第01次课J-及导热理论基础绪论.doc

绪论 传热学是研究由温度差异引起的热量传递过程的科学。尽管传热现象司空见惯，但是直到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。 一、近40年内世界科技领域的重大事件及其对传热学研究的影响 1、70年代的世界能源危机促进了强化传热的研究 人们尽力减少石油与其它二次能源的消耗，客观上极大地促进了强化传热技术的研究——其实质是探求在消耗一定的能量条件下尽可能多地传递为某种过程所需的热量。研究传热学的主要任务是（1）热绝缘；（2）强化传热；（3）温度控制 2、核能工程的发展促进了多相流传热研究的蓬勃兴起 为了保证核反应堆的合理设计以及安全运行，气液两相流与传热的研究才进入蓬勃发展的时期。 3、电子器件冷却技术发展为传热学提供了许多强化换热的实例 电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率的增加极其迅速。由于功率不断增加，使电子器件的冷却成为目前IT 工业的瓶颈问题之一，由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因，电子器件冷却技术的研究广泛受到重视。 4、计算机与信息产业的发展为数值模拟研究提供了坚实基础 5、航天航空事业的发展增强了辐射换热、超级绝热材料和热管的研究 世界航天事业的兴起大大促经了传热学的发展：从火箭发动机与叶片的冷却技术，空间飞行时航天器的热控制，到重返大气层时的热防护等一系列与传热学有关的研究均取得了长足的进步。 6、全球日益严重的环境问题对传热学研究内容的影响 世界经济的迅速发展给全球环境造成了严重的损害：南极臭氧层空洞日益扩大，全球变暖、气温上升、物种灭绝加速等。 7、可持续发展战略及新能源与可再生能源的开发与传热学的关系 要有效合理地利用太阳能以及其他能源（例如地热），传热学在其中可以发挥重大的作用。空调系统节能程度成为全世界空调厂商吸引顾客的一个重要指标，由此使家用空调中的两器—冷凝器与蒸发器传热强化的研究呈现常兴不衰的势头。 8、MEMS技术与纳米技术的兴起对传热学的影响 上世纪末随着许多高新技术的发展，涌现出了很多空间上微细化（从毫米级到微米，从微米到纳米）以及时间上的极短暂热量传递过程，出现了微机电系统技术（MEMS）、纳米技术以及激光脉冲加热、激光武器等新技术，由此为传热学开辟了一个崭新的领域—微米纳米传热学，使传热学的研究范围从空间到时间均跨越了20数量级（见图1，2）。由此引起的对传热学发展的长期影响目前还难以完全估量。 图1 传热学研究问题跨越的空间尺度范围 图2 传热学研究问题跨越的时间尺度范围 二、现有的传热学理论的局限性 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。 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。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，，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 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。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 目前，传热学作为研究热量与物质在势差作用下传递规律的应用技术基础学科，它的主要应用领域已从传统的能源动力工程拓展到许多高新技术领域，时空尺度的微小化、认识层面的基础和微观化起着重要乃至关键作用，并且传热传质学研究与现代高新技术发展和新世纪科学技术走向紧密联系，集中表现在：航天技术、微机电、微电子技术、微型动力和推进技术、环境工程、生命科学与生物工程、燃料电池、纳米科技等现代高新技术领域的热质传递规律研究日益受科研工作者和工程技术人员的关注；由于计算机高集成、高速度和大容量芯片技术所遇到散热瓶颈，强化传热的方案和思路呈紧凑化和微细化发展态势，微纳米尺度传热传质研究势头强劲；理论研究和实验技术研究走向基础化，重视揭示物理本质，理论与技术应用愈加紧密联系；学科交叉与技术融合产生的诸多潜在方向和领域，在时机成熟的孕育中势必开拓出崭新的视野。 其主导方向包括： ① 新型材料中有／无相变的热传导；② 单相与两