传热学的发展历史及其现状

传热学的发展历史及其现

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Prepared on 22 November 2020

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着和研究报告，并出版了大量有价值的学术专着，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年发表了他的着名论着“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、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着不符。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着和研究报告，并出版了大量有价值的学术专着。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