传热学发展简史

在具体的回顾传热学的发展简史之前，我们首先来回答一下热是什么？

热是什么？自古以来就有不同的看法。十六世纪以后，热的本质的问题又引起了科学家和研究人员的注意。

“热”是一种运动？？

培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”，这种看法影响了许多科学家。

波义耳看到铁钉被捶击后会生热，想到铁钉内部产生了强烈的运动，所以认为热是“物体各部分发生强烈而杂乱的运动”；笛卡尔把热看作是物质粒子的一种旋转运动。胡克用显微镜观察了火花，认为热“并不是什么其他的东西，而是一个物体的各个部分的非常活跃和极其猛烈的运动。”牛顿也指出物体的粒子“因运动而发热”。洛克甚至还认识到“极度的冷是不可觉察的粒子的运动的停止”。

俄国学者罗蒙诺索夫在十八世纪四十年代提出了两篇关于物理学的论文，第一篇是关于热力学基础的，题为《关于热和冷的原因的思索》（1746）；第二篇是关于分子运动论的，题为《试论空气的弹力》（1748）。在这两篇论文中，罗蒙诺索夫提出了如下的见解：“热的充分根源在于运动”，即热是物质的运动，运动着的是物体内那些为肉眼所看不见的细小微粒；微粒本身是球状的，因为只有这样，固体变热时才能保持它的外形；热量从高温物体传给低温物体的原因，是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒造成的，而且给出的运动的量与接受的运动量相等，一物体使另一物体变热时，它自身便会变冷，这就肯定了运动守恒在热现象中的正确性；气体分子的运动呈现一种“混乱交错”的状态，是杂乱无规则的。

“热”是一种物质？？

但总的说来，热是运动的观点尚缺乏足够的实验根据，所以还不能形成为科学理论。随着古希腊原子论思想的复兴，热是某种特殊的物质实体的观点也得到流传。法国科学家和哲学家伽桑狄认为，运动着的原子是构成万物的最原始的、不可再分的世界要素，同样，热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的。它们非常细致，有球的形状，非常活泼，因而能渗透到一切物体之中。这个观念，把人们引向“热质说”。

波义耳也动摇于热的运动说和热质说之间。在考察放在真空容器中的一块炽热的铁可以使器壁感受到热的现象时，他认为这似乎只能用“热”自己传过来加以解释。波尔哈夫认为，热的本源是钻在物体细孔中的、具有高度可产塑性和贯穿性的物质粒子，它们没有重量，彼此间有排斥性，而且弥漫于全宇宙。1789年，拉瓦锡还将“热质”和“光”列入无机界二十三种“元素”之中。

布莱克是热质说的一个重要倡导者。他虽然相信最终会发生现热“将不是化学的，而是力学的”，但他又很难否定热质说。他觉得热是运动的学说还有不少困难。例如，如果说热是物质内部粒子的运动，那么密度大的物质由于其内部粒子吸引力强而不易振动，比热就应越大，但为何水银的比热反而比水的比热小呢？对于“潜热”，用粒子的机械运动更难作出解释。所以布莱克宣称他“不能形成这种内部振动的概念”，而采取了热是某种特殊物质的观点。

热质说简易地解释了当时发现的大部分热学现象：物体温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动，对流是载有热质的物体的流动，辐射是热质的传播；物体受热膨胀是因为热质粒子间的相互排斥；物质状态变化时的“潜热”是物持粒子与热质发生“准化学反应”的结果；摩擦或碰撞的生热现象，是同上于“潜热”被挤压出来以及物质的比热变小的结果；等等。由于热质的物质性，所以它也遵从物质守恒定律，这是混合量热法的理论根据。

在热质说观点的指导下，热学研究所取得的主要进展有：布莱克发现了比热和“潜热”；瓦特从理论上分析了旧蒸汽机的主要缺陷而引导他改进了蒸汽机；傅立叶依据这一物理图象建立了热传导理论；卡诺从热质传递的观点出发于十九世纪初提出了消耗从热源取得热量而得到功的理论。

热质说的成功，使人们相信它是一个正确的学说，从而压倒了热是运动的看法而在十八世纪到十九世纪初居于统治地位。

“热”还是一种运动？？

但是，到了十八世纪末，热质说受到了严重的挑战。1798年，出生于美国，后来加入英国国籍的物理学家本杰明·汤普逊即伦福德伯爵向英国皇家学会提出了一个报告，说他在慕尼黑监督炮筒钻孔工作时，注意到炮筒温度升高，钻削下的金属屑温度更高的现象，他提出了大量的热是从哪里来的这个问题。他在尽量作到绝热的条件下进行了一系列钻孔实验，比较了钻孔前后金属和碎屑的比热，发现钻磨不会改变金属的比热。他还用很钝的钻头钻炮筒，半小时后炮筒从60度F升温到130度F，金属碎屑只有五十多克，相当于炮筒质量的九百四十八分之一，这一小部分碎屑能够放出这么大的“潜热”吗？他在笔记中写道：“看来在这些实验中，由摩擦产生热的源泉是不可穷尽的。任何与外界隔绝的物体或物体系，能够无限制地提供出来的东西，决不可能是具体的物质实体；在我看来，在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作是‘运动’以外，似乎很难把它看作为其他任何东西。”

传热学是在18世纪30年代英国工业革命促进生产力发展的大背景下成长起来的。

导热和热对流两种基本热量传递方式早为人们所认识，但辐射作为一种热量传递方式直到，1803年以后才被确认。

1热量传递的三种方式

1.1导热

 对导热做出突出贡献的科学家主要有傅立叶（J.B.J.Fourier） 、毕渥（J.B. Biot）、兰贝特（ J.H. Lambert ）、戴维（H. Davy）、雷曼（ G.F.B.Riemann）、　　卡斯劳（ H.S.Carslaw)、耶格耳（ J.C.Jaeger）等。

1798年，C·伦福特向英国皇家学会提交了由炮筒实验得出的热的运动说的实验报告。1800年，D·戴维用真空中摩擦冰块使之溶化的实验支持了伦福特的报告。1801年，T·杨在《论光和色的理论》中，称光和热有相同的性质，强调了热是一种运动。从此，热的运动说开始逐步取代热质说。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。之后，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，现称为傅里叶定律，奠定了导热理论的基础。他从傅里叶定律和能量守恒定律推出的导热微分方程是导热问题正确的数学描写，成为求解大多数工程导热问题的出发点。他所提出的采用无穷级数表示理论解的方法开辟了数学求解的新途径。傅里叶被公认为导热理论的奠基人。在傅里叶之后，导热理论求解的领域不断扩大，许多学者作出了贡献，其中，雷曼、卡斯劳、耶格尔和亚科布等人的工作值得重视。

1.2对流

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。此方程在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。然而，由于方程式的复杂性，只有很少数简单流动能进行求解，发展遇到了困难。这种局面一直等到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之后才有改观。这个物理量群后被称为雷诺数。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。比单纯流动更为复杂的对流换热问题的理论求解进展不大。1881年洛仑兹自然对流的理论解，1885年格雷茨和1910年努谢尔特对于管内换热的理论解及1916年努谢尔特凝结换热理论解，分别对对流换热问题的发展作出了贡献，只是为数不多。具有突破意义的进展要数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新方法，有力地促进了对流换热研究的发展。考虑到量纲分析法在1914年才由白金汉提出，相似理论则在1931年才由基尔皮切夫等发表，努谢尔特的成果有其独创性。努谢尔特于是成为发展对流换热理论的杰出先驱。在微分方程的理论求解上，两个方面的进展发挥了重要作用。其一是普朗特于1904年提出的边界层概念。他认为，低粘性流体只有在横向速度梯度很大的区域内才有必要考虑粘性的影响，这个范围主要处在与流体接触的壁面附近，而其外的主流则可以当作无粘性流体处理。这是一个经过深思熟虑、切合实际的论断。在边界层概念的指导下，微分方程得到了合理的简化，有力地推动了理论求解的发展。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。数学家与传热学家合作，发挥各自的长处，成为科学研究史上成功合作的范例。其二是湍流汁算模型的发展。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。

1.3辐射

 在对热辐射的研究中，值得一提的是普朗克（M. Planck）及斯蒂芬（J.Stefan）与玻耳兹曼（L.Boltzmann）、基耳霍夫 （G. Kirchoff）、霍特尔（H.C. Hottel）等人。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。能量子假说认为，物体在发出辐射和吸收辐射时，能量不是连续地变化的，而是跳跃地变化的，即能量是一份一份地发射和一份地吸收的，每一份能量都有—定的数值，这些能量单元称为“量子”。科学发展的道路往往是曲折的。普朗克公式因为缺乏理论依据而在当时不为人们所接受。普朗克本人对他的新假设认识上也有反复。只有在1905年爱因斯坦的光量子研究得到公认后，普朗克公式才为人们所接受。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。在物体之间的辐射热量交换方面有两个重要的理论问题。其一是物体的发射率与吸收比之间的关系问题。1859和1860年基尔霍夫的两篇论文提供了解答。虽然他在1860年论文中的证明是针对单色和偏振辐射的，然而它的重要意义正在于对全光谱辐射的推广。其二是物体间辐射换热的计算方法。由于物体之间的辐射换热是一个无穷反射逐次削弱的复杂物理过程，计算方法的研究有其特殊的重要意义。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。

    除了上述按基本热量传递方式的发展以外，测量新技术、计算机、激光技术等新技术引入实验研究，对传热学的发展也发挥了重要作用。还要特别提到的是，由于计算机的迅速发展，用数值方法对传热问题的分析研究取得了重大进展，在20世纪70年代已经形成一个新兴分支一数值传热学。近年来，数值传热学得到了蓬勃的发展，显示出它的巨大活力。

从以上发展简史可以看出，传热学已经发展成为一门理论体系初具和发展充满活力的基础学科。它在生产发展的推动下成长。同时，它的建立和发展反过来又促进生产的进步发展。

2传热学的研究方法

2.1分析解法

步骤：

1)进行合理的物理假设

2)建立所研究物理问题的数学描写

3)用理论推导的方法获得问题的解析解

应用：

检验其他解法(如数值解)的正确性。可求解导热及简单的对流问题(如外掠平板的边界层层流对流换热、管内层流强制对流换热等）

注意：

因为分析解所研究的是连续函数，所以它的结果是精确的。但分析解法只能获得一些简单情况下物理问题的解，对大多数问题来说目前还无法获得精确解的。

2.2数值解法

数值解法是随着计算机技术的发展而日益广泛的一种研究方法。它与分析解法相比，有一个共同的出发点，那就是都要在对物理问题进行简化假设后，获得问题的数学描写。然后对该问题进行区域的离散和方程的离散，将数学上复杂的偏微分方程转化为计算机擅长求解的代数方程，通过一定的判据获得收敛的空间和时间上的离散解。显然，与分析解相比，数值解的结果是离散而不是连续的。数值解的准确性不仅取决于所获得的数学描写的正确合理性，而且还取决于所采用的计算方法的有效性。

目前在数值传热学界所采用的方法有很多，主要有有限差分法、有限元法、有限分析法、边界元法等等。各种数值方法的根本区别主要在区域离散和方程离散处理方法的不同，其基本思想大致可描述为：把原来在时间和空间坐标中连续的物理量场（如速度场、温度场、浓度场等），用有限个离散点上的值的集合来代替，按一定方式建立起关于这些值的代数方程并求解之。随着计算机技术的不断发展，传热与流动问题的数值解法越来越成为解决实际问题的重要工具之一，在国际上已出现了许多大型的商用软件，比较著名的有英国CHAM公司的PHOENICS，美国FLUENT公司的FLUENT，英国AEA Technology的CFX，美国Flow Science公司的FLOW-3D，英国Computatioal Dynamics公司的STAR-CD等。

2.3实验解法

通常，描述传热与流动问题的微分方程是一组复杂的非线性偏微分方程，有的复杂物理问题甚至暂时无法得出正确描述其本质的微分方程，此时分析解法和数值解法无能为力，而实验解法有无可比拟的作用。“实践是检验真理的唯一标准”。数值解的正确与否可以用实验值来检验。但与分析解法和数值解法相比，实验解法常常需要付出较多的人力、物力和财力。另外，对于存在许多复杂影响因素的物理现象，要找出众多变量之间的关系，实验的次数必然十分庞大。为大大减少实验次数，使有限的人力、物力和财力用在"刀刃"上，在大多数场合（尤其是对流换热方面），必须在相似原理的指导下进行实验。使个别实验得出的结果上升到代表整个相似组的地位。

2．4比拟解法

传热学的其他研究方法还有比拟解法等。其实质是根据两种物理现象间在数学描写上的相似性从而得出问题的解的方法。如导热部分的热电模拟，就是利用热现象和电现象之间的相似；热质比拟，就是利用传热与传质现象之间的相似；用比拟理论还可以获得湍流对流换热的近似解，就是利用湍流中的热量传递和流动阻力之间存在的相似性。