傳熱學發展史

傳熱學發展簡史

在具體的回顧傳熱學的發展簡史之前，我們首先來回答一下熱是什麼？

熱是什麼？自古以來就有不同的看法。十六世紀以後，熱的本質的問題又引起了科學家和研究人員的注意。

「熱」是一種運動？？

培根從摩擦生熱等現象中得出「熱是一種膨脹的、被約束的而在其鬥爭中作用於物體的較小粒子之上的運動」，這種看法影響了許多科學家。

波義耳看到鐵釘被捶擊後會生熱，想到鐵釘內部產生了強烈的運動，所以認為熱是「物體各部分發生強烈而雜亂的運動」；笛卡爾把熱看作是物質粒子的一種旋轉運動。胡克用顯微鏡觀察了火花，認為熱「並不是什麼其他的東西，而是一個物體的各個部分的非常活躍和極其猛烈的運動。」牛頓也指出物體的粒子「因運動而發熱」。洛克甚至還認識到「極度的冷是不可覺察的粒子的運動的停止」。

俄國學者羅蒙諾索夫在十八世紀四十年代提出了兩篇關於物理學的論文，第一篇是關於熱力學基礎的，題為《關於熱和冷的原因的思索》（1746）；第二篇是關於分子運動論的，題為《試論空氣的彈力》（1748）。在這兩篇論文中，羅蒙諾索夫提出了如下的見解：「熱的充分根源在於運動」，即熱是物質的運動，運動著的是物體內那些為肉眼所看不見的細小微粒；微粒本身是球狀的，因為只有這樣，固體變熱時才能保持它的外形；熱量從高溫物體傳給低溫物體的原因，是由於高溫物體中的微粒把運動傳給低溫物體中的微粒造成的，而且給出的運動的量與接受的運動量相等，一物體使另一物體變熱時，它自身便會變冷，這就肯定了運動守恆在熱現象中的正確性；氣體分子的運動呈現一種「混亂交錯」的狀態，是雜亂無規則的。

「熱」是一種物質？？

但總的說來，熱是運動的觀點尚缺乏足夠的實驗根據，所以還不能形成為科學理論。隨著古希臘原子論思想的復興，熱是某種特殊的物質實體的觀點也得到流傳。法國科學家和哲學家伽桑狄認為，運動著的原子是構成萬物的最原始的、不可再分的世界要素，同樣，熱和冷也都是由特殊的「熱原子」和「冷原子」引起的。它們非常細緻，有球的形狀，非常活潑，因而能滲透到一切物體之中。這個觀念，把人們引向「熱質說」。

波義耳也動搖於熱的運動說和熱質說之間。在考察放在真空容器中的一塊熾熱的鐵可以使器壁感受到熱的現象時，他認為這似乎只能用「熱」自己傳過來加以解釋。波爾哈夫認為，熱的本源是鑽在物體細孔中的、具有高度可產塑性和貫穿性的物質粒子，它們沒有重量，彼此間有排斥性，而且瀰漫於全宇宙。1789年，拉瓦錫還將「熱質」和「光」列入無機界二十三種「元素」之中。

布萊克是熱質說的一個重要倡導者。他雖然相信最終會發生現熱「將不是化學的，而是力學的」，但他又很難否定熱質說。他覺得熱是運動的學說還有不少困難。例如，如果說熱是物質內部粒子的運動，那麼密度大的物質由於其內部粒子吸引力強而不易振動，比熱就應越大，但為何水銀的比熱反而比水的比熱小呢？對於「潛熱」，用粒子的機械運動更難作出解釋。所以布萊克宣稱他「不能形成這種內部振動的概念」，而採取了熱是某種特殊物質的觀點。

熱質說簡易地解釋了當時發現的大部分熱學現象：物體溫度的變化是吸收或放出熱質引起的；熱傳導是熱質的流動，對流是載有熱質的物體的流動，輻射是熱質的傳播；物體受熱膨脹是因為熱質粒子間的相互排斥；物質狀態變化時的「潛熱」是物持粒子與熱質發生「准化學反應」的結果；摩擦或碰撞的生熱現象，是同上於「潛熱」被擠壓出來以及物質的比熱變小的結果；等等。由於熱質的物質性，所以它也遵從物質守恆定律，這是混合量熱法的理論根據。

在熱質說觀點的指導下，熱學研究所取得的主要進展有：布萊克發現了比熱和「潛熱」；瓦特從理論上分析了舊蒸汽機的主要缺陷而引導他改進了蒸汽機；傅立葉依據這一物理圖象建立了熱傳導理論；卡諾從熱質傳遞的觀點出發於十九世紀初提出了消耗從熱源取得熱量而得到功的理論。

熱質說的成功，使人們相信它是一個正確的學說，從而壓倒了熱是運動的看法而在十八世紀到十九世紀初居於統治地位。

「熱」還是一種運動？？

但是，到了十八世紀末，熱質說受到了嚴重的挑戰。1798年，出生於美國，後來加入英國國籍的物理學家本傑明·湯普遜即倫福德伯爵向英國皇家學會提出了一個報告，說他在慕尼黑監督炮筒鑽孔工作時，注意到炮筒溫度升高，鑽削下的金屬屑溫度更高的現象，他提出了大量的熱是從哪裡來的這個問題。他在盡量作到絕熱的條件下進行了一系列鑽孔實驗，比較了鑽孔前後金屬和碎屑的比熱，發現鑽磨不會改變金屬的比熱。他還用很鈍的鑽頭鑽炮筒，半小時後炮筒從60度F升溫到130度F，金屬碎屑只有五十多克，相當於炮筒質量的九百四十八分之一，這一小部分碎屑能夠放出這麼大的「潛熱」嗎？他在筆記中寫道：「看來在這些實驗中，由摩擦產生熱的源泉是不可窮盡的。任何與外界隔絕的物體或物體系，能夠無限制地提供出來的東西，決不可能是具體的物質實體；在我看來，在這些實驗中被激發出來的熱，除了把它看作是『運動』以外，似乎很難把它看作為其他任何東西。」

傳熱學是在18世紀30年代英國工業革命促進生產力發展的大背景下成長起來的。

導熱和熱對流兩種基本熱量傳遞方式早為人們所認識，但輻射作為一種熱量傳遞方式直到，1803年以後才被確認。

1熱量傳遞的三種方式1.1導熱

 對導熱做出突出貢獻的科學家主要有傅立葉（J.B.J.Fourier）、畢渥（J.B. Biot）、蘭貝特（J.H. Lambert）、戴維（H. Davy）、雷曼（G.F.B.Riemann）、　　卡斯勞（H.S.Carslaw)、耶格耳（J.C.Jaeger）等。

1798年，C·倫福特向英國皇家學會提交了由炮筒實驗得出的熱的運動說的實驗報告。1800年，D·戴維用真空中摩擦冰塊使之溶化的實驗支持了倫福特的報告。1801年，T·楊在《論光和色的理論》中，稱光和熱有相同的性質，強調了熱是一種運動。從此，熱的運動說開始逐步取代熱質說。19世紀初，蘭貝特、畢渥和傅里葉都從固體一維導熱的實驗研究入手開展了研究。1804年畢渥根據實驗提出了一個公式，認為每單位時間通過每單位面積的導熱熱量正比例於兩側表面溫差，反比例於壁厚，比例係數是材料的物理性質。這個公式提高了對導熱規律的認識，只是粗糙了一點。之後，傅里葉在進行實驗研究的同時，十分重視數學工具的運用，很有特色。他從理論解與實驗的對比中不斷完善他的理論公式，取得的進展令人矚目。（1807年他提出了求解場微分方程的分離變數法和可以將解表示成一系列任意函數的概念，得到學術界的重視。1812年法國科學院以「熱量傳遞定律的數學理論及理論結果與精確實驗的比較」為題設項競獎。）經過努力，傅里葉於1822年發表了他的著名論著「熱的解析理論」，成功地完成了創建導熱理論的任務。他提出的導熱定律正確概括了導熱實驗的結果，現稱為傅里葉定律，奠定了導熱理論的基礎。他從傅里葉定律和能量守恆定律推出的導熱微分方程是導熱問題正確的數學描寫，成為求解大多數工程導熱問題的出發點。他所提出的採用無窮級數表示理論解的方法開闢了數學求解的新途徑。傅里葉被公認為導熱理論的奠基人。在傅里葉之後，導熱理論求解的領域不斷擴大，許多學者作出了貢獻，其中，雷曼、卡斯勞、耶格爾和亞科布等人的工作值得重視。

1.2對流

流體流動的理論是對流換熱理論的必要前提。1823年納維提出的流動方程可適用於不可壓縮性流體。此方程在1845年經斯托克斯改進為納維—斯托克斯方程，完成了建立流體流動基本方程的任務。然而，由於方程式的複雜性，只有很少數簡單流動能進行求解，發展遇到了困難。這種局面一直等到1880年雷諾提出了一個對流動有決定性影響的無量綱物理量群之後才有改觀。這個物理量群後被稱為雷諾數。在1880至1883年間雷諾進行了大量實驗研究，發現管內流動層流向湍流的轉變發生在雷諾數的數值為1800至2000之間，澄清了實驗結果之間的混亂，對指導實驗研究作出了重大貢獻。比單純流動更為複雜的對流換熱問題的理論求解進展不大。1881年洛侖茲自然對流的理論解，1885年格雷茨和1910年努謝爾特對於管內換熱的理論解及1916年努謝爾特凝結換熱理論解，分別對對流換熱問題的發展作出了貢獻，只是為數不多。具有突破意義的進展要數1909和1915年努謝爾特兩篇論文的貢獻。他對強制對流和自然對流的基本微分方程及邊界條件進行量綱分析獲得了有關無量綱數之間的原則關係。開闢了在無量綱數原則關係正確指導下，通過實驗研究求解對流換熱問題的一種新方法，有力地促進了對流換熱研究的發展。考慮到量綱分析法在1914年才由白金漢提出，相似理論則在1931年才由基爾皮切夫等發表，努謝爾特的成果有其獨創性。努謝爾特於是成為發展對流換熱理論的傑出先驅。在微分方程的理論求解上，兩個方面的進展發揮了重要作用。其一是普朗特於1904年提出的邊界層概念。他認為，低粘性流體只有在橫向速度梯度很大的區域內才有必要考慮粘性的影響，這個範圍主要處在與流體接觸的壁面附近，而其外的主流則可以當作無粘性流體處理。這是一個經過深思熟慮、切合實際的論斷。在邊界層概念的指導下，微分方程得到了合理的簡化，有力地推動了理論求解的發展。1921年波爾豪森在流動邊界層概念的啟發下又引進了熱邊界層的概念。1930年他與施密特及貝克曼合作，成功地求解了豎壁附近空氣的自然對流換熱。數學家與傳熱學家合作，發揮各自的長處，成為科學研究史上成功合作的範例。其二是湍流汁算模型的發展。1925年的普朗特比擬，1939年的卡門比擬以及1947年馬丁納利的引伸，記錄著早期發展的軌跡。由於湍流問題在應用上的重要性，湍流計算模型的研究隨著對湍流機理認識的不斷深化而蓬勃發展，逐漸發展成為傳熱學研究中的一個令人矚目的熱點。它也有力地推動著理論求解向縱深發展。還應該提到，在對流換熱理論的近代發展中，麥克亞當、貝爾特和埃克特先後作出了重要貢獻。

1.3輻射

 在對熱輻射的研究中，值得一提的是普朗克（M. Planck）及斯蒂芬（J.Stefan）與玻耳茲曼（L.Boltzmann）、基耳霍夫（G. Kirchoff）、霍特爾（H.C. Hottel）等人。在熱輻射的早期研究中，認識黑體輻射的重要意義並用人工黑體進行實驗研究對於建立熱輻射的理論具有重要作用。1889年盧默等人測得了黑體輻射光譜能量分布的實驗數據。19世紀末斯蒂芬(J，Stefan)根據實驗確立了黑體輻射力正比於它的絕對溫度的四次方的規律，後來在理論上被玻耳茲曼所證實。這個規律被稱為斯蒂芬—玻耳茲曼定律。熱輻射基礎理論研究中的最大挑戰在於確定黑體輻射的光譜能量分布。1896年維恩通過半理論半經驗的方法推導出一個公式。這個公式雖然在短波段與實驗比較符合，但在長波段則與實驗顯著不符。幾年後，瑞利從理論上也推導出一個公式，此公式1905年又經過金斯改進，後人稱它為瑞利—金斯公式。這個公式在長波段與實驗結果比較符合而在短波段則與實驗差距很大，而且隨著頻率的增高，輻射能量將增至無窮大，這顯然是十分荒唐的。瑞利—金斯公式在高頻部分即紫外部分遇到了無法克服的因難，簡直是理論上的一場災難，因此被稱為「紫外災難」。「紫外災難」的出現使人們強烈地意識到，原先以為已經相當完美的經典物理學理論確實存在著問題。問題的解決有賴於觀念上新的突破。普朗克決心找到一個與實驗結果相符的新公式。經過艱苦努力，他終於在1900年提出了—個公式。其後的實驗證實普朗克公式與實際情況在整個光譜段完全符合。在尋求這個公式的物理解釋中，他大膽地提出了與經典物理學的連續性概念根本不同納新假說，這就是能量子假說。能量子假說認為，物體在發出輻射和吸收輻射時，能量不是連續地變化的，而是跳躍地變化的，即能量是一份一份地發射和一份地吸收的，每一份能量都有—定的數值，這些能量單元稱為「量子」。科學發展的道路往往是曲折的。普朗克公式因為缺乏理論依據而在當時不為人們所接受。普朗克本人對他的新假設認識上也有反覆。只有在1905年愛因斯坦的光量子研究得到公認後，普朗克公式才為人們所接受。按照量子理論確立的普朗克定律正確地揭示了黑體輻射能量光譜分布的規律，奠定了熱輻射理論的基礎。在物體之間的輻射熱量交換方面有兩個重要的理論問題。其一是物體的發射率與吸收比之間的關係問題。1859和1860年基爾霍夫的兩篇論文提供了解答。雖然他在1860年論文中的證明是針對單色和偏振輻射的，然而它的重要意義正在於對全光譜輻射的推廣。其二是物體間輻射換熱的計算方法。由於物體之間的輻射換熱是一個無窮反射逐次削弱的複雜物理過程，計算方法的研究有其特殊的重要意義。1935年波略克借鑒商務結算提出的凈輻射法，1954年霍特爾提出、1967年又加以改進的交換因子法以及1956年奧本亥姆提出的模擬網路法，是三種受到重視的計算方法。他們分別為完善此類複雜問題的計算方法作出了貢獻。

除了上述按基本熱量傳遞方式的發展以外，測量新技術、計算機、激光技術等新技術引入實驗研究，對傳熱學的發展也發揮了重要作用。還要特別提到的是，由於計算機的迅速發展，用數值方法對傳熱問題的分析研究取得了重大進展，在20世紀70年代已經形成一個新興分支一數值傳熱學。近年來，數值傳熱學得到了蓬勃的發展，顯示出它的巨大活力。

從以上發展簡史可以看出，傳熱學已經發展成為一門理論體系初具和發展充滿活力的基礎學科。它在生產發展的推動下成長。同時，它的建立和發展反過來又促進生產的進步發展。

2傳熱學的研究方法2.1分析解法

步驟：

1)進行合理的物理假設

2)建立所研究物理問題的數學描寫

3)用理論推導的方法獲得問題的解析解

應用：

檢驗其他解法(如數值解)的正確性。可求解導熱及簡單的對流問題(如外掠平板的邊界層層流對流換熱、管內層流強制對流換熱等）

注意：

因為分析解所研究的是連續函數，所以它的結果是精確的。但分析解法只能獲得一些簡單情況下物理問題的解，對大多數問題來說目前還無法獲得精確解的。

2.2數值解法

數值解法是隨著計算機技術的發展而日益廣泛的一種研究方法。它與分析解法相比，有一個共同的出發點，那就是都要在對物理問題進行簡化假設後，獲得問題的數學描寫。然後對該問題進行區域的離散和方程的離散，將數學上複雜的偏微分方程轉化為計算機擅長求解的代數方程，通過一定的判據獲得收斂的空間和時間上的離散解。顯然，與分析解相比，數值解的結果是離散而不是連續的。數值解的準確性不僅取決於所獲得的數學描寫的正確合理性，而且還取決於所採用的計算方法的有效性。

目前在數值傳熱學界所採用的方法有很多，主要有有限差分法、有限元法、有限分析法、邊界元法等等。各種數值方法的根本區別主要在區域離散和方程離散處理方法的不同，其基本思想大致可描述為：把原來在時間和空間坐標中連續的物理量場（如速度場、溫度場、濃度場等），用有限個離散點上的值的集合來代替，按一定方式建立起關於這些值的代數方程並求解之。隨著計算機技術的不斷發展，傳熱與流動問題的數值解法越來越成為解決實際問題的重要工具之一，在國際上已出現了許多大型的商用軟體，比較著名的有英國CHAM公司的PHOENICS，美國FLUENT公司的FLUENT，英國AEA Technology的CFX，美國Flow Science公司的FLOW-3D，英國Computatioal Dynamics公司的STAR-CD等。

2.3實驗解法

通常，描述傳熱與流動問題的微分方程是一組複雜的非線性偏微分方程，有的複雜物理問題甚至暫時無法得出正確描述其本質的微分方程，此時分析解法和數值解法無能為力，而實驗解法有無可比擬的作用。「實踐是檢驗真理的唯一標準」。數值解的正確與否可以用實驗值來檢驗。但與分析解法和數值解法相比，實驗解法常常需要付出較多的人力、物力和財力。另外，對於存在許多複雜影響因素的物理現象，要找出眾多變數之間的關係，實驗的次數必然十分龐大。為大大減少實驗次數，使有限的人力、物力和財力用在"刀刃"上，在大多數場合（尤其是對流換熱方面），必須在相似原理的指導下進行實驗。使個別實驗得出的結果上升到代表整個相似組的地位。

2．4比擬解法

傳熱學的其他研究方法還有比擬解法等。其實質是根據兩種物理現象間在數學描寫上的相似性從而得出問題的解的方法。如導熱部分的熱電模擬，就是利用熱現象和電現象之間的相似；熱質比擬，就是利用傳熱與傳質現象之間的相似；用比擬理論還可以獲得湍流對流換熱的近似解，就是利用湍流中的熱量傳遞和流動阻力之間存在的相似性。

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