第一章 绪论
传热学是研究由温度差引起的热量传递规律的一门科学。
几乎所有的工程领域都会遇到一些在特定条件下的传热问题，甚至伴随传质同时发生的复杂传热问题。例如，热工和化工技术人员在评价锅炉、制冷机、换热器和反应器等各类动力装置的设备大小、能力和技术经济指标时，就必须进行详细的传热分析：一些工作在高温环境中的部件，如燃气轮机的透平叶片和燃烧室火焰筒能否在设计工况下正常、长期地运行，将取决于保护金属结构材料的冷却措施性能是否可靠、合适，还必须重视热应力和由此引起的变等问题；许多新兴技术装备，如原子反应堆的堆芯、大功率火箭的喷管、集成的电子器件，以及要求重返地面的航天飞行器等，成功的设计都必须严密控制传热情况，维持合理的预期工作温度；即便对于电机、变压器和轴承等普通装置，在连续工作中同样要防止因超温过热而损伤设备；在机械制造工艺方面，不仅热加工直接牵涉到温度分布和随时间变化速率的控制问题，精密机床在切削加工过程中的切削速度也会引起刀具和工件的发热，影响加工精度和刀具寿命；在航空技术领域，提高涡轮前燃气温度是增加航空发动机推重比、减少燃油消耗的重要措施，随之带来的发动机热端部件的强化冷却以及发动机排气系统的红外辐射抑制等关键技术需要不断研究和突破。所有这些列举的传热问题，归纳起来不外有两种类型：一类是着眼于传热速率的大小及其控制问题，或者增强传热、缩小设备尺寸以提高生产能力，或者削弱传热、避免散热损失以保持设备正常运行的温度控制；另一类则着眼于温度分布及其控制问题。要解决这些问题，都需要以传热学理论为支撑。
近些年来，能源、环境、材料、信息和空间等现代科学技术的进步给传热学学科提出了许多新的研究课题。诸如太阳能、地热能等新能源开发利用中的产热、蓄热和放热问题；空间技术中的微重力场下的传热问题；材料技术中的微尺度传热问题。这些现代科学技术的发展同时也推动了传热学学科的不断发展，促进传热学的理论体系日趋完善，内容不断充实，研究手段也更加完备。可以说传热学是现代技术科学中充满活力的主要基础学科之一。
本书是为了适应研究生高等传热学课程教学而编著的。在编著本书时，主要基于以下几点思考：
（1）在内容上注意与本科阶段传热学课程的过渡衔接，巩固并加深对传热学基本知识的
理解和掌握，形成清晰的基本概念。
传热学是一门与工程实际结合紧密的学科，基本概念较多，分析问题时又常常灵活多变。在多年的教学和科研工作中发现，许多同学独立运用传热学基础知识解决工程实际问题的能力显得比较欠缺；而且很多同学在分析具体的传热现象时，往往暴露出基本概念模糊和基本知识不扎实的问题，甚至存在一些基本知识方面的错误概念。因此本教材在内容上注意与本科阶段传热学学习内容的过渡衔接，针对一些实际的传热问题，启迪学生运用传热学基本知识进行分析问题和解决问题的能力，并且在这种训练过程中巩固并加深学生对传热学基本知识的理解和掌握，形成清晰的基本概念。
（2）尽量把握好教学内容的深度和广度，严格遵循过程的物理模型，着重启示工程应用和分析研究的基本观点和方法。
传热学作为一门系统的科学，在它的形成和发展的历史中，有许多值得我们思索的现象和方法论。有些问题在本科教学中尚无法展开，譬如导热理论中关于热流密度与温度梯度之间本构关系的发展与非傅里叶效应现象；扩展表面一维导热假定的充分必要条件；蒙古性耗散的物理意义；流动和对流换热的相似解；湍流对流换热；质量、动量和热量传递的类比律及其应用；发射率与吸收率之间内在联系的一般表达式；辐射换热角系数的适定性等。因此在本科阶段学习的基础上，循序渐进地深化传热基本理论，阐明一些比较深入的传热分析和计算方法，特别是培养分析问题的能力，即如何通过一些合理的假定，把一个较复杂的物理模型予以简化，从而得到数学模型，进而预测或判断趋向，分析影响传热过程的各种因素。
（3）在特色上更强调对传热过程的物理模型和机理的认识，尽量避免烦琐的数学分析解法的叙述。
在传热学的发展过程中，理论分析解法对解决很多工程问题发挥了极其重要的作用，在目前仍不失为解决传热问题的一个有效手段。分析解法（又称精确解法）是以数学分析为基础，通过求解控制方程，获得用函数形式表示的温度分布。但是，分析解局限于求解比较简单的问题，对于几何形状复杂，变物性或复杂边界条件等问题，分析解往往很烦琐甚至难以获得。随着数值传热学的发展，用数值模拟的方法来解决复杂的传热问题正起到越来越重要的作用。在这种趋势下，我们对高等传热学的教学内容进行了调整，较大幅度地删减了一些烦琐的数学分析解法的叙述。在广泛借鉴国内外相关的高等传热学著作的基础上，特别连选了清华大学罗棣庵教授编著的《传热应用与分析》的部分内容加以充实，以期使得本教材更强调对过程的物理模型和机理的阐述。
1-1 传热研究的进展与展望
王补宣院士是我国传热学科的奠基人。这里我们节选《面向二十一世纪热科学研究一一庆贺玉补宣院士七十五寿辰论文集》中王补宣院士撰写的我国传热研究的进展与展望一文，对传热学在我国的兴起与发展，特别是在20世纪后期的主要进展进行简要的综合国顾，将有助于展望未来，为迎接21世纪的传热学科的发展机遇做好准备。
1-1-1 传热学的开拓是经济和社会发展的需要
自然界到处存在着温度差异和物质多样性与不均匀分布，这是地球生物圈内大气环流和能量自发传递的根本动力。传热学所研究的，是由温度差异引起的能量传递过程，包括有相变、物理或化学反应以及因组分浓度差异伴随发生物质迁移时的传热过程。随着生产的发展，现代工程设计和工艺过程中，经常遇到有关加热、冷却、蒸发、凝结、熔化、凝固、隔热保温等各种各样的实际问题，使传热学迅速发展为当今技术科学中了解各种热物理现象和创新相应技术的主要基础学科，高温部件保护性冷却和干燥的技术进展充实了有传质耦合的传热学内涵。物质存在是千姿百态的，物质世界是多样的，而热只是物质运动形态之一，归属于物质分子无序运动的低位能量，其特征量为宏观统计性的温度高低。在改造客观世界的生产斗争中，势必会遇到热量传递的同时出现能的形式之间转化的复杂过程。于是，广义的传热学科被看作能量传递学。这当然与能源、动力开发和节约利用密切相关。传热学还和材料的冶炼、熔铸与加工，核能利用与航天动力及热控制，信息器件的温控，生物技术与生物医学工程，环境净化与生态维护、农业工程化以及军事现代化等不同领域都有所关联。特别是当今高科技的迅猛发展，面临着温度场、速度场、浓度场、电磁场、光场、声场、化学势场等各种场相互耦合下的传热过程和温度控制问题。而计算机的逐渐普及，计算方法和激光、红外等测试技术的持续改进，丰富了传热传质的研究手段，加快了研究进程。
研究传热传质的基本规律及其具体应用，计算给定条件下的传热传质的速率及其控制，寻求传热强化和削弱的技术途径，是传热学研究的主要任务。要求传热分析细微化和传热计算精确化，包括发现新的影响因素及其作用机理，不断完善学科体系，则是发展方向。日新月异的高科技开拓，使科学与技术的传统界线逐渐模糊，学科的人为分割和分化局面受到挑战，正在促进不同学科之间的交叉和趋于新的组合与重整，形成新的学科前沿。传热学必须迎接挑战，抓住机遇，为改造自然环境、造福人类社会和促进我国经济发展与建设做出新的贡献。
1-1-2 能源动力是推动传热学进取的传统领域
能源、材料和信息号称现代文明的三大支柱。材料，包括信息材料的制备与加工，需要能源供应的支撑，而材料与信息技术的发展又在改变着资源开发与利用的面貌。能源是为现代生产活动提供粮食气随着工农业规模的发展，传热学只是在20世纪初才从物理学的热学部分独立出来而形成专门的学科，开始自成体系地开拓与发展，以适应扩大能源供应量、提高能源利用效率和节约能源消耗的需要。
能源是我国经济和社会发展的战略重点。20世纪50年代初我国就把电力和交通列为两大先行官。20世纪80年代以来的20多年间，在动力设备的大型化、核动力开发与安全性研究、飞行器的发射与回收以及热设备的节能等多方面积极开展了导热、对流、辐射和复杂几何形状及复杂边界条件藕合的传热过程的基础和应用研究，开拓了诸如流动沸腾、热流体学、强化传热、热管、气膜冷却等的研究。但在粗放型经济增长方式下我国能源利用效率只是从1980年的28%提高到1995年的32%，仍然低于发达国家。强化传热传质和降低散热损失，可望在更高起点上考虑新材料、新工艺等高科技的已有进展，开发出高超紧凑式的多流体换热器，为中、低位工业余热利用、实施能源综合利用的总能系统以及多能互补的泛能系统开创新局面。
高温电离气体传热与流动特性的研究，对热等离子体的诊断、磁流体发电、电弧技术以及超细粉材料等离子体加工过程等的当今和未来发展是有意义的。核聚变在工业上的实现，有待于解决超高温等离子体在磁场或其他有效约束下脱离与壁面直接接触的特殊防护及其定量的控制。能源利用方式的任何更新，都会对传热分析带来新的具体问题。
1-1-3 环境和生态领域呼唤传热传质研究的渗透
资源、人口与环境是当前国际社会的三大问题。近年来，由于工业的兴起、城市的扩大、人口的增长，使环境污染严重、生态平衡恶化。我国正在执行社会可持续发展的战略，环境和生态领域已经为传热传质研究的应用渗透提供了广阔的新天地。
多孔介质中物质和能量输运是地球生物圈普遍存在的现象。除了致密的金属、岩石和一些塑料之外，几乎所有的固体和类固体材料都不同程度地具有空隙性。地下表层中的石油、天然气和水构成复杂的多元体系，是能源资源勘测和开发的地热储工程对象。土壤表层季节性的冻融过程将直接制约着土壤中的水、热迁移的规律，不仅给农业生产，而且给工程建设造成影响。多孔介质传热传质的基础研究是形成交叉和边缘学科的一个潜在出发点。
1-1-4 生命系统中的能量与物质传输的研究亟待开拓
生命系统是典型的开放系统，离不开与赖以生存的环境进行物质和能量的交换。生命活动实际反映出生物体，特别是人体的温度，在中枢神经控制下通过增减组织间血液流量以及汗腺的发汗、寒颤等生理反应而具有自适应的调控本能。生命体的热现象远比无生命活力时的复杂。对外界的感受和刺激还会造成心理因素的随机多样性，决定了活体输运过程本质的不定常性，使生化反应和迁移热物性数据测定的不确定性增大，只能具有概率统计性的意义。生物传热的基本方程所描述的是在体组织内的热传播，不涉及相变问题。生物传热的分析所必须面对的难题将是合理估计血流影响的物理数学模型问题。
进展中的低温生物医学技术正在实现生物，包括人体器官和活体细胞与胚胎的长期存活。无论降温还是复温，这些组织都有耐变的适应问题。近年来，国际上也掀起了对食品原料的冷藏保鲜和生物制品的储备与储存问题的深化研究。
1-1-5 微尺度传热的研究是高技术发展申又一个新兴前沿热点
计算机的小型化和微型化带动了微米、纳米技术的兴起。由于半导体材料以及未来的光、声计算机和生物智能型计算机等所使用的材料对温度的高度敏感性，芯片层叠技术发展又加剧了散热的热障问题，促使高兆位计算机、超高集成电路和微电子与光电子器件、微机械系统和微电子机械系统的开发亟需空间微尺度管槽中的流动与传热特性的研究，以提供技术储备的可靠数据。计算机的高速化还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。在这超短促的高频下，芯片、薄膜材料中会出现波动导热，强化传播中的热量在固体内部的穿透深度。除了空间和时间的微尺度外，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，以至消失的影响。
微尺度下的流动与传热现象与常规的现象将存在本质的区别。譬如黏性的影响在空间微尺度下将发生显著的改变。这方面的研究有待于更多的实验和理论工作。
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