热学中的新物理量.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：063330 热学中的新物理量 过增元 (清华大学工程力学系传热与能源利用北京市重点实验室北京100084) 电话：010 E-mail：demgzy@tsinghua．edu．cn． 摘要通过与力学、电学的比拟，在热学中引入了势，势能，速度，动能等新的物理量，从而可建立 热量运动的守恒方程组．热量传递是不可逆过程，耗散的是热量的“能量”．以耗散最小(热阻最小) 为目标函数，就能对传热过程进行优化．傅立叶导热定律是热量运动方程在不计动量变化条件下的简 化．在极端(低温，超高速、纳米尺度)条件下不再适用．引入新物理量后，能阐明热波，导热系数 尺度效应等“超常”物理现象． 关键宇热量势，热量势能、热量运动速度、热量动能，热量能量的耗散 1．前言 作为物理学中的一个分支。热学是研究热现象的理论，它通常以强调其个性面貌而 of TheoryHeat)”中指出“……无论力学理论的研究范围如何，它们都不能应用予热效 应，。这些热效应构成一个特殊的现象类，它们不能用运动和平衡的原理来解释。……它 们并不由机械力产生，而仅仅只是由热的存在和积累而引起，自然哲学的这一部分不可 能与动力学的理论有关，它有它本身特有的原理．”【l】因此，直到现在热学中没有热量 运动速度的概念，没有热量的动量、能量等物理量，没有类似于牛顿运动定律那样描述 热量运动的定律，不采用质量，动量，能量等守恒方程组来分析热量传递过程，即无法 用动力学的理论来研究热现象。热学理论中的基本定律是热力学第一定律，它是热功转 换过程中的守恒定律；热力学第二定律，它指出了与热联系的自发过程的方向和限度， 并用熵以定量的形式来表达；傅立叶导热定律，它建立了温度梯度与热流密度的正比关 系；热辐射的斯蒂芬一玻尔兹曼定律，它给出了物体热辐射能量与其温度的四次方成jE 比；热学的发展既已成熟。但仍遗留了一些问题：(1)熵概念的晦涩和难以掌握【2】；(2) 热扰动传播速度无穷大违反物理定律131；(3)传热过程没有效率和优化的概念(热量总 是守恒)；(4)缺乏某些与力学、声学、电学、磁学、光学等学科中共性现象和规律： 波动与振荡。极端条件下热现象提出的挑战：(1)极低温：液氮中的热波现象(宏观无 法解释)；(2)超快速：热量传播速度为有限值(傅立叶导热定律不成立)【4】；(3)纳米 尺度(低维、超高热流密度)：纳米线的热阻与长度成反比【51。出现一t-述问题的原因是： 热学中缺少基本物理量。本文将通过力学、电学、热学现象之问比拟引入热学中的基本 量。． 2．质容量、电容量、热容量 图la所示底面积为A的盛液容器，当液体密度为风，盛液高度为Ⅳ时，容器中液 32 体的质量为 Mr=p,,dH (1) 图lb所示的电容器，当电势为以，电容为c。，电容器上的电量为 鲸=eU． (2) 图lC所示的物体，其质量为Mv，定容比热为氏，温度为7’时，该物体的热容量为 Qh=以勺r (3) 所以处于一定温度的物体实际上是储有热量的热容器。 +如 ·(≥w + + + + H