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再议热传递的实质

已有 1968 次阅读 2019-1-26 23:37 |个人分类:热力学|系统分类:科普集锦

        根据传热学,热传递有三种主要形式,导热、对流和辐射,但实际上有些能量传递过程很难划归到这三种热传递过程中,比如,气体凝结。一些传热学教材将它划归于对流换热[杨世铭 1980],其实非常牵强。对热传递的实质,有许多的讨论,诸如热子气[过增元等 2007]等,这里不一一道来,仅从不同的视角对此问题作一简要的分析。

         对一个高粘度流体的层流管道进行均匀微加热,以不改变流态为限。根据传热学,这一管内流体的受热过程是一个典型的对流换热问题。但是如果考虑一段微元体介质从管道入口到管道出口的受热过程,则不难发现它是一个运动过程中的不稳态导热问题。众所周知,工程上的对流换热的流动多为紊流,而紊流介质出现相互的掺混,导热成分增大,因此有理由认为,对流的实质是导热。

         对于导热,传热学所做的机理分析其实是模糊的和不确定的。对于固体金属,认为是自由电子运动传热,而对于非导电的固体,则通过晶格结构的振动(即原子、分子在其平衡位置附件的振动)来实现[杨世铭 1980]。这里的疑问是,导热机理竟然会分金属与非金属而存在不同。自由电子运动如何传热,以及原子和分子的机械振动又如何传热,都是难以自圆其说的假设。 

        这里对导热机理作一新的解释:导热的实质是辐射。在传热学教材中,热辐射的电磁波是由物体内部微观粒子在运动状态改变时所激发出来的[杨世铭 1980]。在热辐射过程中,物体把它的热能不断地转换成辐射能[杨世铭 1980]。而在维基百科中,关于热辐射是这样说的:Thermal radiation is generated when energy from the movement of charged particles within atoms is converted to electromagnetic radiation . 即是说,当原子中的带电粒子的动能转化为电磁辐射时,热辐射就产生了。

        事实上,带电粒子运动本身就伴随电磁场及其变化,发射电磁波理所当然,因此维基百科的说法应更符合实际。这里值得议论一下的是,一般传热学在描述热辐射过程时,往往认为“物体把它的热能不断地转换成辐射能”,这是很有意思的解释方法,但仔细琢磨一下,你不难领会这一解释的牵强和无力。 

        众所周知,物质由原子构成,原子遍布物质整体。因此,从微观角度,导热可以视为物质内部各部位的原子之带电粒子动能发生阶跃时的辐射、吸收,再辐射、再吸收的过程。辐射的方向原本是随机的,但从宏观角度,辐射能量的传递是沿温度梯度方向的净能量传递,这是热力学第二定律决定的。

        辐射在真空和气体空间传播,人们毫不质疑。但是,如果说在固体物质内部也存在辐射,则很可能有人会怀疑,因为红外热辐射的波长那么大,如何在遍布致密原子的固体中传播。这种质疑是正常的、也合理的,质疑是逼近科学真相的前提。这里要说的是,因为带电粒子运动及其运动的变化必然带来电磁场的变化,这是电磁场理论的基本常识。带电粒子的热辐射行为归根结底是电磁场问题,而对电磁场问题,热力学范畴内的研究显得苍白无力,甚至有意无意地回避。其实,燃烧过程这一化学过程本质上是正负电荷运动的结果,背后也必然有电磁场问题,燃烧发光是典型的电磁辐射。但在热力学范畴,仅用热量统计计算进行处理,对工程而言是一个很好的措施,但却掩盖或回避了过程的实质。鉴于此,我们不妨暂且认为导热的实质是辐射的观点是正确的,这种具有假设性的结论也许是很有价值的。

         对流的实质是导热,导热的实质是辐射,因此热传递问题的实质是热辐射,热的辐射根本就不存在热能向辐射能的转化,这与前文讨论得出的热能是辐射能的结论是一致的。事实上,宇宙间唯一的能量过程就是辐射,应该是这一结论的佐证。

         正因为有热能是辐射能的想法,因此会注意翻阅一些文献资料和书籍,了解学者们对热传递原理的各种表述。当翻阅著名的数学家、科学家约瑟夫·傅里叶1822年出版的《热的解析理论》中译本时,竟然发现了“新大陆”,让人惊讶不已。书中时这样描述的:热以同一方式在真空,在弹性流体,以及在液体和固体物质中起作用,它仅仅以辐射的方式传导,不过它的显效应随物质性质而异。随后即去查阅英文版,英文原文是:Heat acts in the same manner in a vacuum, in elastic fluids, and in liquid or solid masses, it is propagated only by way of radiation, but its sensible effects differ according to the nature of bodies.。对于这段表述,可能有不少人读到过,但并没有引起关注和影响,因为在现有科学知识体系下,这种近乎不着边际的观点,也许只会付之一笑,甚至认为名人也如此荒诞不经,看到也就一带而过。但它对如今的我,仿佛如冥冥之中的一种支持。

         应当说,傅里叶的这一表述是神级的。为什么这么说呢?因为在当时,热是什么还处在激烈的争论之中,傅里叶自己在书中一方面讲热仅通过辐射方式传播,另一方面又称热为元素(element)。而后者是热质说的一种表述,他的表述本身充斥着矛盾。事实上,热究竟是一种什么形式的能量,困扰了几乎整个热学发展史。虽然傅里叶的论述远不够充分,也缺乏依据,但现在看来,他的确说对了。

         热能是辐射能,不是独立的一种能量形式。



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