01
生活中的传热现象
热不仅仅是一个抽象的概念，它直接影响着我们的生活体验和日常决策。
通过对这些现象的观察和分析，我们可以发现很多的科学原理，这些原理不仅揭示了热是如何在不同介质间传递的，也帮助我们更好地理解和应对环境中的热变化。（1）小时候吹过的肥皂泡，那么肥皂泡为什么是先向上飘后下降？
这是因为在开始的时候，
肥皂泡里是从嘴里吹出的热空气
，肥皂膜把它与外界隔开，形成里外两个区域，里面的热空气温度大于外部空气的温度
。此时，肥皂泡内气体的密度小于外部空气的密度，根据阿基米德原理可知，此时肥皂泡受到的浮力大于它受到的重力，因此它会上升。这个过程就跟热气球的原理一样。随着上升过程的开始和时间的推移，肥皂泡内、外气体发生热交换，内部气体温度下降，因热胀冷缩，肥皂泡体积逐步减小，它受到的外界空气的浮力也会逐步变小，而其受到的重力不变，这样，当重力大于浮力时，肥皂泡就会下降。
（2）一杯咖啡，为了能在几分钟后你喝的时候更热些，为什么应立即加入牛奶？
物体比他周围温度高得越多，冷却速度就越快（降温速度正比于温差），
因此立刻加入牛奶便可降低咖啡在你喝之前这一段时间内的冷却速度
，如果你等着，那么很烫的咖啡会很快变凉，再加入牛奶时，会使温度降得更低。加入牛奶，你就将咖啡由散热快的黑色变成了散热慢的乳褐色，因此立刻加入牛奶还能减少辐射热量
。
而且，当你加入牛奶后，扩大了液体总量，而液体散热表面积未变，这也将导致冷却速度下降。所以，立刻加入牛奶为好！（3）电影《泰坦尼克号》里，男主人公杰克在海水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来，传热学的观点要怎么解释这一现象呢？
杰克在海水里其身体与海水间由于自然对流交换热量，而罗丝在筏上其身体与空气之间产生自然对流。
在其他条件相同时，水的自然对流强度要远大于空气，因此杰克身体由于自然对流散失能量的速度比罗丝快得多
。因此杰克被冻死而罗丝却幸免于难。（4）为什么一到夏季，人们爱到高山上去避暑呢？
高山上比平原离太阳更近一些，夏季为什么反而比较凉爽呢？根据辐射传热知识，气体只能部分地吸收一定波长范围的辐射能。空气几乎不吸收太阳光的短波辐射，所以当阳光穿过空气的时候，几乎不能把它晒热，而晒热的是地面。地面同时又会以长波向空气中辐射热量，长波容易被大气中的水汽、尘埃等吸收，从而使气温大大增加。
显然地势越高，空气得到的地面辐射给它的热量越少，气温就越低。
同时，地面还以对流的方式把热量传递给它上面的大气，进一步使得离地面越近，温度越高。据测定，从地面每升高1000m，夏季气温要下降6℃左右
。
（5）为什么会中暑？
人体每时每刻都在通过排汗向外散热，劳动和运动时出汗多、散发的热量也多。在通常情况下，
大气的温度低于人体的温度，人体的热量就能散发到大气中去，但是在酷热的阳光下，气温很高，人体内部的热散发不出去，大量的热积聚在体内，就形成了中暑的诱因
，再加上出汗过多，体内的水分和盐分也消耗过多，所以引起中暑。近期全国高温前10被浙江“霸榜”！实测地面超50℃。小编不得不再补充一下预防中暑的小Tips，保证足够的睡眠，休息好；加强营养，及时补充出汗失失去的水分和盐，膳食以高蛋白、高维生素食物为主，口味宜清淡。同时做好体检、清凉饮料供给等卫生保健措施。
简单罗列了一些生活中与“热”相关的现象，通过一些生活小案例做出一些基本的原理的分析解答（如解释有误请各位看官大佬提出宝贵意见），相信大家对“热”有更深刻的体会。那么传热学的发展历史是怎么样的过程呢？传热的基本方式又有那些呢？热力学三大定律大家是否还记得呢？本文简单给各位做个小科普，老少皆宜！
02
传热学的发展史
很久很久以前，在古希腊的阳光下，哲学家们在市场广场上讨论着世界的奥秘。在这些思索中的一位智者是亚里士多德。亚里士多德并没有像我们今天一样拥有科学仪器，但他对自然现象充满了好奇。
在他眼中，热是某种“物质流”，就像我们现在喝水的时候，水从杯子里流出来一样，热量也是从一个物体流向另一个物体
。
进入中世纪，传热学的故事转向了工匠们的智慧。他们并不明白热的物理本质，但他们凭借经验改进了冶炼技术，发展了精湛的工艺。工匠们用火炉熔炼金属，用温暖的火焰来塑造他们的作品。他们的实践经验虽然没有理论支撑，但为后来的科学家提供了宝贵的经验。
17世
纪的革新：伽利略与热流的概念进入17世纪，科学革命的曙光开始照耀自然现象的研究。在这个时期，意大利的伽利略被大家熟知。他不仅是天文学家，还是热现象的思考者。伽利略开始探究热是如何从一个物体转移到另一个物体的，他提出了热作为一种“物质流”的理论。
伽利略在他的实验室中，试图揭示热的秘密。他观察到，当一个物体加热时，另一个物体也会变热，他提出了热像液体一样流动的想法。
这些观察是传热学发展的第一个重要理论。18世纪的热力学先驱：富兰克林与热量守恒
18世纪，科学研究进入了新的阶段。美国的本杰明·富兰克林不仅是一位政治家，也是一位科学家。他提出了热量守恒的概念，认为热量可以在物体之间转移，但总量保持不变。
富兰克林在他的小实验室里，进行着简单的热实验。他发现，热量在不同物体之间流动，但总的热量保持不变
。他的这一发现为后来的热力学研究奠定了基础。19世纪的转折点：傅里叶与热传导的数学描述
到了19世纪，传热学的研究进入了一个新的领域。法国的约瑟夫·傅里叶带来了一个重大的转折点。他发表了《热的解析理论》，在书中他详细描述了热如何通过导体传导，并用数学公式给出了传热的定量描述。
傅里叶使用复杂的数学公式来描述热的传导现象。他发现，热从高温区域向低温区域传递，并且可以用数学方程来预测这种传递过程。
这些公式至今仍是我们研究热传导的基础。19世纪的热力学革命：克劳修斯与开尔文的理论
19世纪的后半期，热力学的研究如火如荼。克劳修斯和开尔文两位科学家各自做出了重要的贡献。
克劳修斯提出了熵的概念，而开尔文则提出了绝对温度的理论。
克劳修斯在他的实验室里思考着热的不可逆过程，提出了熵的概念，解释了热力学过程的方向性。开尔文则提出了绝对零度的概念，标志着热力学理论的完善。这些理论让我们对热的本质有了更深刻的理解。20世纪的创新：热辐射与数值模拟的兴起
进入20世纪，传热学迎来了新的挑战和机遇。
普朗克通过他的量子理论解释了热辐射现象，而计算机技术的发展让科学家能够进行复杂的数值模拟来研究传热问题。
普朗克的量子理论
随着计算机技术的进步，科学家们可以模拟复杂的传热问题。他们用计算机程序解决现实工程中的难题，比如飞机引擎的热管理和微电子设备的散热问题。21世纪的前沿：微纳米技术与先进材料的应用
进入21世纪，传热学进入了一个全新的时代。
科学家们研究微纳米尺度的热现象，开发了新的热管理技术，如相变材料和高效散热系统。
在现代实验室里，科学家们利用纳米技术研究微小尺度上的热现象。他们设计了新型的材料来提高能源效率，并开发了先进的热管理系统，应用于从新能源技术到电子设备的各个领域。传热学的历史就像是一部充满探索与创新的长篇小说。
从古希腊的直观观察到中世纪的工匠智慧，再到17世纪的伽利略的理论探究，18世纪的富兰克林的热量守恒，到19世纪傅里叶的数学模型、克劳修斯与开尔文的热力学理论，最后是20世纪的普朗克的量子理论和现代的数值模拟技术，传热学的发展是一个充满智慧和挑战的过程。每一个阶段的关键人物和他们的发现都在推动着我们对热现象的认识不断深入，也让我们能够在实际工程中应用这些理论去解决各种问题。
03
热力学三大定律
介绍了传热学的简单的发展历史，必须要提到的就是热学的三大定律。热力学三大定律是物理学中描述热与其他形式能量之间关系的基础理论。它们不仅在科学上具有重要意义，也与当时的科学背景和历史事件紧密相连。
第一定律：能量守恒定律
热力学第一定律，也称为能量守恒定律，表述为：“在一个孤立系统中，能量既不会被创造，也不会被毁灭，只能从一种形式转变为另一种形式。”
数学表达式为：
在19世纪中叶，工业革命带来了蒸汽机的广泛使用，人们逐渐意识到热量和功之间的关系。此时，詹姆斯·焦耳通过一系列实验，研究了热量与机械功的等效性。他用机械装置将水搅动起来，使水的温度上升，从而证明了热量可以转化为机械功。焦耳的实验结果引发了对热量本质的深入讨论。同时，鲁道夫·克劳修斯在1850年提出了能量守恒定律，这一定律总结了焦耳的实验结果，并将其融入热力学理论中。他的工作标志着热力学第一定律的建立，并对后来的热力学发展起到了推动作用。
第二定律：熵增定律
热力学第二定律，也称为熵增定律，表述为：“在一个孤立系统中，熵总是趋于增加的。”这一定律描述了自然过程中能量转移的不可逆性。熵的变化量可以用以下公式表示：
克劳修斯在1850年提出了熵的概念，并用它来描述热力学过程中的不可逆性。他的工作是对热力学第二定律的数学表述，表明了热量在转化为其他形式的能量时，总是会有部分能量变成不可用的形式，从而使系统的熵增加。与此同时，开尔文勋爵（威廉·汤姆逊）提出了绝对零度的概念，进一步阐述了热力学第二定律的意义。他将克劳修斯的熵概念与自己对热力学过程的理解结合起来，形成了热力学的第二定律。
第三定律：绝对零度不可达定律
热力学第三定律，也称为绝对零度不可达定律，表述为：“当系统的温度趋近于绝对零度时，系统的熵趋近于一个常数值。”这个常数通常取为零：
数学表达式即：
由Walther Nernst（沃尔夫冈·泡利） 和 Josiah Willard Gibbs（亨利·吉布斯, 1839-1903）提出。
沃尔夫冈·泡利在20世纪初提出了热力学第三定律。他通过对低温物质的研究发现，随着温度降低，系统的熵趋近于一个最低值，这为低温物理学奠定了基础。泡利的工作也为研究绝对零度附近的现象提供了理论依据。亨利·吉布斯则在自己的工作中进一步扩展了热力学第三定律的应用范围，他的研究使得这一理论在多种热力学过程中的应用成为可能。
04
传热的三种基本方式
传热的三大基本方式：热传导、热对流、热辐射。
（1）若物体各部分之间借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动传递热量的过程为热传导；
要求系统两部分之间存在温度差；
热传导是静止物体的传热方式，没有物质的宏观位移。（2）流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的过程，简称
热对流
；
根据对流产生的原因分为强制对流、自然对流。热对流仅发生在流体中，即气体和液体，而且必然伴有热传导现象。
（3）因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射；其特点有
不需要任何介质，可以在真空中传播；不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移；辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果；任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。05
热科学
热科学作为一门探讨热现象及其应用的学科，自古希腊哲学家亚里士多德的初步观察到现代先进材料的应用，历经了悠久的发展历程。随着科学技术的进步，热科学已经在多个领域中发挥了至关重要的作用。从17世纪伽利略的热流概念到19世纪傅里叶的热传导数学描述，再到20世纪普朗克的热辐射量子理论，热科学的发展史如同一部充满智慧与创新的长篇小说。
在现代社会中，热科学的重要性更加凸显。电子设备的小型化和高功率化、新能源技术的应用以及高效节能建筑的设计，都离不开先进的热管理技术。面对全球能源需求增长和环境保护的双重挑战，如何高效利用热能，开发可再生能源，优化热管理技术，成为当今科学研究的重点。
合抱之木，生于毫末。热科学前沿研究和新兴技术的小树苗，终有一天将长成一棵参天大树。iTherMConf2024 我们希望推动热科学领域的学术交流与合作，回顾历史、展望未来，共同应对全球能源与环境的挑战。
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来源：洞见热管理
编辑：史卓群
监制：黄 玉
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