条件下待解决的问题。极端条件下的传热具有很多与常规条件下不同的传热特性，并不能单靠常规的传热理论来解决。随着计算机的小型化和微型化，微尺度传热的研究成为高技术发展中又一个新兴前沿热点。计算机的高速化使芯片受超高频率的冲击，大功率短脉冲激光加工技术同样遇到了时间尺度以纳秒、皮秒，甚至飞秒计的超快速过程，并引。起所传输光子流能束与物质之间的相互作用问题。在这种超短促的高

14、频下，芯片、薄膜材料与基座中会出现波动导热，强化传播中的热量在固体内部的穿透深度。在航天技术中将遇到重力微尺度化而使自然对流严重削弱，以至于消失。这时会出现正常重力条件下不会出现的现象，如被称为“第二自然对流”的Marangoni流动以及反常多相流型等，这些必须用新的观点才能解释。3. 日益扩大的应用范围与现有传热学研究对象的矛盾社会的进步和经济的发展，使传热学的应用范围不断扩大，已远远突破了传热学的传统研究范围。环境、材料、生命等学科中均涉及到传热问题，环境传热是巨型尺度的问题，材料特别是高新技术材料中的传热问题是多因素的复合问题，生命科学中的传热是复杂系统问题。低温生物医学技术面临的是低温

15、下的传热问题。另外，食品原料的冷藏保鲜和生物制品的储备与储存也是传热学的研究范围。这些日益扩大的应用范围对现有传热学的应用渗透提供了广阔的新天地，也对传势学的研究提出了新的挑战。为了使传统的传热学研究走出目前低迷和徘徊的状态，传热学研究必须突破传统研究方法，从观念上、理论体系上来一次全面的变革，在研究思路、分析问题方式上开辟新路子，寻求新理论，吸取其他学科的最新研究成果，横向发展传热学; 在应用领域，既要在传统的工业继续研究，横向发展传热学，又要不断从高新技术产业中提炼课题，纵向发展传热学。传热学的未来发展必须从以下几个方面来考虑:(1)传热学的进一步发展需要创造性的理论思维。现有传热学的研究

16、对象以宏观现象为主，如传热量、温度和压力等都是宏观热力学参数。但是仅对这些宏观现象的认识远远满足不了日益发展的科学技术对该学科的要求。传热学的研究应从宏观到微观、从平均到瞬时、从现象分析到机理来进行研究。信息科学、生命科学、材料科学的飞速发展，为传热学的研究提出了许多新的课题，促进了许多新的传热分支，如分子传热学、微尺度传热学、生物传热学的出现和发展。传热学的研究内容应由传统的单一性向多样化转变。近年来迅猛发展的非线性科学，如耗散结构理论、协同学理论、突变理论、分形理论和混沌理论等都已被广泛地运用到传热学的研究中来。因此传热学的研究在方法上应由传统理论向多学科交叉开拓，这需要创造性的理论思维。

17、(2)传热学自诞生之日起，就属于实验科学的范畴，因此传热学的进一步发展仍离不开实验。高精度设备、先进的测量技术和控制方法的采用，研究手段逐步高新技术化。高新技术如光纤技术、激光、超声、电子等的发展为传热学的研究提供了先进的测试手段和分析方法，这使得深化传热学的研究成为可能。(3)计算技术的提高和大容量、高速计算机的出现，为传热学的发展提供了新的机遇。计算技术的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展。很多分析方法在各门学科的研究中，得到完善和发展。未来传热学的研究，应充分利用计算机进行数值模拟实验，这将是人们认识复杂现象的有效途径。利用计算机进行数值模拟，不但可用于研究已知的一些传热现象，而且可以发现新的传热现象。例如计算机对分子运动的成功模拟大大促进了分子传热学的发展，对微重力条件下传热现象的模拟促进了微重力热科学的诞生。四、总结在18世纪以前，人们就有冷暖、热量传递的概念，并积累了大量的实践经验，但这时传热学仍处于前科学阶段，还没有形成自己的理论和范式。随着工业革命的出现，大量工业应用问题的