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        2. 熱學(xué)新理論及其應(yīng)用
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        熱學(xué)新理論及其應(yīng)用
         
         
        作者：
         
        安徽新天源建設(shè)咨詢有限公司
         
        最后修訂：
         
        2020-07-04 09:53:06
         
         
         
         
        摘要：
         
         
         
         
        目錄
         
         
        【前言】
         世界性的能源短缺和全球氣候暖化是全人類所面臨和迫切需要解決的難題，它不僅是一個科學(xué)和技術(shù)問題，還涉及經(jīng)濟(jì)、政治和外交領(lǐng)域。由于提高能源利用率（其俗稱為節(jié)能），不僅能緩解本國能源的短缺，減少能源進(jìn)口的依賴度，而且直接減少了碳排放。因此，節(jié)能/提高能源利用率被認(rèn)為是一種最廉價、最清潔和最安全的能源。能源利用率的提高，不僅在化石能源利用中十分重要，而且在可再生能源（太陽能、風(fēng)能和生物質(zhì)能等）的利用中尤為關(guān)鍵，所以是實現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)和低碳社會的關(guān)鍵因素。
        由于在各種能量的利用中，80%要經(jīng)過熱量的傳遞與交換，因此提高熱量傳遞的能力、減小傳遞過程的損失是提高能源利用效率的關(guān)鍵。然而，在現(xiàn)有傳熱學(xué)理論中，只有傳熱速率的物理量，沒有傳熱效率的物理量。在提高熱量傳遞的能力時，只有傳熱強(qiáng)化的概念，沒有傳熱優(yōu)化的概念，從而導(dǎo)致現(xiàn)有熱設(shè)備和熱系統(tǒng)的能源利用率不高。為什么傳熱學(xué)中只有速率沒有效率、只有強(qiáng)化沒有優(yōu)化的概念的問題，這對現(xiàn)有熱學(xué)理論提出了挑戰(zhàn)，現(xiàn)在的熱學(xué)學(xué)科中還缺少某些基本物理量。另外，飛秒激光加熱和碳納米管等前沿技術(shù)對傳熱學(xué)中的核心定律——傅里葉導(dǎo)熱定律——提出了挑戰(zhàn)，因此需對熱量的本質(zhì)及其傳遞和轉(zhuǎn)換規(guī)律方面作新的探索。
        在這樣的背景下，由中國科協(xié)主辦，中國工程熱物理學(xué)會和清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室承辦，以“熱學(xué)新理論及其應(yīng)用”為主題的第38期新觀點新學(xué)說學(xué)術(shù)沙龍于2010年3月在北京召開，來自工程熱物理、制冷、建筑節(jié)能、材料、力學(xué)等領(lǐng)域的30余位專家參加了討論，另有30余位學(xué)者列席。專家們以提高能效和高技術(shù)發(fā)展中的熱學(xué)問題為主要背景，從提高能效的新理論—場協(xié)同原理、[火積]耗散極值原理、熱質(zhì)理論和普適導(dǎo)熱定律、能勢表征與不可逆性的關(guān)聯(lián)關(guān)系4個專題，提出了[火積]、熱質(zhì)和能勢等新概念來拓展現(xiàn)有的熱學(xué)理論和發(fā)展新的節(jié)能技術(shù)并進(jìn)行了探討。這必將在發(fā)展節(jié)能新技術(shù)、提高能源利用效率、促進(jìn)熱學(xué)學(xué)科的發(fā)展和完善、推動學(xué)者之間合作等方面發(fā)揮積極作用。
        作為本期沙龍的領(lǐng)銜科學(xué)家之一，我衷心感謝各位代表熱情的參與，感謝中國科協(xié)、中國工程熱物理學(xué)會和清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室對本期沙龍的大力支持。
        過增元
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        【發(fā)言與討論】
         
        【發(fā)言1】過增元：對現(xiàn)有熱學(xué)理論的思考
         非常感謝各位參加這個沙龍，客氣話就不說了，直奔主題。眾所周知，熱學(xué)是比較成熟的，應(yīng)用非常廣泛，為什么還要再思考呢? 原因來自三個方面，五個問題。兩個問題來自教學(xué)，兩個問題來自科研，一個問題來自個人對探索自然科學(xué)的興趣。
        第一，教學(xué)方面。在熱力學(xué)課程中，大家都說熵難教，難學(xué)。學(xué)生的反映是“學(xué)焓是寒心，學(xué)熵是傷心。”不僅學(xué)生反映，我自己不是研究熱力學(xué)的，但國內(nèi)物理學(xué)家馮端專門寫了一本關(guān)于熵的書，他講到，熵是極其重要的物理量，但又以其難懂而聞名于世。諾貝爾獎獲得者普里高津也說，熵是一個奇怪的物理量，而且不可能給出完美的定義?？梢娝_實比較難。關(guān)于教學(xué)方面的現(xiàn)狀，我問了一部分教師，說現(xiàn)在在課堂上講熱力學(xué)的時候，只講熵的微觀解釋（宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率），很少、甚至不講熵的宏觀物理意義。奇怪得很，因為熵實際上是研究熱功轉(zhuǎn)換而引出的宏觀概念，恰恰不談宏觀，只談微觀。對這樣的現(xiàn)狀，我自己就提了一個問題，為什么熱力學(xué)中熵的概念難以理解?
        教學(xué)方面提出的第二個問題就是傳熱學(xué)課程理論性不強(qiáng)。學(xué)生覺得這課沒意思，都是經(jīng)驗關(guān)系式。和流體力學(xué)相比，傳熱的定律基本上都是實驗性的定律，包括傅里葉導(dǎo)熱定律、牛頓冷卻定律。有人說也有理論啊，例如邊界層理論，但是那是流體力學(xué)理論，不是我們傳熱學(xué)的理論。當(dāng)然，我們以前還有相似理論，這個基本上也是實驗性的，而且現(xiàn)在傳熱學(xué)中講得很少了。所以，我提出來問題二: 為什么傳熱學(xué)不像力學(xué)、電學(xué)等具有自己嚴(yán)格的理論體系?
        第二，科研方面有兩個問題，第一個問題剛才徐建中院士也講了，低碳、節(jié)能現(xiàn)在不僅是我們國家，而且是全世界共同研究的問題，這里跟我們有什么關(guān)系呢?大家知道，現(xiàn)在80%的能源利用都要通過熱量的傳遞，怎么樣把熱量傳遞性能提高呢? 以前也有人做過，20世紀(jì)70年代的世界能源危機(jī)推動了傳熱強(qiáng)化理論和技術(shù)的發(fā)展。但是，今天仔細(xì)分析一下，傳熱強(qiáng)化不一定節(jié)能，我不是說一定不節(jié)能，是不一定節(jié)能。傳熱強(qiáng)化需要增加面積、提高流速，使得流阻和泵功增加更多，可以說一般都不節(jié)能。要節(jié)能，需要有優(yōu)化概念?？墒俏覀冎?，傳熱學(xué)里面只有速率的概念，沒有效率和優(yōu)化的概念。如果有了效率的概念，我們把效率最大化，這就是優(yōu)化。只有速率，沒有效率，沒有辦法提高能源利用的效率。所以科研方面的第一個問題就是: 為什么傳熱學(xué)只有速率沒有效率，只有強(qiáng)化沒有優(yōu)化的概念? 這就是問題三。
        科研里面提出的第二個問題，就是隨著高科技的發(fā)展，大家知道，激光在武器、加工等方面具有非常重要的作用，激光的頻率現(xiàn)在都已達(dá)到皮秒、飛秒量級。還有納米技術(shù)，碳納米管現(xiàn)在應(yīng)用廣泛，待研究的問題很多。這些領(lǐng)域提出了一個問題，傳熱學(xué)里面的核心定律——傅里葉導(dǎo)熱定律已不再適用，怎么辦?好多人找各種各樣的解決辦法，但是他們的解決辦法都是用各種各樣的模型對傅里葉定律進(jìn)行修正，傅里葉定律本來是兩項，再修正加一項，修正辦法就是用模型，而不是從基本定律導(dǎo)出來的。
        舉個例子，如果把傅里葉定律和能量方程合起來，熱擾動的傳播速度無窮大，這顯然不行。典型的C—V模型，在傅里葉導(dǎo)熱定律里加上熱流隨時間的導(dǎo)數(shù)項，C—V模型加了一項以后，就變成熱波了，波的傳播速度是有限的，它解決了這個悖論，但是又產(chǎn)生了新的悖論。也就是，如果用C—V模型計算，會產(chǎn)生負(fù)的溫度，這就違背了熱力學(xué)第二定律。用模型來進(jìn)行修正，解決了一個問題，但是又產(chǎn)生了新的問題。而且，現(xiàn)在的各種模型無法描述穩(wěn)態(tài)的非傅里葉現(xiàn)象。以前的非傅里葉導(dǎo)熱都是在瞬態(tài)條件下，但是在碳納米管里，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)情況下，它也會產(chǎn)生非傅里葉效應(yīng)。從這些現(xiàn)象中，我們就提出了第四個問題: 為什么只能用實驗定律來描述熱量傳遞的規(guī)律?
        第三，興趣方面。探索學(xué)科間的共性的興趣，熱學(xué)跟別的物理的其他分支學(xué)科（力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)）相比，沒有質(zhì)量，沒有力，沒有速度和動量。也許有人說，我們有力啊，但是這個力還是機(jī)械力，沒有熱的力，有人說非平衡熱力學(xué)里面不是有嗎，但它是廣義力，這個力的單位不是牛頓，不是真正的力。別的學(xué)科里都有波，都有振動，有耗散，但是熱學(xué)里面沒有。熱學(xué)里面有很多獨有的概念，首先是熵，還有我們特別強(qiáng)調(diào)的，狀態(tài)量、過程量、可用能[火用]等，別的學(xué)科有沒有呢? 還是別的學(xué)科有，但是不用[火用] 這個差別就非常大了。為什么呢? 這個差別傅里葉早就總結(jié)出來了，他說力學(xué)理論是不能應(yīng)用于熱效應(yīng)的，一直沿用到了今天。所以，我提出第五個問題，為什么熱學(xué)同其他學(xué)科之間的共性是如此之少，而個性是如此之強(qiáng)?
        我就不重復(fù)這五個問題了，概括出來了以后，從這五個具體問題又可以歸結(jié)為兩方面的原因: 現(xiàn)在熱學(xué)里頭是不是缺乏某些基本的物理量呢? 是不是某些基本規(guī)律還有待發(fā)現(xiàn)呢? 按照這樣的思路，我們初步做了一些工作，分四個方面或者是四個階段。
        第一個階段，就是溫差場的均勻性原理。誰都知道逆流換熱器比順流換熱器的效能好，為什么逆流換熱器效能高呢? 大家說，對數(shù)溫差最大啊，但是為什么對數(shù)溫差最高呢? 不清楚了。25年前在傳熱年會上，我跟西安交大陳仲頎教授在下面討論了這么一個愚蠢的問題，經(jīng)過研究以后發(fā)現(xiàn)，決定換熱器效能的應(yīng)該不是流動的安排（叉流、逆流等），而是換熱器里面冷熱流體的溫差的均勻性。按照這個原則來做，我們可以做到叉流換熱器效能可以等于逆流換器的效能，更有甚者，可以高于逆流換器的效能，不知道大家能不能相信。因此，我們提出了溫差場的均勻性原理，即換熱器中冷熱流體的溫差場越均勻，換熱器效能就越高，這就是優(yōu)化的概念，不是強(qiáng)化的概念。
        第二個階段，就是對流換熱的優(yōu)化。以前談過了，換熱只有強(qiáng)化，沒有優(yōu)化，那么怎么來優(yōu)化呢? 在對流換熱里面有兩個場，一個是速度，另一個是溫度的梯度，這是兩個驅(qū)動力，這就是投入。因為優(yōu)化就是指投入和產(chǎn)出的比。這兩個合力推動熱量前進(jìn)，就是傳熱，這兩個力的夾角越小，合力就是越大。投入不變，就是流速和溫度梯度給定，怎么樣使得產(chǎn)出最大呢? 就是兩個力之間要協(xié)同，即夾角要小。但是這兩個力都是場，速度和溫度梯度都是場，不是點，實際上是驅(qū)動力場之間的協(xié)同，所以也叫場協(xié)同。也就是說，場的各個地方的溫度梯度和流速的夾角越小，它們的協(xié)同越好，換熱性能越好，能源利用效率越高。這是場協(xié)同的基本概念。場協(xié)同的概念比較直觀，但是怎么設(shè)計場協(xié)同呢? 物理的本質(zhì)是什么樣的呢? 這就需要深層次方面的進(jìn)一步的探索。
        第三階段，就是要討論新的物理量。借用其他學(xué)科的一些規(guī)律和經(jīng)驗，我們用比擬，也就是歸納法。大家知道，質(zhì)量、力、勢這些都是基本量。力學(xué)中有能量，有質(zhì)量、重力、重量勢，電學(xué)中也是講電量、電力、電勢和電勢能。我們再來看熱，先借用廣義力，熱勢就是溫度，那么熱量和誰對應(yīng)? 是和質(zhì)量對應(yīng)還是和能量對應(yīng)呢? 我們說熱量好像是跟質(zhì)量對應(yīng)，可是熱量是能量，應(yīng)該跟重力勢能對應(yīng)。實際上，如果我們看看輸運(yùn)定律、牛頓定律、歐姆定律、傅氏定律，熱量應(yīng)該和質(zhì)量對應(yīng)，但是少一個和勢能對應(yīng)的物理量。那么我們可以用熱量乘上溫度再除一個2，我們稱之為[火積]。為什么叫[火積]呢，因為熱量除以溫度是熵，那我就借用這個概念。
        小結(jié)一下，熱量在傳遞過程中是和質(zhì)量相對應(yīng)的，即有質(zhì)量的特性，而現(xiàn)有熱學(xué)中缺少的熱量的能量叫做[火積]。和其他形式的能量一樣，在傳遞過程中[火積]是需要耗散的，所以可以定義傳熱效率，輸出和輸人的[火積]之比是效率。有了效率就好辦了，使得[火積]耗散最小，傳熱效率最高，場協(xié)同最好，能源利用率最高，這就是優(yōu)化。場協(xié)同的本質(zhì)就出來了，即最后能提高能源的效率。新的物理量解決了效率的問題，優(yōu)化的問題，解決了能源利用的問題。
        第四階段，我前面提到的高科技的發(fā)展，使傅里葉導(dǎo)熱定律不適用的問題被提了出來。別人都是用模型修正傅里葉導(dǎo)熱定律，我們試想一下是不是可以從第一性原理來推導(dǎo)。首先，熱的質(zhì)量特性，這個大家就奇怪了，我們搞傳熱的，包括研究物理的，是熱質(zhì)說還是熱動說，經(jīng)歷了一百多年的爭論，最后還是熱動說勝利了。熱是能量，怎么說是質(zhì)量呢? 如果根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式就可以確定熱量的當(dāng)量質(zhì)量，它就是熱質(zhì)。這個一般人很難接受，但是物理學(xué)界都能認(rèn)可。
        有了這樣的概念，傳熱就是熱量在介質(zhì)中的運(yùn)動，從而引人了一系列的新物理量: 熱質(zhì)速度，熱質(zhì)力（這個力和機(jī)械力不一樣，是兩碼事），熱質(zhì)加速度，熱質(zhì)動量等。從這里可以看到，[火積]本身就是熱質(zhì)能，他們之間僅差一個常系數(shù)。由于熱量的質(zhì)量特性，我們就可以用牛頓力學(xué)描述熱量傳遞，可導(dǎo)出普適導(dǎo)熱定律，適用于超常極端條件下（包括超高熱流密度，納米條件）的導(dǎo)熱過程，但是它又可以和常規(guī)條件下的傅里葉定律相容，可以退化為傅氏定律。
        以上就是在熱學(xué)中引人了一些新的基本量和得到了一些新的基本規(guī)律的初步工作，懇請質(zhì)疑和指正。
         
        【討論】周遠(yuǎn): 過增元教授非常大膽地提出了新的思路，我覺得很好。只有這樣爭論了，才有學(xué)派和科學(xué)的發(fā)展。我參加過過增元教授的學(xué)生的畢業(yè)論文答辯。我有一個總的想法，我們原來用的概念，比加說熵，還有焓，相關(guān)規(guī)律用得很成熟了，不是應(yīng)用到我們的機(jī)器當(dāng)中就已經(jīng)是最好的了呢? 這不好說。不管什么樣的理論，什么樣的觀點，最后還是要在實際中檢驗，所以這是很關(guān)鍵的。我的第一個觀點是[火積]這個概念提出來之后是不是應(yīng)該把它應(yīng)用，制成一個圖表，跟焓和熵圖一樣，我們在機(jī)器或者是循環(huán)里面應(yīng)用，應(yīng)用的結(jié)果比原來用的焓、熵的更好，更節(jié)能，那么證明新理論是比原來的焓、熵的概念要好得多。不妨用鍋爐、用汽輪機(jī)來做一個設(shè)計，知果設(shè)計得更好，更節(jié)能，那就能說明問題，這是第一個觀點。第二個觀點，大家知道，現(xiàn)在用的這些理論統(tǒng)統(tǒng)都是在物理學(xué)上用得比較成功，但是在生物方面，包括人體在內(nèi)，熱學(xué)的觀點真正應(yīng)用到生物學(xué)還沒有很成功。比如說熵，生物學(xué)里面是不是都是熵增? 熵增是大家都很普遍承認(rèn)的，但是在生物學(xué)里不都是熵增過程，它是一個熵減過程。因此，如果用這個[火積]的概念分析一下，把我們物理學(xué)的概念用到生物上如果能用得很成功，說明這個理論很有意思。所以我覺得，如果大家要來承認(rèn)熱學(xué)新理論，應(yīng)該關(guān)注的是在實際應(yīng)用當(dāng)中最終是否起了作用。華澤釗: 兩年前，在一個會議上，過增元老師作過這個報告，但是當(dāng)時沒有這么詳細(xì)。我的問題是，說熵的理論在效率上沒有反映，這個可能不完全。因為Bejan就根據(jù)熵的理論提出了效率的問題。周遠(yuǎn)老師提的意見我也同意，理論要實踐檢驗才是對的，現(xiàn)在這個理論沒有辦法用實踐檢驗，后面有好的實際應(yīng)用的話都不是理論證明，理論證明要從理論上來證明。這里關(guān)鍵的思路就是把熱量看成了質(zhì)量，愛因斯坦僅僅是研究機(jī)械運(yùn)動的，當(dāng)機(jī)械運(yùn)動有了速度以后就有一個附加質(zhì)量，有一個相對性質(zhì)量。那么，把熱看作質(zhì)量，在后面從質(zhì)量中就引出來一大套的東西，沒有這個質(zhì)量的概念就什么也沒有了，關(guān)鍵是這個問題，我們要好好地討論。任何能量都有一定的質(zhì)量，反過來看，因為有了這個質(zhì)量，就可以從力學(xué)上來考慮。后來是考慮熱子氣，名字叫thermon，相當(dāng)于以前的光子、聲子，問題是這個熱子氣只是從理想氣體中來的。如果討論固體，本身有一個phonon（聲子），有了聲子以后再加上熱子，聲子本身有傳播速度、聲波，再加上熱子后，熱子和聲子是什么關(guān)系呢? 還有就是熱質(zhì)論。為了防止和熱質(zhì)說混為一談，就取了另一個名字thermomass，我建議用其他的名字，比如熱子學(xué)。潘寧: 我覺得自己是一個外行，幾年前過增元老師的一個學(xué)生在我那兒做博士后，所以我知道這個理論。熱學(xué)新理論用在材料上確實有成功的例子，我們發(fā)現(xiàn)用場協(xié)同和它的理論能有效地解決多孔介質(zhì)的有效熱傳導(dǎo)問題，下午我會詳細(xì)地講一下。其中有一個關(guān)鍵問題就是能否測量[火積]。我們知道，熵在材料里面應(yīng)用的一個很成功的例子是在高分子領(lǐng)域。20世紀(jì)40年代，當(dāng)時在高分子系統(tǒng)里成功地把熵測量出來，后來使得統(tǒng)計熱力學(xué)在材料學(xué)范圍內(nèi)的應(yīng)用得到很大推廣。以后，其中一個很大應(yīng)用就是在統(tǒng)計物理和材料領(lǐng)域里。以前我跟過增元老師也交流過，如果可以測量到這個量，我覺得是比較重要的。另外，我有一個問題問過老師，您認(rèn)為[火積]這個物理量經(jīng)過一段普及以后會不會比熵更容易理解，在教學(xué)時更容易一些?王立秋: 剛才過增元老師講熱力學(xué)和其他學(xué)科有一些區(qū)別，但是一般來講，大家認(rèn)為熱力學(xué)是一個廣義學(xué)科，什么地方都可以用，好多人也相信，包括我也相信。但是確實，流體力學(xué)不是按照熱力學(xué)的思路講的，傳熱學(xué)也不是按熱力學(xué)的思路講的，問題在哪兒呢? 可能就是因為熱力學(xué)有一個特殊的概念就是熱量，這個熱量跟力學(xué)不太相關(guān)。如果我們有熱質(zhì)的概念，熱量這個過程量就可以用力學(xué)來研究，這樣是不是傳熱學(xué)、流體力學(xué)都可以用熱力學(xué)這一套規(guī)矩來了? 這是我想提出來的一點。第二點，剛才幾位老師提出來了[火積]能不能測量，回答這個問題最主要的是看它是不是一個狀態(tài)參數(shù)，如果是狀態(tài)參數(shù)，我們就可以測，也不是直接測，狀態(tài)參數(shù)都是和溫度、壓力等有關(guān)系的，三個量決定狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值。 但是如果[火積]是一個過程量，就不可以列表，不可以列圖，因為這個過程太多，不同的過程有不同的量。所以我不知道這是一個過程量，還是一個狀態(tài)量，首先要解決這個問題。數(shù)學(xué)上確實也有兩種不同的量，一種能夠有全微分的是狀態(tài)量，一種不能全微分，是過程量。我們熱力學(xué)上的過程量和狀態(tài)量的區(qū)分是有特色的，可能還是我們要保留的。宣益民: 我剛才看了一下[火積]的定義，過增元先生給的是1/2乘以QT，如果把縱作標(biāo)看做是Q，橫坐標(biāo)看做是T，實際上是三角形的面積。如果再細(xì)想一下，熱流是帶有方向的量，那[火積]純粹是一個狀態(tài)量嗎? 如果從力學(xué)這個角度，假如說我們回歸到描述粒子運(yùn)動的玻耳茲曼方程，能不能從那個角度給出一些定義。因為流體力學(xué)的那些問題最后回歸還是在玻耳茲曼方程這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，到Navier-Stokes方程，不知道能不能從這個角度做一些推導(dǎo)?陶文銓: 我認(rèn)為[火積]比熵容易理解。中國有傳統(tǒng)的鐵板燒，鐵板上有肉，鐵板要跟牛肉傳遞熱量，一定要把鐵板加溫，要能吃得時間長，必須要用鐵板，不是用鋁板，什么道理呢? 要高溫，要內(nèi)能大，它們的乘積是傳遞熱量的能力，當(dāng)溫度降低到和環(huán)境相同的時候，這個鐵板就沒有傳遞能力了。這是一個非常容易接受的概念，就是你的定義。盧文強(qiáng): 剛才過增元老師說了基于熱質(zhì)的概念，用牛頓定律可以推導(dǎo)出來普適的導(dǎo)熱定律，而且可以把C—V模型的一些工作連帶在一起。但是微尺度傳熱有兩種模型，一種微觀模型，一種宏觀模型。C—V模型和后來的兩項弛豫模型都是屬于宏觀模型，我不知道對微觀的那些模型是不是也能建立聯(lián)系，希望這項工作能夠很好地開展。過增元: 大家提得非常好，我不是回答問題，是參加討論。周遠(yuǎn)院士講了應(yīng)用，華澤釗老師提到了Bejan，Bejan是用熵的理論定義效率，也能優(yōu)化，之前沒有提到，我這里再說明一下。這里指的是傳熱過程，或者說是傳遞過程。Bejan的熵的概念，我們覺得不是說不對，也不是不好，它只能用在熱功轉(zhuǎn)換的過程中，這是我要強(qiáng)調(diào)的。第三就是關(guān)于測量，剛剛潘寧老師包括周遠(yuǎn)院士都提到如果能夠測量[火積]，這方面我們一定會去好好考慮。再就是它是不是狀態(tài)函數(shù)。如果按照定義，內(nèi)能乘以溫度，那肯定是狀態(tài)函數(shù)。我們現(xiàn)在討論的只是導(dǎo)熱問題，是固體、流體類的導(dǎo)熱問題，沒有做功的概念，沒有體積的變化，因此，可以按微分的方式來定義它這個狀態(tài)函數(shù)，但是對于氣體來說就比較復(fù)雜，這個我們再詳細(xì)討論。還有一個就是標(biāo)定的問題，[火積]確實是這樣的。如果計算甲物體對乙物體的[火積]，應(yīng)該用乙物體的溫度，就是環(huán)境溫度，對象的溫度作為標(biāo)定，不是乘T，而是乘T－T0。還有剛剛盧文強(qiáng)老師提到的，我們現(xiàn)在用的是宏觀模型，我自己有一個認(rèn)識，它應(yīng)該和微觀模型是一致的，我們這方面做得還很不夠，謝謝這方面的提醒。
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        【發(fā)言2】陶文銓：場協(xié)同原理及其應(yīng)用
        我這個報告是基于2006年在印度古瓦哈地以及2007年在南非國際會議特邀報告基礎(chǔ)上修訂而成的，共分為6個部分。
        第一部分，引言。我們知道強(qiáng)化傳熱是國際傳熱界熱門的研究課題，單相傳熱強(qiáng)化的機(jī)理有三種解釋：①減薄熱邊界層；②增加流體的擾動；③增加壁面附近速度梯度。到20世紀(jì)末沒有一種統(tǒng)一的理論。1998年，過增元先生通過把邊界層能量方程對邊界層厚度從零到外邊界做積分，在外邊界上溫度的一階導(dǎo)數(shù)為零，我們就得到了這么一個結(jié)果，等號前面是兩個矢量的點積，等號后面是壁面換熱量，而矢量點積等于兩個矢量的模乘以兩個矢量夾角的余弦。夾角越小，乘積越大，所以在相同的溫差下，兩個矢量的夾角越小，傳遞越強(qiáng)烈。根據(jù)Webster字典的定義，當(dāng)幾個作用同時在一起時，如果它們是互相合作的或者是聯(lián)合的，這種情況叫協(xié)同。因此我們就把這樣的概念叫做場協(xié)同。夾角叫協(xié)同角，英語為synergy angle或者included angle。
        剛才講的是一個邊界層問題，因為傳熱里面很多是橢圓形的流動，所以，有必要把它推廣到橢圓形流動。橢圓形流動的控制方程要增加一個流動方向的二階導(dǎo)數(shù)項，把這個方程對外掠后臺階的換熱區(qū)域做積分，把對邊界的積分分歸為流體邊界和固體邊界兩部分，得到等號前面是這個積分量減去通過流體的導(dǎo)熱，等號后面是固體的換熱量。傳熱學(xué)告訴我們，當(dāng)Peclet數(shù)小于100的時候，流體沿主流方向的導(dǎo)熱量可以忽略不計，那么得到積分和邊界層積分完全一樣。即使考慮主流方向的流體導(dǎo)熱，也不過是百分之幾的差別，因此剛才的結(jié)論基本上是成立的。
        2005年，過增元先生進(jìn)一步地把場協(xié)同理論歸納為三點。第一，協(xié)同角α也就是速度跟溫度梯度的夾角應(yīng)該越小越好； 第二、第三個標(biāo)量，即速度絕對值、溫度絕對值和cos α。應(yīng)該同時越大越好；第三，截面上速度和溫度分布應(yīng)該盡可能均勻。過先生的這篇文章發(fā)表在2005年國際傳熱雜志上，是最近5年國際傳熱界引用最多的文章之一。我們團(tuán)隊在第一方面做了一些工作，現(xiàn)在向各位匯報一下。
        第二部分，我們來看怎么來表示協(xié)同。做應(yīng)用的時候需要知道怎樣設(shè)計才能使速度與溫度梯度協(xié)同更好。局部協(xié)同角是一個非常好的選擇，局部協(xié)同角怎樣平均呢? 我們曾經(jīng)研究了多種平均方式:簡單的平均、體積加權(quán)等。我們的研究表明，除了簡單平均外，別的無論哪一種方式，雖然絕對值不一樣，但是變化趨勢是一致的，這個非常好。因為研究協(xié)同角的變化趨勢是最主要的，而不是它的絕對值，因此，除了簡單平均以外，各種的平均都可以采用。
        對流換熱又分為兩種極端情況。第一，速度與溫度梯度是平行的，同向時流體被加熱，逆向時流體被冷卻，這個情況具有最高的效率，也就是說，速度和傳熱量成正比；第二，速度和溫度梯度垂直，這是最差的情況，這時速度的提高對增加傳熱毫無好處。我們將要用實驗證明這一條。
        第三部分，我們用實驗和數(shù)值模擬來驗證這個基本理論，這個理論剛出來的時候很多人不理解，質(zhì)疑也很多，我們就用一個個例子說服人家。這里我還是保持這個發(fā)展的過程來敘述。我們最早做的是單管外掠翅片管束，翅片除了增加傳熱面積以外，還能強(qiáng)化協(xié)同。在這個區(qū)域，流速和等溫線是平行的，溫度梯度是垂直于等溫線的，所以在這個區(qū)域速度和溫度梯度是基本垂直的，這里基本上沒有傳熱。加上翅片以后，等溫線變了，溫度梯度跟速度是平行的，所以大大強(qiáng)化傳熱，因此翅片不僅能增加面積，而且能大大改善協(xié)同。當(dāng)雷諾數(shù)等于10時，指數(shù)幾乎是一次方，這是最好的強(qiáng)化情況，隨著雷諾數(shù)增加，傳熱同時增加，但指數(shù)逐漸減小。我曾經(jīng)根據(jù)這個結(jié)論否定了我們的好幾篇文章。其中的實驗結(jié)果得到雷諾數(shù)的指數(shù)大于1，我說絕對不可能，我有基本原理支持。第二個例子，外掠板束。我們知道這個角度是很重要的，我們的實驗發(fā)現(xiàn)，30°的時候角度最好，我們接受過增元先生的原理后做了計算，發(fā)現(xiàn)30°時候協(xié)同角最小，所以進(jìn)一步證明了原理的正確性。第三個例子，外掠板束的流動與換熱。我們知道板的厚度有影響，采用了K-epsilon低雷諾數(shù)模型作了研究，發(fā)現(xiàn)隨著板的厚度增加，Nu是增加的。注意，Nu是以板長為特征尺度的，跟厚度無關(guān)。隨著板的厚度增加，協(xié)同角也越來越小，這是協(xié)同原理所關(guān)心的事。第四個例子，關(guān)于波紋管。我們做了實驗測定和局部模擬，每個地方的極值都和極值相對應(yīng)。凡是Nu低的地方協(xié)同的角度就大，Nu高的角度就小。第五個例子，關(guān)于旋轉(zhuǎn)通道，有兩種旋轉(zhuǎn)，徑向旋轉(zhuǎn)和軸向旋轉(zhuǎn)。我們的博士生做了計算，隨著旋轉(zhuǎn)數(shù)的增加，對于徑向旋轉(zhuǎn)，Nu是增加的，截面整個平均的協(xié)同角度是越來越低的。對于軸向旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)了最低Nu，此處協(xié)同角成了最高值，兩者完全一致。第六個例子，外掠管束。我們知道，隨著橫向節(jié)距與縱向節(jié)距不同，換熱是變化的，比如說，隨著縱向節(jié)距的增加，換熱降低。同樣，協(xié)同角正好相反，隨著縱向節(jié)距增加，協(xié)同角增加，所以說兩者完全一致。第七個例子，湍流大渦模擬結(jié)果。我們剛才講的是湍流的兩方程模型，我們用大渦模擬做了一個通道，就是下面加熱，上面冷卻，兩側(cè)絕熱，我們在計算的時候用400多萬個網(wǎng)格，做了6種不同的上下溫差傳熱布置。我們從大量的數(shù)據(jù)總結(jié)進(jìn)行對時間的平均，再計算它的角度，發(fā)現(xiàn)隨著Gr增加，Nu增加，同時協(xié)同角降低，據(jù)我所知，這是第一次用大渦模擬數(shù)據(jù)證明場協(xié)同理論的正確性。第八個例子是關(guān)于燃料電池的。我們知道，燃料電池中氣體在流道里流動，然后擴(kuò)散到膜，產(chǎn)生電流，這個流道板有各種各樣的結(jié)構(gòu)，對燃料電池肯定有影響，我們研究這個流場板的特性。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電流小的時候平直通道下降很快，而點狀通道下降就慢得多，所以說點狀通道比平直通道要好。我們知道，在質(zhì)交換膜燃料電池中，通道里面是質(zhì)交換，濃度和溫度是對應(yīng)的，因此我們想，濃度如果與速度協(xié)同好，那么特性一定會更好。所以，我們就分析了流場板的平行通道和點狀通道，數(shù)值模擬結(jié)果證明，平行通道流場板的角度是那么大，而點狀通道就要小得多，所以點狀通道特性好，就是因為點狀通道中濃度梯度與速度方向的協(xié)同關(guān)系非常好。
        還有螺旋折流板換熱器，我們常規(guī)的垂直折流板換熱器有很多的缺點，比如容易結(jié)垢、振動等。20世紀(jì)80年代，國外發(fā)展了螺旋折流板換熱器，流體做螺旋狀前進(jìn)，有很好的特性，螺旋角的角度很重要，角度是90°的時候就是垂直折流管，0°就是縱向流動，很多實驗結(jié)果證明，40°的時候角度最好。我們要問一下，40°的是不是協(xié)同角最小的呢? 我們做了數(shù)值計算，1000萬網(wǎng)格，證明確實如此。對于螺旋折流板，之所以40°的時候特性最好，就是因為協(xié)同角最小。
        我們曾經(jīng)說過，如果溫度梯度和速度是垂直的，流體的速度大小對傳熱沒有好處，以前文獻(xiàn)從來沒有過，也沒有實驗。我們做了一個實驗，當(dāng)流動到充分發(fā)展的時候，流動方向速度跟溫度梯度是完全垂直的，我們要證明流速的大小和傳遞的熱量毫無關(guān)系，熱量傳遞主要取決于兩側(cè)的溫差，就是自然對流Gr。我們做了三個溫差，10℃，20℃和30℃，10℃的時候換熱量大概是40W，20℃時候是70W，30℃的時候大概是l00W。流動從零到很高的Re，換熱量基本上沒有什么變化，有一些變化是實驗中問題造成的，所以我們的實驗再一次證明，當(dāng)溫度梯度和流速垂直的時候，流速增大對傳熱毫無好處。
        第四部分，我們要用場協(xié)同原理來進(jìn)行換熱器的改進(jìn)設(shè)計。現(xiàn)在的場協(xié)同原理可以把原來的三種強(qiáng)化單相對流換熱的理論完全統(tǒng)一起來：第一，邊界層減薄，就等于是減小協(xié)同角，這是外掠平板的計算結(jié)果。沿著流動方向，對流換熱系數(shù)逐漸降低，協(xié)同角逐漸增加。所以說，熱邊界的增厚就意味著協(xié)同角的增加，這兩者是一致的; 第二，增加流體熱擾動。我們在通道中加上兩個圓柱體，這兩個圓柱體不增加傳熱，只增加擾動。我們計算發(fā)現(xiàn)，增加擾動以后，換熱大大增加。同時，增加擾動以后，整個區(qū)域的協(xié)同角大大降低，所以說，增加擾動實際上就是改善了協(xié)同。第三，增加壁面速度梯度。我們在通道中間加個棒，在相同體積流量的條件下，就使壁面速度梯度增加了，這個棒就是起這個作用。我們發(fā)現(xiàn)，增加了棒以后，整個通道傳熱大大增加，同時整個通道的平均協(xié)同角大大降低，所以，增加壁面速度梯度也就是大大地改進(jìn)速度跟溫度梯度的協(xié)同。
        然后，我們把這個思想用于開發(fā)換熱器。我們知道，現(xiàn)在大量使用開縫翅片，縫沿流動方向基本是均勻布置的，這個看起來非常合理，但實際上是不合理的。我們通過數(shù)值計算分析發(fā)現(xiàn)，在等溫線跟流線垂直的區(qū)域，也就是溫度梯度跟流線是平行的區(qū)域，在這個區(qū)域不要用強(qiáng)化或者少用強(qiáng)化措施，因為，強(qiáng)化是要付出代價的。但是到了等溫線跟速度平行的地方，溫度梯度和速度是垂直的，我們要強(qiáng)化，必須要在這兒強(qiáng)化，我們可以用一份的力量得到兩份的好處。因此我們提出，沿流動方向均勻開縫是不合適的，開縫必須前面疏后面密，這就是所謂的前疏后密原則。
        針對某廠的翅片我們提出了三種前疏后密方案，最終選擇了最好的一種做了實驗，傳熱系數(shù)最少增加了26%，而阻力只增加了22%。我們知道，對氣體的強(qiáng)化技術(shù)，常常是壓降的增加倍率比傳熱增加倍率大。我們實現(xiàn)了傳熱增加大于壓降增加。這已經(jīng)被該廠采用，在國內(nèi)得到應(yīng)用。
        增加壁面速度的梯度，在同樣體積流量下，因為壁面附近速度梯度大，傳熱就好。怎么來增加壁面速度梯度呢?我們在中間加一個棒，在相同體積流量下就把速度梯度提高了。管內(nèi)是空氣流動，外面是冷卻水，我們通過數(shù)值模擬和實驗研究找出協(xié)同最好的情況，我們深人地做了一個實驗。管子里面，傳熱增加了20%-40%，而阻力只增加6%-11%，我們又一次實現(xiàn)了傳熱增加倍率大于阻力增加的倍率，這個已經(jīng)被沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠采用。另外，最近我們研究了縱向渦發(fā)生器，我們知道20世紀(jì)的文獻(xiàn)中提及了多種縱向渦發(fā)生器。縱向渦發(fā)生器在換熱器中的布置位置以及其幾何尺度對傳熱有影響，我們最近做了實驗，也做了數(shù)值模擬，首先證明了我們的數(shù)據(jù)模擬軟件是有效的，跟實驗數(shù)據(jù)符合得相當(dāng)好，定性一致，定量相差在10%以內(nèi)。在平行板通道里面專門做了發(fā)生器，來流角度30°- 45° 對傳熱有不同程度的影響，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于沒有發(fā)生器的平壁通道。如果說我們選擇好角度，不僅傳熱強(qiáng)化，阻力還可能下降。再來看場協(xié)同角，有縱向渦時場協(xié)同角大大的下降，這是縱向渦發(fā)生器被實際應(yīng)用的情況。我們正在跟工廠進(jìn)行應(yīng)用研究，在傳熱不減少，阻力有所下降的條件下可以從6排管減少到5排。2002-2009年，我們的團(tuán)隊發(fā)表了23篇關(guān)于場協(xié)同的國際期刊文章，至今已經(jīng)被國內(nèi)外期刊引用了330次，其中被SCI期刊引用222次，相當(dāng)于每篇9.7次，單篇引用最高70次，同時我們很自豪地說，在傳熱學(xué)第四版里面，我們已經(jīng)把這個場協(xié)同的基本思想寫到里面去了（504頁），這是國內(nèi)外第一次把場協(xié)同原理寫到本科生的教材里面。也正是因為這一點，傳熱學(xué)第四版真正體現(xiàn)了中國特色。
        第五部分，下面是需要進(jìn)一步做的工作。首先，為了研制高效低功耗的強(qiáng)化傳熱元件，實施低碳能源技術(shù)，需進(jìn)一步研究速度場、溫度梯度與壓力梯度之間的協(xié)同關(guān)系，以進(jìn)一步達(dá)到在壓力增加比較少，甚至不增加的情況下強(qiáng)化傳熱。限于時間我就不多說了。第二，相變傳熱強(qiáng)化管束自1974年以來一直是基于實驗的研究，還沒有做到理論分析。比如說，我們每年要為很多廠家測試這種管子，對不同的介質(zhì)，不同的條件下究竟什么形狀最好，現(xiàn)在還沒有一個成熟可靠的理論分析方法。工程技術(shù)員只能用顯微鏡把好的結(jié)構(gòu)描述下來，然后到工程里去用，我們覺得只要把場協(xié)同原理和傳熱與流動的多尺度模擬結(jié)合起來，就有望從理論上理解這個問題。
        第六部分，我發(fā)言的基本結(jié)論如下：首先場協(xié)同原理表明，改進(jìn)協(xié)同，使溫度梯度和速度方向一致，能大大的強(qiáng)化傳熱; 第二，場協(xié)同原理揭示了單相對流傳熱的最基本的強(qiáng)化原理，所有的單相對流的強(qiáng)化技術(shù)。我們都可以用場協(xié)同原理來解釋; 第三，協(xié)同角對于揭示局部換熱較差的位置是很好的指標(biāo)，我們要強(qiáng)化一個換熱表面，必須要把什么地方協(xié)同最差找出來，為找出最差的地方可以用數(shù)值模擬方法，場協(xié)同原理給我們提供了一個非常好的改進(jìn)換熱效果的方法; 最后，我們需要將場協(xié)同的原理推廣到相變換熱，進(jìn)一步研究速度、溫度梯度、壓力梯度之間的協(xié)同，以為開發(fā)高效低功耗的強(qiáng)化換熱元件提供理論依據(jù)。
        我們感謝過增元先生最近幾年對我們團(tuán)隊的幫助，也感謝國家自然科學(xué)基金委多個基金、“973”項目、博士點基金的資助對我們的幫助，還有我們十幾位研究生在博士、碩士論文中做的工作。
         
        【討論】馬重芳: 我先提一個問題，除了速度場和溫度梯度兩個場之外，您還提到了壓力梯度場。第三個場的概念是不是跟阻力損失有特別的關(guān)系呢?您能不能介紹一下這方面的工作呢?陶文銓: 場協(xié)同原理已經(jīng)給我們提供了一個比較有效的辦法，在相同條件，壓力增加很小的情況下，傳熱增加很多，基本上還是在速度和溫度梯度中。我們進(jìn)一步認(rèn)為，必須要考慮三者之間如何配合，使得壓差增加最小，傳熱增加最好，或者單位泵功消耗下，傳熱效率最高，這個跟節(jié)能減排是密切相關(guān)的，這個工作難度更大一些，我們正在進(jìn)行研究。周遠(yuǎn): 看來核心問題就是速度和熱流方向的角度問題，角度的問題，當(dāng)然一個方法就是要改變結(jié)構(gòu)，除了這個之外，剛才陶文銓教授也說了，如果雷諾數(shù)增大，邊界層減小，角度也會變化的。剛才講了三個因素，還有沒有別的因素? 很多搞物理的人提出了這個問題，可能場協(xié)同在層流下比較顯著，在馬赫數(shù)很大的情況下，不一定要用場協(xié)同的理論，還有多少因素來影響這個角度? 這個角度是怎么產(chǎn)生的? 這些問題我覺得還是應(yīng)該仔細(xì)地來討論討論，是不是可以請具體做這個工作的人來回答一下角度的產(chǎn)生還有沒有別的因素影響? 因為增加翅片最好了，但是阻力會增加，所以說要看看還有沒有別的什么辦法。比如說適當(dāng)加入一些蒸汽，或者是里面加一些顆粒什么的。我印象當(dāng)中就是三個因素，即邊界層、結(jié)構(gòu)和溫度。能不能加一點顆粒或者是其他的什么東西? 有沒有考慮過這個辦法?劉偉: 首先，我認(rèn)為場協(xié)同的理論是中國人自己的理論，要想在世界上立起來必須要大家共同的努力。剛才陶文銓教授講得非常好，有二十幾篇文章。這里我有幾個小的問題:第一，提出這個理論，我認(rèn)為是一個非常大的方向，一個大的原則，一個大的體系，這里還有一些細(xì)節(jié)需要不斷地豐富完善，使之更加成熟。從協(xié)同的角度看，因為這個場里的量比較多，基本量是溫度、壓力和速度，還有梯度量比較多，是不是除了溫度場和熱流之間的量之外，也可以通過其他物理量和梯度量的信息反映出來? 這樣是不是可以得到更加完備的關(guān)聯(lián)式，而這個協(xié)同是和強(qiáng)化傳熱是完全聯(lián)系的，是一個方法體系。第二個問題，關(guān)于場協(xié)同理論。現(xiàn)在來看，我們做換熱器設(shè)計和檢驗的時候，從理論上或者是上升到理論層面有兩個問題，一個是優(yōu)化設(shè)計的問題，一個是性能評價的問題。對于場協(xié)同，我問一下過增元先生和陶文銓先生，是不是場協(xié)同更偏重于對性能的評價，而[火積]耗散和[火積]的原理更偏重于對性能的優(yōu)化。我們開始可能要構(gòu)建這樣兩個不同的方向。第三個問題，關(guān)于傳熱強(qiáng)化的評價問題。不光是對換熱的評價，換熱越強(qiáng)，性能越好，同時還要考慮對減阻的評價。還有一個綜合評價，就是陶文銓老師剛才講的綜合評價，怎么樣從場協(xié)同的一系列關(guān)系中建立起準(zhǔn)確的強(qiáng)化傳熱的準(zhǔn)則，這些準(zhǔn)則既可以評價傳熱強(qiáng)化，又可以評價流動減阻，又能夠反映綜合性能，也就是綜合節(jié)能的性能，這個就是要在體系上可以進(jìn)一步去完備的。第四個問題，對于強(qiáng)化傳熱，或者說場協(xié)同，在流場里是否還有場協(xié)同不能涉及或者是達(dá)到的地方，或者是失效的地方? 比如說我們講的回流和渦。如果說從回流的地方或者是渦的地方，速度會產(chǎn)生和主流方向反向的速度，有渦的地方，回流的地方，傳熱從高溫到低溫，梯度的方向不會發(fā)生大的變化，局部會產(chǎn)生變化。如果說局部產(chǎn)生渦和回流了，那個時候的方向性怎么去考慮? 由此想到了為什么平均協(xié)同角有時候會產(chǎn)生比較大的誤差，或者是像剛才陶老師講的我們有不同的評價方式，有五六種評價方式，每一種的趨勢大體相當(dāng)，但是評價起來相差還是比較大的。就是說平均協(xié)同角還有一些誤差，這些誤差是不是因為在那些發(fā)生渦的地方場協(xié)同還不能達(dá)到，這個還需要進(jìn)一步的去考慮。最后，我認(rèn)為這個理論是普適性的理論，是否在推廣上也應(yīng)該有一個普適性的描述，相變、多孔問題是不是也應(yīng)該有一些普適性的描述? 這些描述都是嚴(yán)格的數(shù)據(jù)描述加上數(shù)值推導(dǎo)，不僅僅是數(shù)據(jù)計算和驗證?；氐轿覄偛抛铋_始提到的問題，這個理論非常好，是中國人自己的理論，大的原則，大的框架，大的體系，需要在方方面面不斷的改進(jìn)和完善，這就需要我們共同去努力了。陳則韶: 這方面的文章很早送到我這里來評審過，剛開始學(xué)習(xí)沒有今天聽得這么真切，我覺得是一個非常好的、新的熱的理論體系。陶文銓院士把場協(xié)同原理非常具體化地實施起來，要不然不知道這個場協(xié)同原理怎么完成設(shè)計。剛才陶院士提出了三個耦合量，速度、溫度梯度、壓力，我覺得可以歸結(jié)為兩個問題來討論，因為我在研究熱泵輸運(yùn)熱量的時候，這個是逆自然自發(fā)過程，是要付出代價的。這里面牽扯很多的換熱器，又牽拉熱泵的熱力制冷的循環(huán)，是以兩種方法來進(jìn)行熱量輸運(yùn)的。第一種就是我們?nèi)藶榈膭?chuàng)造出溫差; 第二，是在傳熱上面要消耗。比如說熱泵，是輸入了一種可用能的形式。因此，在我們做總體平衡研究的時候，正在探討究竟是用熱泵的方法把溫差拉大好，還是在換熱器上面加入了一些空氣提升水泵的流動好，這兩種能量的消耗對于輸運(yùn)究竟哪種更好? 我想也可以納入一個場協(xié)同的思路里去，甚至把過增元院士的主要用于傳輸熱量的問題擴(kuò)展到熱功系統(tǒng)里面的做功的上面。另一個熱泵制冷是消耗動力的系統(tǒng)，是不是把協(xié)同原理可以擴(kuò)展為熱功系統(tǒng)的協(xié)同原理? 因為我們做研究的時候發(fā)現(xiàn)，即使把換熱器做得很好，在標(biāo)準(zhǔn)工況下是可以的，但是一旦出現(xiàn)了壞的環(huán)境溫度變化的時候，所有的這個協(xié)同問題又應(yīng)該怎么考慮? 我覺得這是一項非?，F(xiàn)實的對節(jié)能和低碳有更廣泛的意義的工作。華澤釗: 我覺得這個理論是沒有什么可懷疑的，但是我有異議的是這個名稱為什么叫場協(xié)同，協(xié)同本身是有一個含義，就是無序到有序的共同規(guī)律，現(xiàn)在好像有限制，這也限制了這個理論的發(fā)展，就像剛剛童秉綱教授說的，我不要場協(xié)同，我要場不協(xié)同，讓它傳熱減小。過增元: 場協(xié)同的理論只能是一步一步地走，能使用什么范圍就使用什么范圍。陶老師提出來有可能擴(kuò)展到三個場的協(xié)同，同時提出了相變，這是從實際需要出發(fā)提出的。對于童秉綱院士的氣動熱力學(xué)，這里共同的、有可能探討推廣的，一個是瞬態(tài)問題，另一個很重要的是因為里面有粘性耗散，所以是有內(nèi)熱源的場協(xié)同，這給我們提出了很好的課題和挑戰(zhàn)。目前我們在瞬態(tài)情況做了一點工作，但是如果再加上內(nèi)熱源的話，我們從來沒有做過，這方面值得考慮一下。華澤釗老師提的問題我也考慮過，我們的協(xié)同跟哈肯的協(xié)同論有什么區(qū)別?哈肯的協(xié)同論很寬泛，整個自然界的現(xiàn)象都想?yún)f(xié)同。另一個，他是從無序到有序; 我們這兒比較窄，就是談一個傳遞過程之間的協(xié)同。因為和諧跟協(xié)同不一樣，這個大家可以探討。我們有協(xié)同數(shù)，有具體的東西，有表達(dá)式，研究的問題比較窄，要優(yōu)化，要提高能源效率，哈肯的理論和這個毫無關(guān)系。我不是說我們一定對，只是把原始的想法跟大家匯報一下。
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        【發(fā)言3】童秉綱、鮑麟：關(guān)于氣動熱辦學(xué)的研究
        童秉綱: 剛才聽了陶教授的發(fā)言，對于速度場、溫度場協(xié)同的問題，我很有興趣，我們正在研究氣動熱力學(xué)的有關(guān)問題，所謂氣動熱力學(xué)，就是空氣動力學(xué)和熱科學(xué)的結(jié)合，我們對問題的目的不一樣，我們希望減少到物面的傳熱，希望更多的熱量傳入大氣，傳入物體的很少。我們正在做非定常氣動熱力學(xué)研究，也涉及非定常速度場和溫度場的關(guān)系。所以，我委托鮑麟副教授介紹一下，因為這個會議也是提倡學(xué)科的交叉性。
        鮑麟: 非常高興有這個機(jī)會與諸位專家交流我們做的工作。我們課題組做氣動熱力學(xué)研究，同傳熱學(xué)既有區(qū)別，又有聯(lián)系。這個學(xué)科關(guān)注高超聲速流體或高溫流體運(yùn)動規(guī)律及其與固體相互作用規(guī)律問題。剛才聽了場協(xié)同理論也受到啟發(fā)，在此介紹我們的相關(guān)工作，希望各位專家給予指正。
        Allen在20世紀(jì)50年代提出載人式航天飛行器采用大鈍頭外形可以減弱空氣對飛行器物面的加熱作用?；趫鰠f(xié)同的觀點分析其原理可知: 在高超聲速飛行時，飛行器鈍頭前產(chǎn)生一道很強(qiáng)的脫體激波，激波和飛行器之間存在緊貼物面的熱空氣層。在此層內(nèi)，空氣流動和物面幾乎是平行的，而空氣對物面的加熱作用是沿著物面法向，所以流場和溫度場梯度方向是近似垂直的，表現(xiàn)為“反協(xié)同”現(xiàn)象，因此空氣對飛行器物面?zhèn)鳠嶙钚　?/p>
        現(xiàn)今，近空間高聲速飛行器受到極大關(guān)注。這類飛行器不同于早期的載人式航天器，它可以在大氣層內(nèi)長時間飛行且機(jī)動能力強(qiáng)，需要考慮速度和溫度邊界條件隨時間變化對物面加熱的影響，即研究非定常氣動力學(xué)，其中非定常速度場和溫度場耦合下非穩(wěn)態(tài)傳熱是關(guān)鍵問題。此問題不同于低速傳熱情況。以可壓縮邊界層流動為例，描述傳熱規(guī)律的能量方程中除了對流和熱傳導(dǎo)項，還有非定常項、壓縮功項和耗散項。此時速度場和溫度場相互作用是什么特征? 是不是有場協(xié)同原理存在?
        接下來，我們通過非定?？蓧嚎s平板邊界層模型流動作一些理論探討。該模型是一個無窮大平板浸沒在流體當(dāng)中，可以沿著自身運(yùn)動。通過變換分析發(fā)現(xiàn)此問題控制方程組具有線性特征。因此我們解析兩種典型情況: 一個是平板的突然啟動問題，在初始時刻，平板從靜止開始突然啟動，物面溫度也發(fā)生突然改變。另一個是周期性振蕩問題，平板速度和溫度隨時間周期性振蕩。其他任何非定常速度和溫度邊界條件引發(fā)的流動解都可以表達(dá)為以上兩種典型問題解析解的線性疊加。通過考察兩種情況下平板速度場和溫度場解隨時間變化特征均發(fā)現(xiàn): 首先，兩者的解析解均存在相似的誤差余函數(shù)項，僅差一個參數(shù)—— Pr數(shù)，實際這都是由分子擴(kuò)散導(dǎo)致的速度和溫度場隨時間變化，即動量擴(kuò)散和能量擴(kuò)散，其比例由Pr數(shù)衡量。其次，二者區(qū)別在于溫度場還受到流動產(chǎn)生的耗散等作用，其影響幅度和Ec數(shù)（正比于Ma數(shù)的平方）呈正相關(guān)，即速度越高，耗散影響越大。在第二種情況中，耗散影響幅度還與速度溫度振蕩頻率比有關(guān)。進(jìn)一步對比考察物面的摩擦力和熱流變化規(guī)律，也可以得到類似結(jié)論。
        通過上述討論，我們已經(jīng)看到，在非定常高速流動中的傳熱問題有新特點: 溫度場和物面熱流演變規(guī)律由擴(kuò)散和耗散等作用共同決定，不僅取決于分子擴(kuò)散等物性，還取決于Ec數(shù)等流動參數(shù)。此時場協(xié)同原理是否仍然存在，能否應(yīng)用，目前還不清楚，請各位專家指正。
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        【發(fā)言4】程林：基于場協(xié)同原理的換熱器設(shè)計平臺
         無論換熱科學(xué)與技術(shù)怎樣的進(jìn)步與發(fā)展，它總是面對不斷前進(jìn)的現(xiàn)代工業(yè)文明提出的更高的要求。這種廣闊的生產(chǎn)需求，一方面使熱傳遞科學(xué)與熱交換技術(shù)迅速成為國際上最具活力及影響力的研究領(lǐng)域之一，另一方面又使得熱交換技術(shù)始終表現(xiàn)出與生產(chǎn)實際的差距。特別是在我們國家，表現(xiàn)得尤為突出。換熱器是一個非常大的產(chǎn)業(yè)，應(yīng)用十分廣泛。在電力、冶金、化工、建材以及食品等重要的行業(yè)之中，熱能是能源的主要表現(xiàn)形式，有80%的熱量需要換熱器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)不同的工藝要求。所以，換熱器性能的每一分提高，都意味著巨大的社會與經(jīng)濟(jì)效益。
        提高換熱器性能的方法有三個方面，即過程控制、高效元件和設(shè)計方法。關(guān)于高效元件，剛才陶文銓教授已經(jīng)講了很多了，我主要談一下設(shè)計方法。在換熱器設(shè)計方面，向前一直追溯到20世紀(jì)40年代早期，幾乎所有的研究都是把平均溫差作為設(shè)計參數(shù)，而后又有了有效度和傳熱單元數(shù)法的概念。著名的換熱器設(shè)計專家Shah在他的設(shè)計方法評估中明確指出，相對于對數(shù)平均溫差法更偏愛有效度-傳熱單元數(shù)法。但是，在無明確性要求的背景下，我們也沒有理由拒絕對數(shù)平均溫差法。有時候忽視了平均溫差，會失去對整個換熱器工作狀態(tài)的正確的理解能力。我本人提出了一種基于平均傳熱溫差和有效單元數(shù)的分段直接設(shè)計法，在基本參數(shù)努謝爾特數(shù)中引入耗散指數(shù)，即一個新的判別式—— Nuf1/n = C，這是我自己提出來的，一直用在我和我的同事們的一些大型換熱器設(shè)計之中，效果還不錯。但是，很遺憾，我找不到它的物理意義。也許，它本身就沒有什么有價值的物理意義。在換熱器設(shè)計中有明確物理意義的是過增元教授提出的場協(xié)同理論。場協(xié)同理論的基本描述是: 換熱器中冷熱流體溫度場間的協(xié)同越好，換熱器的換熱性能就越好，相同條件下的有效度越高。在過增元教授早期的研究中，稱該原理為換熱器強(qiáng)化的溫度均勻性原則，即: 當(dāng)傳熱單元數(shù)和熱容量流比給定時，換熱器中冷熱流體間的溫度場越均勻，其有效度越高。
        事實上，場協(xié)同理論是在傳熱過程中大家都知道并充分理解的常識，或者說是一種基本的規(guī)律。以場協(xié)同理論為指導(dǎo)，已經(jīng)有了非常多的傳熱元件方面的成功案例。但是，即使有再多的個體也并不意味著全部，能不能用場協(xié)同理論作為一種設(shè)計方法得到應(yīng)用呢? 我們?nèi)匀幻媾R考驗。我本人認(rèn)為，再好的理論，如果沒有工程應(yīng)用，那么，這種理論就必須等待時間的檢驗。將場協(xié)同理論用在傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計方法里，是完全不可能實現(xiàn)的。因為沒有辦法知道哪個地方是協(xié)同的，哪個地方是不協(xié)同的，也沒有辦法控制它。只能用換熱器直接設(shè)計的方法，而現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展使換熱器直接設(shè)計成為可能。場協(xié)同理論已經(jīng)有了一個很完整的數(shù)學(xué)表達(dá)式，這樣，通過數(shù)值計算的方式，可以使得換熱器在其傳熱過程的每一個局部都盡可能地有較好的協(xié)同性。
        直接設(shè)計能夠確定換熱器表面最佳尺寸的同時也能滿足所有限定的熱力參數(shù)，但一般局限于那種換熱面尺寸完全代表整個換熱器表面的換熱器。因此，就產(chǎn)生了一個問題。那就是根據(jù)我們目前對場協(xié)同理論的理解和把握，我們恐怕還沒有辦法使得整臺換熱器具有同一個目標(biāo)函數(shù)下的處處協(xié)同。盡管我們可以利用數(shù)值計算的方式對我們所需要設(shè)計的換熱器進(jìn)行大量的計算，使之最大限度地協(xié)同。這對高校和研究機(jī)構(gòu)來說不是問題，但對于企業(yè)和商業(yè)應(yīng)用來說，則有著許多困難。以這樣的方式形成一個可以廣泛使用的商業(yè)軟件的可能性是非常小的，因為你不能要求使用者為了使用你的軟件去買一臺服務(wù)器或者是小型機(jī)。這樣，我提出了分段直接設(shè)計的思路，即在確定尺寸之前所有的最終溫度首先被確定，已知數(shù)據(jù)仍包括: 熱負(fù)荷，冷熱流體的進(jìn)出口溫度，兩側(cè)的幾何尺寸，兩種流體的質(zhì)量流量，在平均溫度為定性溫度下兩種流體的物理特性、結(jié)構(gòu)材料的物理特性。在選定幾何尺寸之后，在努謝爾特數(shù)上加人一個耗散指數(shù)，換熱器兩側(cè)同時在恰當(dāng)?shù)睦字Z數(shù)范圍內(nèi)計算換熱特性，并得到換熱曲線。在相同的雷諾數(shù)范圍內(nèi)計算兩側(cè)的壓力損失，得到兩條獨立的壓損曲線，兩條壓損曲線與熱傳遞曲線相交，以最右邊的交點為設(shè)計的原始點。在換熱和耗散關(guān)系式恰當(dāng)?shù)那闆r下，完全的數(shù)值運(yùn)算就變得有可能，從而使傳遞過程熱阻最小的目標(biāo)在換熱器設(shè)計中得到體現(xiàn)。與努謝爾特數(shù)相關(guān)聯(lián)的耗散指數(shù)很重要，是實現(xiàn)換熱器分段直接設(shè)計的關(guān)鍵，我們需要利用它進(jìn)行判別。這個判別式就是剛才我所提到的 Nuf1/n = C，利用這個判別式我們設(shè)計了相當(dāng)數(shù)量的換熱器，最大的100MW以上，最小的0.35MW，應(yīng)用比較廣泛。
        污垢降低了換熱器的性能，通過改變換熱表面的幾何尺寸計算出它在換熱器中的大部分影響，是換熱器設(shè)計中必不可少的一部分。流體誘導(dǎo)振動導(dǎo)致元件的損壞與運(yùn)行中的噪聲，防止這種破壞性振動是換熱器設(shè)計過程中的一個準(zhǔn)則，同時，利用流體誘導(dǎo)振動強(qiáng)化傳熱又始終充滿了誘惑。通過換熱器的分段直接設(shè)計方法，使這幾方面的內(nèi)容分別找到有效的解決途徑。
        基于以上思路，我和我的同事們完成了一個正在測試的換熱器設(shè)計軟件。首先，以場協(xié)同理論為基礎(chǔ)，采用分段直接設(shè)計，尋找一個簡單的判別式優(yōu)化傳熱結(jié)果。這樣，就可以在換熱器設(shè)計中采用傳統(tǒng)方法，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸人之后，自動進(jìn)行不同的計算。整個軟件最大的特點是界面非常友好，比如說，計算完成之后，會自動形成一個換熱器的三維圖，見圖1。這個三維圖可以使設(shè)計者以不同的角度進(jìn)行觀察，看一看是否足夠漂亮，還有哪一些細(xì)節(jié)沒有考慮到，等等。同時，這個軟件還會把所有的部件自動分離出來，給設(shè)計者以足夠的空間，將其自身的智慧、感覺以及價值取向自由地表達(dá)出來。
         
        圖l 換熱器三維結(jié)構(gòu)示意圖
        現(xiàn)在的這個軟件在標(biāo)注方法上也有一些不同。設(shè)計者可以點擊選擇任何一個部件，隨即展示一個三維的立體尺寸標(biāo)注。這樣，設(shè)計者可以很直觀地看到每一個部分的大小、比例和細(xì)微的結(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)計者對整體和各個部件均高度認(rèn)同之后，軟件會給出通用工程圖，以供制造者使用，見圖2。
         
        圖2 換熱器二維幾何結(jié)構(gòu)示意圖
        圖3 換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法流程圖
        至此，也許我們可以看到，綜合考慮傳熱、阻力、污垢、振動的影響，努力實現(xiàn)換熱器基準(zhǔn)使用年限的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)（見圖3），僅僅依靠我們已有的工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我們應(yīng)該努力尋找建立在科學(xué)基礎(chǔ)之上的設(shè)計新方法。
        剛才我們提了一個公式，是完全基于研究者本人長期從事?lián)Q熱器設(shè)計積累經(jīng)驗而得出來的，缺乏更加深人的科學(xué)思考。我們能不能提出一個新的耗散因子呢? 比如說，過增元教授提出的 ψ＝1/2 × k(dT/dx)2，這樣，目標(biāo)就是 Zφ ＝ ∫V k(dT/dx)2 dV 最小。我們由此也會形成一個嶄新的、過去從未有過的換熱器熱力設(shè)計平臺。
        以這樣的方法進(jìn)行換熱器設(shè)計，在理論上已不存在任何問題，但在具體的技術(shù)層面尚存許多困難。耗散因子和目標(biāo)函數(shù)的物理意義都很明確，但是，我們采用什么樣的方式來進(jìn)行計算呢? 至少在目前我們還沒有令人滿意的答案。顯然，我們需要更多的智慧，也需要更多的努力。
        【討論】王立秋：剛才聽到各位代表的發(fā)言，我很受啟發(fā)。擴(kuò)展多場協(xié)同，還是沿著能量方程這個路走，這個很重要。剛才劉偉教授也提到了回流區(qū)怎么辦? 好像那個問題不是場協(xié)同的問題，是能量方程的問題。因為能量方程是從熱力學(xué)第一定律建立的，這沒有問題，但是能量方程有很多的假設(shè)才能用熱力學(xué)第一定律。其中一個假設(shè)就是導(dǎo)熱過程和對流過程相互獨立，兩個之間的關(guān)系互相不影響的，才有我們現(xiàn)在都用的能量方程。但是一到回流區(qū)，比如說納米回收這些領(lǐng)域中，導(dǎo)熱和對流相互作用，影響就表現(xiàn)出來了。我們怎么再進(jìn)一步發(fā)展場協(xié)同理論呢? 我們要從本質(zhì)上看，不是速度場影響傳熱，而是相對速度場影響傳熱。有一個量就是速度的梯度，因為速度本身是一個質(zhì)量，速度的梯度是張量，這有兩部分，對稱的部分一般叫速度應(yīng)變張量場，是真正反映相對運(yùn)動的。如果接受這個觀點，就有速度應(yīng)變張量場和速度配合的問題。怎么配合呢? 可以證明，一般應(yīng)變的張量場用D表示，D場是張量場和溫度梯度相互作用，出來三個相互獨立的質(zhì)量場，一個是溫度梯度本身，再有D和溫度梯度直接作用形成的一個場，也是一個質(zhì)量場，還有D的平方和溫度梯度相互作用的一個場。這三個質(zhì)量場至今是相互獨立的，其他也可以作用。問題就在于我們進(jìn)一步發(fā)展場協(xié)同理論，讓這三個質(zhì)量場之間相互作用。有了這套理論之后，我相信回流的問題，還有其他可能應(yīng)用場協(xié)同理論過程中發(fā)現(xiàn)的一些問題，說不定也能解決。所以我想，是不是場協(xié)同能夠沿著剛才說的這三個場之間配合的方向發(fā)展，這還只是導(dǎo)熱和對流的關(guān)系，當(dāng)然還有同類的問題，還有多場協(xié)同的問題，這是導(dǎo)熱和對流的協(xié)同問題，可能本質(zhì)上應(yīng)該是那三個場的協(xié)同。當(dāng)然了，傳統(tǒng)的能量方程大部分過程都是適用的，但是對于極端情況下原來沒有考慮的導(dǎo)熱和時流相互作用這一項，影響可能會比較大。劉林華: 在工業(yè)里面有很多高溫的過程，如果輻射的比重比較大，場協(xié)同是不是還是速度場和溫度場夾角的問題? 我們知道輻射跟溫度梯度沒有關(guān)系，它是全場的溫度分布。剛才程林教授講的其中有一個鍋爐，鍋爐里面有一個輻射增壓加熱的過程，用速度場與溫度場的協(xié)同可能不行，這里可能有一些值得探討的地方。另一個問題，剛剛大家討論的問題都是單純的對流換熱過程，假如說這里面有質(zhì)量的傳遞過程，組分有混合或者是擴(kuò)散過程，比如在燃燒過程中，這種協(xié)同關(guān)系是不是仍然滿足? 應(yīng)該說協(xié)同的概念可以擴(kuò)展，但是究竟怎么樣協(xié)同? 速度場與溫度場，還是與別的場，是不是一定沒有夾角? 隨著應(yīng)用的范圍擴(kuò)展，這個可能也有不同的協(xié)同關(guān)系。
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        【發(fā)言5】李志信：場協(xié)同方程與對流傳熱優(yōu)化
         剛才陶文銓教授講的場協(xié)同理論，為我們指出了對流傳熱強(qiáng)化或者說優(yōu)化的方向，但是，場協(xié)同理論很難確定什么樣的速度場與溫度場協(xié)同的最好，什么樣的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)速度場與溫度場協(xié)同的最好，應(yīng)該說，依據(jù)場協(xié)同理論，這是不好預(yù)測的。也就是說，對于如何改善速度場和溫度場的協(xié)同，場協(xié)同原理并不能給出一個清晰的答案。
        談到對流換熱的優(yōu)化，就意味著要尋找最優(yōu)的速度場。所謂對流傳熱的優(yōu)化是與節(jié)能有關(guān)系的。若輸送流體的泵功相同，優(yōu)化目標(biāo)尋求的是傳熱量最大;若傳熱量相同，尋求的是泵功最小。
        剛才過增元教授發(fā)言時候談了[火積]的概念。實際上，傳熱過程是一個不可逆過程，如何評價其不可逆性呢? 這就跟傳熱過程的優(yōu)化密切相關(guān)了。熱量傳遞過程與動量輸運(yùn)不同，動量輸運(yùn)過程中，動量是守恒的，耗散的是機(jī)械能，耗散的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。傳熱過程中傳遞的是熱量，熱量是守恒的，也就是說，不可能耗散熱量，這是傳熱過程特有。我們認(rèn)為，傳熱過程耗散的是過增元教授提出的[火積]。
        有了[火積]這一描述物體傳熱能力的物理量，我們就可以去尋求熱量傳遞過程中滿足[火積]耗散為極值時的速度場，這就是所謂對流傳熱的優(yōu)化。要尋找最優(yōu)的速度場，條件是泵功給定，原因在于不可能把所有復(fù)雜的問題都包括進(jìn)來。優(yōu)化的結(jié)果是使場協(xié)同數(shù)最大，換句話說，傳遞的熱量最大。這樣，問題又可以歸結(jié)為: 給定粘性耗散（泵功和粘性耗散有關(guān)），尋求其[火積]耗散極小時的速度場，這是一個泛函求極值問題。
        對于這樣一個泛函求極值的問題，我們可以建立如下泛函：
        該泛函對速度求變分，就會得到關(guān)于速度場的歐拉方程：
        我們稱之為“速度場協(xié)同方程”。這個方程是在動量方程中附加了的一項體積力（等式左邊括弧部分），稱為協(xié)同力。該附加體積力可以使流體沿著溫度梯度的方向產(chǎn)生流動，其結(jié)果使得速度場與溫度場協(xié)同的更好。
         有了速度場協(xié)同方程，我們就可以尋找最優(yōu)流場的形式。下面給出兩個典型的例子。一個是圓管內(nèi)的層流換熱的最優(yōu)流場，圖1圓管內(nèi)層流對流換熱的最優(yōu)流場求解的結(jié)果是: 給定溫度邊界條件時，它是由八個渦（圖l）或者是四個渦組成的多縱向渦的流場結(jié)構(gòu)?？v向渦流動結(jié)構(gòu)，使得沿傳熱方向存在速度分量。與通常情況相比（流動沿管軸向，傳熱由管壁傳向管中心），速度與溫度梯度的夾角變小，按照場協(xié)同理論可知，傳熱可以得到強(qiáng)化。
        圖1 ：圓管內(nèi)層流對流換熱的最優(yōu)流場
         另外一個例子是平行平板間通道內(nèi)的湍流換熱。與層流換熱類似，我們推導(dǎo)了湍流換熱的場協(xié)同方程。與層流換熱相比，相對更復(fù)雜一些。求解結(jié)果同樣是多縱向渦的流動結(jié)構(gòu)，但是，它是靠近壁面附近的尺度非常小的渦結(jié)構(gòu)，與層流情況相比，有很大的區(qū)別。
        圖2 ：平行平板間湍流換熱的最優(yōu)流場
        獲得最優(yōu)速度場形式有什么用呢? 我舉兩個例子。一個是改造世界，就是發(fā)展一些新的強(qiáng)化技術(shù)，要求同功耗條件下?lián)Q熱能力比較強(qiáng)，節(jié)能效果比較好。
        第一個例子是開發(fā)的雙斜內(nèi)肋管（圖3）。剛才講到層流對流換熱的最優(yōu)流 場是八個縱向渦，這里，雙斜內(nèi)肋對為3對，所以，產(chǎn)生了3對縱向渦(圖4)，與最優(yōu)流場比較接近。也就是說，依據(jù)最優(yōu)流場的結(jié)構(gòu)形式，人們可通過通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計，產(chǎn)生接近最優(yōu)流場的流動結(jié)構(gòu)，以便實現(xiàn)換熱的強(qiáng)化或優(yōu)化。
        圖3 ：雙斜內(nèi)肋管
        圖4 ：雙斜內(nèi)肋管內(nèi)的流場和溫度場
        另一個例子是微肋管，在空調(diào)行業(yè)用得比較多。微肋管對層流換熱的強(qiáng)化幾乎沒有什么作用，但對湍流換熱的強(qiáng)化效果非常好，而且，阻力增加比較小。前面提到，對湍流換熱來說，優(yōu)化速度場是在壁面附近薄層內(nèi)形成的粘性底層厚度2－3倍的渦，依據(jù)該最優(yōu)流場結(jié)構(gòu)，通過分析就可以確定，微肋管應(yīng)用工況下的最佳肋高度，或給定微肋管的最佳運(yùn)行工況。
        最后我給大家提幾個問題。場協(xié)同圖4雙斜內(nèi)肋管內(nèi)的流場與溫度場理論盡管可以在很多地方用，但是還有很多不完善的地方和很多問題需要進(jìn)一步的研究。比如說剛才講的復(fù)雜的對流傳熱問題的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，還有不同的不可逆過程，包括有輻射，如何優(yōu)化? 還有就是剛才陶文銓教授講的帶相變問題，怎么去優(yōu)化? 還有剛才提到的帶有傳質(zhì)的對流傳熱過程，同時存在粘性流動、對流傳質(zhì)和對流傳熱三個不可逆過程，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)如何選取? 實際上，場協(xié)同理論的進(jìn)一步發(fā)展還有許多問題需要解決，希望大家能夠多提出一些建設(shè)性的意見。
         
        【討論】過增元: 剛才李老師介紹了優(yōu)化，回答了劉偉教授提出的問題，就是有渦，場協(xié)同能不能用，看起來能用，因為有渦的話，一部分肯定是逆著協(xié)同方向走的，但另外一部分協(xié)同得更好，所以總體效果還是好的。我提一個問題，根據(jù)場協(xié)同溫度和速度場的協(xié)同關(guān)系，我從應(yīng)用角度考慮，是不是能考慮這么一個參數(shù)，即雷諾數(shù)和馬赫數(shù)比值。因為它象征了粘性耗散的準(zhǔn)則，如果是這么一個比值，既要考慮粘性又要考慮它的速度場，因為馬赫數(shù)和它的溫度場是相關(guān)的，如果用這個做一個準(zhǔn)則數(shù)來考慮協(xié)同關(guān)系，可能會更好。馬重芳: 我很榮幸在20世紀(jì)90年代就得到了過增元先生的很多指教，同時也在兩個“973”項目中參加過這部分的工作，第一個項目是華澤釗教授主持的，第二個項目是程林主持的。我個人覺得場協(xié)同理論是一個很大的突破，1981－1984年，我在西方的強(qiáng)化場協(xié)同理論主要的創(chuàng)始人Bergles教授那兒學(xué)習(xí)，我看到他做的工作真的是沒有什么機(jī)理，也沒有想去做，只是分類或者是提出一些推則。當(dāng)然他也做了很多工作，但是沒有對這個機(jī)制進(jìn)行研究。在2002年、2005年以及2008年，Bergles教授三次都到工業(yè)大學(xué)來訪問，2002年專門開了一個研討會，主要就是把過增元先生和其他教授所做的這些工作介紹給他。當(dāng)然，西方一直是主導(dǎo)著傳熱學(xué)的強(qiáng)化理論和實踐方面的工作，一開始讓他們接受中國人提出的理論是很難的，因為他們做慣了學(xué)術(shù)的帶頭人，但實際上經(jīng)過一系列的工作，Bergles教授對過增元所提出的這些理論有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)可，態(tài)度也是有很大的轉(zhuǎn)變。我覺得這是一件很不容易的事情。另一方面，我也有幸成為2000年國家科技進(jìn)步獎的電力熱能和民用核能評審組成員，由何雅玲教授、陶文銓教授提出的、用場協(xié)同指導(dǎo)的強(qiáng)化傳熱的元件和設(shè)備得到了國家發(fā)明獎二等獎。我作為這個項目的主審專家，也學(xué)到了很多東西。我覺得從國際上的承認(rèn)和工程上的應(yīng)用來看，場協(xié)同理論經(jīng)過將近20年的努力，得到了很大的認(rèn)可和成功，應(yīng)該說是一個很好的成績。但是我個人也同意大家所提的意見，現(xiàn)在這還是在原理的探索階段，當(dāng)然我個人覺得可能是一個普適性的原理，但是真正要推廣到各個方面，比如說湍流怎么去用。今天陶院士也講了一些計算機(jī)模擬的工作，但是我個人覺得還都是剛剛開始。至于去做相變，我覺得現(xiàn)在還看不到一個很清晰的路子。但是這個相變傳熱絕對不是一個小問題，因為制冷工業(yè)一定是有蒸發(fā)器、冷凝器，動力工業(yè)有朗肯循環(huán)，這個相變是絕對跑不掉的，而且相變的換熱器內(nèi)部發(fā)生什么過程，不用說去作理論分析，就是實驗測量，比如說一個很普通的家用空調(diào)器的蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)部的流場、溫度場還有相分布。到現(xiàn)在為止，不僅中國人沒有人做這個，全世界也沒有人做。因為這個問題太復(fù)雜了，但是不解決這些問題怎么解決制冷工業(yè)和動力系統(tǒng)的問題呢?現(xiàn)在所做的還是很初步的，因為我做了很長時間的射流沖擊，最簡單的例子是射流沖擊的駐點的溫度是最高的，在駐點區(qū)肯定是層流。我們做過十幾種流體，最后就是陶文銓院士講的，努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系，都是實驗做出來了，就是0.5，我有十多個研究生做這個，用不同的流體得到的一定是這個數(shù)據(jù)。盡管是層流，但是駐點的換熱是最強(qiáng)的，怎么解釋呢? 過增元先生的理論就很好的解釋了，因為速度場、溫度梯度和熱流密度之間的場夾角是0。但是這還是一個很簡單的情況，如果加上湍流還有過渡流呢? 剛才陶文銓院士講到了雷諾數(shù)不可能大于1，我補(bǔ)充一點，在經(jīng)驗公式上也有大于1的，大于1就是過渡流。因為稍微增加一點速度，就從層流過渡到湍流了，所以說，在過渡區(qū)雷諾數(shù)的影響是非常可觀的，指數(shù)可能是1.1、1.2，對此文獻(xiàn)都有報道。在這種情況下，你說怎么去協(xié)同?剛才程林教授所提的，如果把場協(xié)同理論從科學(xué)探索變成一種設(shè)計的方法，設(shè)計的準(zhǔn)則，所要做的工作就更可觀了。但是無論如何，我們中國肯定是最大的換熱器制造國，所以這個強(qiáng)化換熱理論由中國人來主導(dǎo)是很好的，這個主導(dǎo)者應(yīng)該就是過增元教授。但是他的研究剛剛開始，只是說解釋，陶文銓先生解釋前疏后密，從其他的方式也能解釋啊，用邊界層也可以解釋。所以現(xiàn)在還是一種解釋性的，真正要解釋問題還要走很長的路。當(dāng)然中國人能夠提出自己的理論，是很了不起的。我覺得我們中國人主導(dǎo)了換熱器的基本的強(qiáng)化理論是理所當(dāng)然的。我就講這些話，講得不對請大家批判。程林: 坦率地說，我們國家是換熱器制造大國，但是我們?nèi)匀徊皇菗Q熱器制造強(qiáng)國，換熱器的設(shè)計水平和發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距。比如，現(xiàn)在用理論進(jìn)行一些設(shè)計，應(yīng)該說做出來的性能和法國造、美國造、日本造的產(chǎn)品依然有差距。我們也做了螺旋直流板，盡可能地在實現(xiàn)場協(xié)同的條件下做出來之后和ABB的在性能上仍然有著較大的差距。所以，有了這樣一個理論之后，并不代表著在實踐之中完全的成功，只是給我們提供了一個空間，提供了一個努力的空間或者是說提供了一個努力的方向。我想我們還是應(yīng)該能夠認(rèn)識到一點，無論是在制造水平、設(shè)計水平上，還是在研究人員的數(shù)量和自身的能力上，我們?nèi)孕杼岣摺＜儗賯€人觀點，不當(dāng)之處還請更加猛烈的批判。劉偉: 我剛才講流場中形成的渦，在描述上一點問題都沒有，不管一個渦或者多個渦，就是在局部地點的回流，那么小的地方，流體在那里打轉(zhuǎn)的地方是不是會產(chǎn)生一些誤差? 我是做一點補(bǔ)充。周遠(yuǎn): 我同意馬重芳教授的看法，中國人在理論上有發(fā)展的確是我們中國人的驕傲，但是也要踏踏實實的，盡量地努力去做。從現(xiàn)在講的情況來看，我個人覺得確實有一些應(yīng)用的，而且作用還是比較清楚的。剛才李志信講到了，將[火積]和場協(xié)同放在一塊兒，我認(rèn)為它們是相互補(bǔ)充的。用場協(xié)同理論來說，首先要把場協(xié)同搞好，但是還要[火積]耗散小，就是兩個要協(xié)作起來。場協(xié)同做得很好了，熱流方向與流動方向也很好了，但是你這樣做的結(jié)果還要讓[火積]耗散最小，這就比較理想了。還有，就是幾個場的角度問題。這個問題若深入研究，有很多的事情可做。為什么會產(chǎn)生這個角度? 比如說在管道里，氣體在進(jìn)來的時候的方向就是這樣的，像旋流器里面有一些網(wǎng)，這個網(wǎng)是有傳熱功能，也有過濾的功能，如果管道里面又有一些阻礙，實際上會影響角度的。這個角度是怎么產(chǎn)生的? 這個問題非常重要，怎么產(chǎn)生，而且怎么讓它達(dá)到最佳值，就是所謂的場協(xié)同的要求，可能產(chǎn)生的機(jī)理還是比較重要的。一個是氣體跟固體的相互作用，會產(chǎn)生什么樣的角度? 我們怎么做才能讓這個角度適合我們的要求，達(dá)到場協(xié)同的要求?還有一個是與液體的，氣體、液體、固體三項，相互作用會產(chǎn)生場，產(chǎn)生的角度怎么用表達(dá)式表達(dá)出來? 大家知道，現(xiàn)在有納米材料，顆粒已經(jīng)很小了，可以做到幾十個納米，研究人員把一些顆粒放到制冷機(jī)里面去，放到氟利昂里面。從傳熱的角度考慮，把顆粒放進(jìn)去以后，會影響流動，也就是說可能會改變這個角度。剛才程林教授講的公式，這個l/n的摩擦系數(shù)和我講的顆粒究竟有什么關(guān)系?大家不要以為在氣體里面增加一些顆粒，阻力一定就要變大，不一定是這樣的。大家知道，在輸油管道里，如果用適當(dāng)?shù)牧扛m當(dāng)?shù)念w粒，阻力會減小。研究顆粒對于摩擦系數(shù)和相位角究竟有什么作用，我覺得里面還有好多基礎(chǔ)性的問題可以研究。我是研究制冷的，制冷的流動是交變的，但是交變的角度就非常重要，這個角度是怎么產(chǎn)生的? 我們一直在研究這個問題。我跟我的學(xué)生一直講，如果把角度的問題解決了，很多問題就很好解決了。為什么會產(chǎn)生交變流動呢? 就是因為產(chǎn)生了角度，如果沒有角度，同向，那就沒有問題了。質(zhì)量流和壓力的相位如果是一致的，就很好做了，所有熱力學(xué)、流體力學(xué)的方法都可以用，但是就是因為產(chǎn)生這些角度，現(xiàn)在那些公式，比如穩(wěn)定流動定常流動的公式就不好用了。所以研究氣體、固體、液體的分子之間角度產(chǎn)生的原因，我覺得是非常重要的。這里面還是有很多的事情可做，做了以后的確可能為我們整個的節(jié)能減排，為我們整個的能源利用帶來好處。何雅玲: 上午聽到各位專家的很多發(fā)言，有很多創(chuàng)新性的思想，我覺得收獲很大。我談三點不成熟的看法。第一，場協(xié)同理論的意義引導(dǎo)我們從經(jīng)驗設(shè)計到理性設(shè)計的上升過程。前不久我去參加山東海信的鑒定會，在會上他們的變頻空調(diào)取得了很好的效果。當(dāng)時談到幾個創(chuàng)新點，一個是在“兩器”上，實驗證明換熱性能提高了8%－15%。另外還有一些變頻的技術(shù)。當(dāng)時我就問他，我說你有什么樣的技術(shù)? 他的答辯人員說你跟我們具體的技術(shù)工程師交流一下，技術(shù)工程師說，以前的換熱器的設(shè)計中，很多是試做法，像“兩器”，我們做了大量的測試，有一些只是經(jīng)驗的東西，若是冷凝的，想辦法來破壞這個膜，想辦法強(qiáng)化它; 如果是蒸發(fā)的，要使它沸騰。他說，偶爾的機(jī)會看到過增元先生的場協(xié)同這本書，看完以后感覺思路明朗化了，就是有目的的設(shè)計。在我們的研究中確實有這樣的一些體會，很多東西能夠理性地去思考，去布置一些東西，由被動變成主動，這個意義是一方面。第二個方面，一個體系的完善確實有漫長的過程，但是很重要的一點是能夠指導(dǎo)我們的實際工作。在我們解決方向性的問題上是很好的，在化學(xué)熱力學(xué)上不是說不成立，但是更有效的是拿吉布斯函數(shù)或者是其他函數(shù)描述化學(xué)勢等等更方便一些。剛才也有人提到了場協(xié)同在某一些場合，比如輻射等方面，是不是應(yīng)用?我覺得這是一個漫長的過程。但是也不是強(qiáng)求什么東西都拿一個標(biāo)準(zhǔn)，在某種場合可能是表現(xiàn)為另外一種形式，可能是更方便大家使用。第三個方面，我想探討一下，剛才很多人問[火積]是不是一個狀態(tài)參數(shù)，剛才周遠(yuǎn)院士提得很對，我曾經(jīng)也跟過增元院士探討過，為了方便起見， 能不能把[火積]做成類似于焓熵圖等以更便于客戶直接用。如果它是狀態(tài)參數(shù)，這個東西很好用，比較方便能夠做出來。我自己的體會，你應(yīng)該是有條件的狀態(tài)參數(shù)。比如說[火用]，我們在定義了環(huán)境溫度后才能唯一確定，如果基準(zhǔn)不定，可能也不一樣，當(dāng)然也有很多問題需要探討，是不是濃也是在一定條件下的狀態(tài)參數(shù)，可能便于應(yīng)用。許明田: 聽了以上討論，我受益匪淺。第一個受益就是，傳熱學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)不協(xié)調(diào)，有一些矛盾，如何把它們協(xié)調(diào)起來這是非常重要的問題。我們沿這個思路做了一些初步的探索，把[火積]耗散稍微進(jìn)行了改進(jìn)，包括引進(jìn)粘性阻力的影響，建立了一個新的[火積]耗散極值原理，通過這個極值原理就可以推出，一維穩(wěn)態(tài)剪切流的能量方程和質(zhì)量平衡方程，這個方程和我們傳統(tǒng)的傳熱學(xué)、流體力學(xué)能量方程是一致的。我們知道這些穩(wěn)態(tài)不可壓縮剪切流的控制方程是由兩個定理支配的，一個是傅里葉定律，一個是牛頓粘性定律。將來，[火積]耗散極值原理和這兩個定理是協(xié)調(diào)的，我們看到了一些曙光，將沿著這個方向繼續(xù)努力下去。關(guān)于過增元先生提出的熱質(zhì)的概念，有質(zhì)量，一運(yùn)動就有慣性，有慣性，就變成波，過增元先生也提出了這個波，這樣跟傳統(tǒng)的熱力學(xué)就矛盾了，所以我們還沿著這個方向往下探討，現(xiàn)在又?jǐn)U展不可逆熱力學(xué)，要把傳統(tǒng)的方式進(jìn)行改進(jìn)?，F(xiàn)在的理論主要是基于C－V模型，我們現(xiàn)在就想基于熱質(zhì)模型進(jìn)行改造，一旦改造之后，吉布斯方程改變，溫度的概念要重新進(jìn)行定義。我們知道，現(xiàn)在的溫度定義在微尺度下是不行的，不適用微尺度傳熱，必須要重新定義，所以這方面我們也想繼續(xù)沿著這個方向來走。還有的專家提出來用分子動力學(xué)，比知說玻爾茲曼方程，我們以前做了一些工作，想沿著這個方向，通過玻爾茲曼方程，看能不能從理論上推出熱質(zhì)模型，在理論上、技術(shù)性上更強(qiáng)。另外，我們在換熱器設(shè)計方面做了一些初步的應(yīng)用，根據(jù)過增元先生提出的[火積]耗散的概念，考慮了[火積]耗散數(shù)，同時考慮到了阻力的影響，以它為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，得到了一些初步的結(jié)果，這些初步的結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案和初始方案相比，不僅換熱器有效度提高了，并且提高的幅度很大，當(dāng)然也要繼續(xù)檢驗一下我們的軟件是否有問題，因為在提高的很大的同時，泵功減小了。但是我們發(fā)現(xiàn)付出的代價就是面積增大了，所以我們現(xiàn)在的努力方向就是在面積不增，負(fù)荷不變的情況下，通過改變換熱器內(nèi)部幾何關(guān)系，看看是不是可以使換熱器的效能得到提高。陶文銓: 我補(bǔ)充三點。第一，只要符合質(zhì)點的定義我們就可以用。第二，質(zhì)交換時是否可行? 剛開始我們的年輕教師碰到過這種事情，燒磚的時候要有氣流，里面有水蒸氣濃度，他們發(fā)現(xiàn)燒的效率不高，氣流的方向和水蒸氣的濃度垂直，最后建議改變這個氣流方向，減小角度，燒磚的效果大大提高了，這就是質(zhì)交換適用的例子。第三，關(guān)于場協(xié)同原理的適用范圍。我個人看法是這樣的，如過增元先生所講，對于不同的層次，如果在速度與標(biāo)量梯度這個層次上，只要控制方程里面存在，有U跟標(biāo)量梯度點積這一項，那么它一定是成立的。鄭平: 今天幾位代表講了很多，我個人認(rèn)為在場協(xié)同理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用的情況下，尤其到對流方面大家都是承認(rèn)的。今天有幾位代表講了局限性方面，跟相變方面，我個人認(rèn)為相變最重要的是接觸角，一定要從微觀來強(qiáng)化傳熱，我個人認(rèn)為是非常重要的，尤其是創(chuàng)新方面。張寅平: 我是來學(xué)習(xí)的，我有幾個問題想請教一下。第一，場協(xié)同對強(qiáng)化換熱是非常有幫助的，我聽了過增元老師講的[火積]以后，覺得地更觸及物理本質(zhì)。場協(xié)同最好的時候就是[火積]耗散最小時，那么可以說場協(xié)同還是唯象，到后面還有一些物理實質(zhì)的東西。[火積]耗散講的是耗散，場協(xié)同協(xié)同最好的時候和這個物理本質(zhì)之間是什么關(guān)系呢? 我特別希望能夠再了解一下? 就是耗散怎么影響了協(xié)同，我對這個問題很感興趣。第二，幾個場是可以類比的。速度場、電場、傳熱場類比以后有很多的量，那兒有的這兒應(yīng)該也有，那兒沒有的這兒可能也就沒有。類比的本質(zhì)可能又建立在物理上共同的地方，我想問一下這幾個場在物理上共同點是什么? 也就是支持它類比本質(zhì)的共性特征，我特別想了解一下這兩個方面。吳晶: 大家好! 先自我介紹一下，我叫吳晶，原來是過增元老師的學(xué)生，現(xiàn)在在南航工作。剛才大家提到[火積]到底是一個過程量還是狀態(tài)量，可能對于這個大家產(chǎn)生了困惑，如果和熵做類比，大家可能會減少一些困惑。熵是一個狀態(tài)量，在熵方程里面熵流、熵產(chǎn)都是過程量，所以說，在[火積]里面[火積]是一個狀態(tài)量。在不可逆過程中有熵產(chǎn)，還有[火積]的某種變化。所以，在熵里面，熵是狀態(tài)量，熵流是過程量，我想[火積]流也是過程量，熵產(chǎn)是過程量，[火積]耗散和熵產(chǎn)去對應(yīng)也應(yīng)該是過程量。我就是將[火積]和熵進(jìn)行類比，這么解釋大家會稍微明白一點。最后，我想以一句話跟大家共勉，這也是我原來做學(xué)生的時候過增元老師經(jīng)常說的一句話。大家知道，熵的微觀定義是由玻耳茲曼提出來的。他說過這樣一句話:“結(jié)果一旦發(fā)現(xiàn)是如此的簡單，但是到達(dá)的過程卻是漫長而艱辛的。”我想這也多少能夠反映出我們在探索[火積]這個理論或者是場協(xié)同理論這條道路上所應(yīng)該能夠去獲得的一些收獲。杜東興: 我有一些想法，關(guān)于[火積]是一個狀態(tài)參數(shù)，現(xiàn)在來說好像沒有什么嚴(yán)格的理論證明，無論是從物理上還是從數(shù)學(xué)上，還沒有嚴(yán)格的證明，所以也不敢妄下結(jié)論。但是我們從熵是狀態(tài)參數(shù)的證明過程可以得到一些啟示，因為熵是狀態(tài)參數(shù)，來源于卡諾循環(huán)，根據(jù)卡諾定律，然后根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出了熵這個參數(shù)。我想，有沒有可能尋找一種最簡單的情況下，最優(yōu)化的過程，通過場協(xié)同理論得到一個最簡單的、最優(yōu)化的過程。在這種情況下，無論是導(dǎo)熱還是對流，阻力最小，傳熱最大，當(dāng)然是相對值。對這樣的情況進(jìn)行分析，有沒有可能推出[火積]呢? 能不能得出一個狀態(tài)參數(shù)，而這個狀態(tài)參數(shù)正好是Q×T，從物理的發(fā)現(xiàn)上可以得到狀態(tài)參數(shù)，這是我非常不成熟的想法，不知道有沒有參考意義，歡迎大家進(jìn)行討論和批判。華澤釗: 我看了過增元老師的原著，不是這么一個概念，這個Q是物質(zhì)所含有的能量，不是過程傳遞的能量，如果把Q乘上T的話是一個過程量。所以說，實際上是內(nèi)能和溫度之間的乘積，如果兩者都是狀態(tài)量，這個乘積就是狀態(tài)量。從這樣一個角度看，可以定義任何狀態(tài)量，因為任何一個量所含的東西只是狀態(tài)的函數(shù)，它就應(yīng)該是狀態(tài)量。[火積]這個值和焓的值一樣，和熵的值一樣，它有一個基準(zhǔn)面。它的定義里有一個小問題，這個T應(yīng)該從0℃開始算，從0℃開始積分積到T的話是沒辦法積分的，所以一定要取某一個面作為基準(zhǔn)面，從這個基準(zhǔn)面上開始算。楊茉: 對于[火積]的物理解釋，我認(rèn)為，內(nèi)能本身也是溫度函數(shù)，不是獨立變量，應(yīng)該把內(nèi)能里面的溫度項分出去，因為有的時候內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)，這樣就變成了一個量，所以我覺得應(yīng)該把內(nèi)能里面的溫度分出去，這樣可能物理上更清晰一些。陳則韶: [火積]的參數(shù)已經(jīng)把傳遞過程中能量的品質(zhì)包含在[火積]的里了，這是非常有意義的。如果從熱力學(xué)第二定律以后就可闡述你在傳遞過程當(dāng)中能量的勢是怎么消耗掉的，當(dāng)然它跟能量結(jié)合在一起可以表現(xiàn)出來，明天我們談能量勢的時候我會再詳細(xì)地說一下這個問題。
        馬重芳: 我剛才已經(jīng)講了，工程熱物理是一個古老的學(xué)科，也是一個非常新的學(xué)科，特別是要解決低碳的問題，解決能源問題，應(yīng)該起一個非常大的作用。在國際會議上，我有這樣一種感覺，經(jīng)常是沒有什么太新的概念。但今天我們這個會，當(dāng)然也有很多老科學(xué)家，但是更多的是青年科學(xué)家。另外，我們有一些新的故事。我參加的一些國際會議，老是那些人，講來講去都是那些東西，用途未必很大。現(xiàn)在，我們中國人在整個能源工業(yè)還有裝備制造業(yè)方面都走在全世界的前頭，發(fā)展得很快。當(dāng)然我們還是一個弱國，雖然我們產(chǎn)量很大。過增元先生所提出的這些新的熱學(xué)概念和跟中國的動力工業(yè)、能源工業(yè)的發(fā)展密切結(jié)合。我希望我們有更多的new face和new story，我相信我們中國人一定會在未來的低碳經(jīng)濟(jì)的競爭里取得一定的優(yōu)勢。
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        【發(fā)言6】梁新剛：傳熱過程的[火積]耗散極值原理
         關(guān)于[火積]的問題，大家上午已經(jīng)討論了一些，我們下午再深人地交流。強(qiáng)化和優(yōu)化上午討論了很多，我就不重復(fù)了。關(guān)于優(yōu)化有很多的理論，熱力學(xué)中用得最多的還是最小熵產(chǎn)理論?；镜南敕ň褪庆禺a(chǎn)越小，傳熱效果越好。例如，從牛頓冷卻定律來看，給定換熱量強(qiáng)化傳熱將使傳熱溫差降低，熵產(chǎn)減小。但是熵產(chǎn)不是針對傳熱過程定義的，是針對做功的能力損失定義的。因此，熵產(chǎn)優(yōu)化傳熱過程存在一些問題。我們還是從牛頓的冷卻定律來看，如果傳熱溫差給定，強(qiáng)化傳熱顯然熵產(chǎn)是增加的。這種情況下不一致。實際上Shah和Bejan本人也發(fā)現(xiàn)一些悖論。比如說對于一些逆流換熱器，在有效度比較低的時候，隨著有效度的增加，熵產(chǎn)生數(shù)在增加，在有效度達(dá)到一定程度后熵產(chǎn)生數(shù)又隨著有效度的增加而降低了。兩者之間沒有一個單調(diào)的關(guān)聯(lián)式，所以，你用它來衡量就會得到相反的結(jié)果，這是存在的一個問題。
        有沒有一個物理量可以更好地衡量或者優(yōu)化熱量的傳遞過程? 這是要討論的問題。在歷史上，對熱學(xué)問題和電學(xué)問題做過很多的相互類比，通過類比相互促進(jìn)了發(fā)展。我們知道，導(dǎo)電學(xué)有電壓，導(dǎo)熱有溫度。電學(xué)有電流，熱有熱流，電學(xué)有電流密度，熱學(xué)有熱流密度，電學(xué)有歐姆定律，熱學(xué)有傅里葉定律，包括電荷、熱量，電學(xué)里面還有一個電容率，指單位電壓容納的電荷。還有熱容，指單位溫度可以包含多少熱量。電學(xué)里面有一個電勢能，在我們熱學(xué)方面沒有對應(yīng)的熱勢能，問題就出現(xiàn)了。對于一個物體，熱勢能如何定義? 熱勢能損耗怎么定義，就提出這樣一個問題。
        我們同樣參照電容的電勢能，來定義一個物體的熱勢能，它就等于這個物體所具有的熱量乘上這個熱量所對應(yīng)的溫度再乘以1/2，這個就是勢能。最早的時候，過老師管它叫做熱勢能，后來改成了[火積]，這個字在漢語字典里沒有，參照熵這個字定義出來的。這個字的英文也沒有，也是參照熵提出來的。
        [火積]的物理意義是什么呢?這是大家最關(guān)心的。我們看這個表達(dá)式，從它的定義類比過程當(dāng)中很清楚，是熱的勢能。它表示了熱量具有的對外傳熱的能力?？赡苓@一點不那么好理解，我們來看另外一個例子。具有一定高度的一杯水的勢能是多少? 這個問題不是很復(fù)雜，很簡單的推導(dǎo)，這杯水的勢能等于  1/2 ρgh，這個表達(dá)式和[火積]的表達(dá)式一樣，其中1/2是怎么出來的呢：是考慮質(zhì)量重心，積分出來的。在積分的過程當(dāng)中出現(xiàn)了1/2，它表現(xiàn)的是一種勢能。當(dāng)然勢能并不代表品質(zhì)的高低，是代表一種總量的大小。
        高低還是與具體的高度或者溫度的高低絕對值相關(guān)聯(lián)。如果一個物體順序地與無限多個、具有無限小溫差的物體接觸，經(jīng)過無限長的時間，對外輸出的勢能就是1/2 QT，Q是物體具有的熱量或者內(nèi)能。
        兩個物體有各自的[火積]，我們把兩個物體放在一起，經(jīng)過無限長的時間溫度重新達(dá)到一個平衡，之后就有了一個新的[火積]。我們通過數(shù)學(xué)可以嚴(yán)格地證明這個新的[火積]，Gl－G2是大于零的。在兩個物體接觸之前的[火積]和是要大于物體接觸達(dá)到平衡之后的[火積]，在這個過程中[火積]變小了，損失的部分就是[火積]耗散。所以從[火積]可以看出傳熱的不可逆性。
        [火積]的流動過程是怎么回事呢? 剛才講的是物體自身具有的[火積]，如果熱量從高溫傳遞到低溫，這個過程的[火積]怎么定義? 這個定義叫[火積]流，是指流動過程當(dāng)中的[火積]，跟物體本身具有的[火積]是不完全一樣的。
        同樣，如果熱量從高溫傳到低溫，[火積]也是變化的，也具有[火積]耗散。這是在傳遞過程中發(fā)生的。既然有了[火積]，就可以用[火積]來定義傳熱的效率。[火積]或者是[火積]耗散，在傳熱學(xué)當(dāng)中有沒有應(yīng)用，或者是怎么應(yīng)用，跟傳熱學(xué)有什么關(guān)聯(lián)?我們首先從最簡單的導(dǎo)熱問題來看一看。
        我們把導(dǎo)熱能量方程兩邊乘以一個溫度，并進(jìn)行體積分，應(yīng)用高斯定理，就得到了一個[火積]平衡方程，這個完全是數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，除了常物性外沒有任何的假設(shè)。第一項是[火積]的變化，第二項是[火積]的耗散，可以寫成一個表達(dá)式，這個大家比較熟悉。第三項是在邊界處熱量的交換，對應(yīng)前面的[火積]流，最后這一項是內(nèi)熱源加熱產(chǎn)生的[火積]的變化。
        我們可以進(jìn)一步推導(dǎo)，如果邊界熱流給定，且穩(wěn)態(tài)、沒有內(nèi)熱源時有這樣的表達(dá)式，Q是常數(shù)，剩下的是溫差，因此，如果[火積]耗散越小，傳熱的溫差就會越小。這就有了最小[火積]耗散的原理，就是說當(dāng)邊界熱流給定的時候，[火積]耗散最小的時候傳遞溫差最小。如果知道了邊界溫度，我們得到的是最大的[火積]耗散原理。就是說[火積]耗散越大，傳熱量越大。我們可以進(jìn)一步把這兩個原理合在一起，一個極大的，一個極小的，統(tǒng)稱為[火積]耗散的極值原理。
        我們平常工程上用的比較多的是熱阻。一般在一維問題中才能定義熱阻。比如說有一個高溫，有一個低溫，其他邊界是絕熱的，我們就可以定義這兩個表面之間傳熱的熱阻。如果有第三個不同的溫度，熱阻怎樣定義呢? 實際物理過程當(dāng)中還有第四個、第五個不同的溫度，在這種情況下沒有辦法用熱阻的概念，這時候我們用[火積]耗散和總的冷熱源之間的交換熱量就可以定義一個多維系統(tǒng)的有效熱阻。傳熱系統(tǒng)的[火積]耗散除以傳熱量就是熱阻。根據(jù)這個熱阻的定義，我們可以得到具有多個不同邊界溫度情況下的當(dāng)量的溫差，這個應(yīng)用起來就很明確了。
        有了熱阻的概念，我們進(jìn)一步可以把兩個[火積]耗散極值原理歸納為熱阻最小原理。這個熱阻最小原理與自然界當(dāng)中很多的物理過程一樣，是遵循一個最小阻力原則的。對于傳熱學(xué)來說，如果我們用[火積]耗散來定義熱阻的話，最后就統(tǒng)一到了最小熱阻原理。
        實際的導(dǎo)熱過程要遵循一個熱阻最小原理，對于給定限制條件的導(dǎo)熱問題，通過對[火積]耗散求極值可以獲得最優(yōu)的布局設(shè)計。不同的高導(dǎo)熱材料布置就會得到不同的分布形式，可以通過[火積]耗散極值原理推導(dǎo)出來。建立的過程是[火積]耗散在給定高熱導(dǎo)材料的條件下有極值，得到的結(jié)果是要求區(qū)域內(nèi)的溫度梯度分布是均勻的。同樣，對于這樣一個問題，我也可以用熵產(chǎn)去優(yōu)化。對于一個體-點導(dǎo)熱優(yōu)化的問題，當(dāng)給定高熱導(dǎo)率材料的用量時，我們看到用[火積]耗散最小原理優(yōu)化分布，系統(tǒng)的平均溫度是533K，用熵產(chǎn)最小優(yōu)化高熱導(dǎo)率材料的分布后系統(tǒng)的平均溫度是588K。熵產(chǎn)是需要保持做功能力最大，因此熵產(chǎn)最小原理就要求把熱量往高處傳，從結(jié)果上也可以看到，對于熵產(chǎn)優(yōu)化的情況，熱量向高溫處傳遞的更多。而[火積]耗散優(yōu)化時熱量流向低溫處更多，所以兩者優(yōu)化目標(biāo)不一樣。
        同樣，對于對流換熱的問題，我們也可以從能量方程出發(fā)，獲得一個對流換熱的[火積]平衡方程，這是流動引起的[火積]的變化，是邊界流人流出的[火積]的變化。進(jìn)一步也可以從方程出發(fā)，得到一個最小[火積]耗散原理和最大[火積]耗散原理，最后我們歸納為最小熱阻原理。我們在對流換熱過程當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，希望[火積]耗散取極值。有了這樣一個函數(shù)之后，通過求極值的辦法就獲得了場協(xié)同方程，就可以求解具體的流場分布，在實際設(shè)計當(dāng)中按照最理想的流場分布進(jìn)行優(yōu)化。
        [火積]耗散優(yōu)化還可以在哪兒用呢?在換熱器中應(yīng)用。換熱器也可以定義[火積]耗散率，是流入系統(tǒng)的總[火積]減去流出系統(tǒng)的總[火積]。用[火積]耗散同樣可以定義一個換熱器的熱阻，不管總的[火積]是多少，只考慮[火積]的耗散。利用換熱器的熱阻最小原理進(jìn)行優(yōu)化。
        例如圖1這個逆流的換熱器，橫坐標(biāo)是傳熱單元數(shù)，這條線是換熱量，顯然隨著傳熱單元數(shù)的增加，換熱量是增加的。再來看換熱器的熱阻是怎么變化的?隨著換熱器熱阻的降低，換熱量在增加，所以熱阻與換熱量建立了一個一一對應(yīng)的關(guān)系。
        圖1 ：逆流換熱器換熱量，熵產(chǎn)數(shù)和熱阻隨傳熱單元數(shù)的變化規(guī)律
        我們計算了很多不同的換熱器，迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)例外，如果哪位可以發(fā)現(xiàn)例外是最好的了，可以提出一些挑戰(zhàn)。
        關(guān)于輻射系統(tǒng)有沒有[火積]的原理。我認(rèn)為，輻射系統(tǒng)和導(dǎo)熱對流不太一樣，不一樣在哪兒呢? 我們這里強(qiáng)調(diào)的是表面輻射，還沒有考慮體積輻射。我們知道輻射引起的熱流傳遞是黑體的輻射力，因此對輻射來說熱量傳遞的驅(qū)動勢是黑體的輻射力，所以它的驅(qū)動勢跟導(dǎo)熱、對流是不一樣的，這是區(qū)別。對于輻射來說，可以定義[火積]流，也是離開表面的熱流乘上表面的勢。這個推導(dǎo)完全遵照現(xiàn)有的傳熱學(xué)的定律，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，最后得到了一個對表面輻射的煙平衡方程。
        我們來看左面這一項是什么呢? 指的是離開全部表面的[火積]流的和，其中Q是離開表面的凈熱流，右面這一項是表面間輻射換熱引起的[火積]耗散的和，這里面用了一個輻射因子，和角系數(shù)定義不同，當(dāng)然，吸收因子也遵循一些定律等等。
        同樣的，我們可以進(jìn)一步來推導(dǎo)，也可以獲得輻射換熱問題的最小[火積]耗散原理和最大煙耗散原理，最終我們可以進(jìn)一步地定義一個熱阻，把這兩個極值原理歸結(jié)到唯一的熱阻原理，細(xì)節(jié)就不說了。
        通過我們前面簡單的介紹，對三種傳熱方式我們都得到了穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源情況下的[火積]耗散極值原理，同時最終得到了最小熱阻原理。利用這些[火積]耗散極值原理可以優(yōu)化傳熱、傳質(zhì)和流動等過程。
        當(dāng)然還有非常非常多的問題需要進(jìn)一步解決，進(jìn)一步加深理解。比如說，上午有很多同行提了多場耦合的時候，有不同性質(zhì)的[火積]同時存在的時候相互關(guān)系是什么，[火積]在優(yōu)化非穩(wěn)態(tài)傳熱中的應(yīng)用等。有一些問題我們想清楚了，還有一些沒有想清楚的，希望在座的同仁一起給我們提建議。
        【討論】王立秋: 在定義[火積]的時候有時候叫熱量，有時候叫能量，符號是Q，研究熱力學(xué)的人一般認(rèn)為Q就是熱量，但是計算公式里面用了CVT，嚴(yán)格來講內(nèi)能包含兩部分，第一部分是CVT，加上第二部分，但是第二部分往往很小，可以忽略不計。我不知道是叫熱量合適還是叫內(nèi)能更合適? 因為一般研究熱力學(xué)的人認(rèn)為熱量是從一個系統(tǒng)到另一個系統(tǒng)，由于溫差而傳遞的能量，而不是系統(tǒng)本身的能量。在熱力學(xué)上，大寫的U是熱能，Q是熱量。金紅光: 我提幾個看法，對這個方向的研究不是一天兩天了，每次討論都有新的認(rèn)識。在“973”中期評估的時候，我認(rèn)為大家只考慮傳熱的強(qiáng)化是不夠的，比如說我們所里面也討論過這個傳熱系統(tǒng)能夠提高10倍，我提一個問題節(jié)能多少，他說，你怎么這么提問題? 就是僅指出傳熱需要強(qiáng)化，但是沒有去和效果溝通起來。所以這次過院士強(qiáng)調(diào)的是從強(qiáng)化傳熱，從場協(xié)同原理一直到研究熱量傳遞有效性，這個是傳熱學(xué)和熱力學(xué)非常重要的一個交叉學(xué)科。剛才看到[火積]的定義是對外傳熱能力，這一點我認(rèn)為是表達(dá)出來了，確實是這樣的。但是這個對外有好幾個說法，比如在熱力學(xué)里面，有兩個能力的表示，一個是[火用]，對環(huán)境的最大做功能力。化學(xué)反應(yīng)的時候是反應(yīng)溫度的最大做功能力。這里所說的對外傳熱能力中對外是什么? 應(yīng)該把它定義得更清楚一些。還有一個是傳熱能力，這個熱是量的熱還是質(zhì)的熱，概念是不一樣的。量的熱就是熱力學(xué)第一定律中的能量，質(zhì)的熱就牽扯不可逆性的問題。這個就是[火積]所具有的能力，但是在下一步又有對傳熱不可逆性的判斷，這個時候就有一些矛盾。比如說[火積]耗散是Q乘上溫差TH－TL。但是在熱力學(xué)里面，熱流[火用]的做功能力的損失是Q×(卡諾效率1一卡諾效率2)，這兩個是有區(qū)別的，所以一定要對比地去說。它們有不同的物理意義，如果混為一談的去說不可逆損失，就容易產(chǎn)生一些誤解。我相信，這個耗散有自己的物理意義，先不要忙于定義它的內(nèi)涵、定位、定義，而是要跟傳統(tǒng)的概念進(jìn)行比較，使這個物理定義更明確。最后，我還是沒有看到傳熱的效率。目標(biāo)是傳熱效率，這個效率到底是什么呢? 目標(biāo)說得比較清楚，但是現(xiàn)在設(shè)計的時候傳熱效率應(yīng)該是多少，怎么設(shè)計?比如說在任意一個傳熱過程中傳熱效率到底是怎么樣的? 所以，第一，不可逆性的物理概念要進(jìn)一步的挖深。第二，一定要把傳熱效率的定義進(jìn)一步做好。第三，深入一些的問題是如何做好共性的研究，這是最難的。所謂的共性問題，就是指[火積]也好，最小作用原理也好，是不是只適合于某一個范圍，要把這個范圍圈定下來。比如說適用于傳熱過程的方法不一定適合其他過程，這個范圍限定在熱力學(xué)里面一般容易出問題，因為邊界體系是很關(guān)鍵的。所以，在往共性和普遍性的方向發(fā)展的時候要注意這個問題。熵對一個過程來說可以熵增或者熵減，但是對系統(tǒng)來說只能熵增。我認(rèn)為共性問題是更關(guān)鍵的問題，而具體應(yīng)用是另一個方面。我們沒有一個機(jī)制應(yīng)用的是卡諾循環(huán)效率，但是它提供了方向，這里共性的意義更強(qiáng)。所以共性的目標(biāo)是很高的，我們需要加大力量去做，我一直想在這方面做一點事情，但是由于我的傳熱學(xué)知識不夠，所以沒有深入下去。從熱力學(xué)的角度來看可能要注意這么幾點。梁新剛: 我試圖回答一下金老師提的問題，第一，不可逆性通常指的是熵的不可逆性，[火積]耗散的不可逆性是指傳熱能力的不可逆性。第二個問題是關(guān)于傳熱效率。這個效率我剛才沒有細(xì)說，實際上是指從高溫處傳出來的總[火積]，最后會在目標(biāo)處接收到多少[火積]，接收的[火積]和傳出來的[火積]就可以表征傳熱效率。過增元: 這個傳熱效率跟卡諾循環(huán)的效率應(yīng)該是一樣的，也是0－1之間。梁新剛: 第三個問題非常寬，上午何老師講得很好，這個[火積]主要是針對傳熱或者是說有傳遞過程發(fā)生的。唐大偉: 我接觸這個理論也很長時間了，我總是想這個方法能在一個實際問題當(dāng)中得到一些應(yīng)用。我想舉一個最簡單的例子，看看用你的方法是不是可以，我們判斷一下哪種方式更加節(jié)能。在冷卻過程中有一個例子，環(huán)境溫度是一樣的，把它冷卻到低溫也是一樣的。可以采用兩種方式，一種是強(qiáng)制液體循環(huán)的冷卻方式，還有一個是采用強(qiáng)制氣冷的方式，用一個風(fēng)扇來吹，可以把溫度控制在一個設(shè)定的溫度下。這兩種情況下哪一個更節(jié)能呢? 類似這樣的問題是不是可以采用這樣的方式來解決? 在實際工程應(yīng)用當(dāng)中，這應(yīng)該是一個非常有用的問題。前面梁老師介紹的時候，我看[火積]的概念，或者說[火積]平衡的概念是來自于能量守恒，是不是可以這樣理解，就是[火積]的平衡就是能量守恒? 或者還有一些新的附加概念。因為開始從導(dǎo)熱的例子來講是從能量守恒做出來的，再往下是不是這里面還有新的物理含義，這是兩個問題。
        過增元: 你要針對具體的問題來說，對一個環(huán)境條件，金老師提出了更有意思的問題，有幾個環(huán)境怎么辦? 這個問題我們還沒有想好。我覺得傳熱過程中優(yōu)化就是[火積]耗散原理，這個是對還是不對? 傳熱問題的有限單元法里面實際上已經(jīng)符合了。傳熱計算中的有限單元方法中已經(jīng)采用了[火積]耗散這個物理量，我們發(fā)現(xiàn)是符合的，體現(xiàn)了極值原理。
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        【發(fā)言7】陳林根：[火積]耗散極值原理的科學(xué)性和優(yōu)勢
         我記得2001年向過院士請教的時候，他給我講了他的思想，過先生的想法是搞傳熱學(xué)的重構(gòu)。從2007年開始，我們把[火積]耗散的原理跟現(xiàn)代熱力學(xué)中幾個流行的理論結(jié)合，來試一下，看一看作為一個新的概念或一個新的優(yōu)化目標(biāo)能不能體現(xiàn)出優(yōu)勢，我們是從這個角度來做的。
        基本定義，上午大家講了很多，有幾個概念是要區(qū)分的:熵、熵流、熵變、熵產(chǎn)生、熵產(chǎn)生率都是不同的概念。[火積]也是這樣的，不是簡單的過程量和狀態(tài)量的問題。我分四個方面來講[火積]耗散極值原理的科學(xué)性和優(yōu)勢。
        首先是[火積]耗散率與熵產(chǎn)率的異同點比較分析。我們先比較一下[火積]耗散率與熵產(chǎn)率的變化，熵產(chǎn)率跟溫度的變化這些關(guān)系。熵產(chǎn)率是跟環(huán)境溫度有關(guān)的物理量，所以熵產(chǎn)率不能反映不同溫度下的傳熱效果。不同環(huán)境溫度下的換熱量可以用[火積]耗散來比較。如果環(huán)境溫度已知，熱流大小確定，那么[火積]耗散率與溫差成正比，可以線性反映溫差的變化，這時[火積]耗散優(yōu)化好于熵產(chǎn)優(yōu)化。如果熱流大小確定， 對于傳熱溫差較小， 環(huán)境溫度變化不大的情況， 利用熵產(chǎn)優(yōu)化和[火積]耗散優(yōu)化的效果是一致的（詳細(xì)的表述參見:Chen Lingen，Wei Shuhuan，Sun Fengrui，Constructal entransy dissipation minimization for “volume-point” heat conduction .  J. Phys. D: Appl. Phys.，2008，41(19):1955，06）。
        其次是[火積]耗散極值原理與有限時間熱力學(xué)相結(jié)合。我們把[火積]耗散極值原理和1975年建立的有限時間熱力學(xué)理論相結(jié)合，看看有什么效果。我們用于三類簡單的兩股流換熱器模型，可以看到在不同換熱量條件下的區(qū)別，熵產(chǎn)率最小和[火積]耗散率最小的區(qū)別。在傳熱量一定的條件下，以[火積]耗散最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用最優(yōu)控制理論求出了換熱器參數(shù)的最優(yōu)分布，并與以熵產(chǎn)生最小為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了比較。得出了對應(yīng)于換熱過程[火積]耗散最小時的熱流密度為常數(shù)的結(jié)論，也即熱、冷流體溫度之差為常數(shù)，與溫差場分布均勻性準(zhǔn)則相一致，傳熱過程最優(yōu)，效果最好。以熵產(chǎn)生最小為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果為熱、冷流體溫度之比為常數(shù)，而以[火積]耗散最小為目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果是熱流密度為常數(shù)，兩者得出的結(jié)論是明顯不同的。但當(dāng)熱冷流體傳熱溫差較小時，兩者優(yōu)化結(jié)果差別較小。廣義輻射定律下，我們也可以得到類似的結(jié)果。如果是其他的傳熱定律又有不同的地方，從這個特性中也可以看到[火積]耗散率最小和熵產(chǎn)率最小的優(yōu)化結(jié)果是不同的。接下來我們對液-固相變過程[火積]耗散最小化進(jìn)行研究，做了以后也發(fā)現(xiàn)有一些區(qū)別。熵產(chǎn)最小也即過程可用能損失最小，[火積]耗散最小表明過程中熱量傳遞能力的損耗最小，實際相變過程不涉及熱功轉(zhuǎn)換，因此優(yōu)化準(zhǔn)則應(yīng)該為[火積]耗散最小。（詳細(xì)表述參見: 夏少軍，陳林根，孫豐瑞，換熱器[火積]耗散最小優(yōu)化，科學(xué)通報，2009，54(15):2240－2246; Xia Shaojun，Chen Lingen，Sun Fengrui，Optimal paths for minimizing entransy dissipation during heat transfer processes with generalized radiative heat transfer law. Applied Mathematical Modeling，2010，34(8):2242-2255；Xia Shaojun，Chen Lingen，Sun Fengrui，Entransy dissipation minimization for liquid-solid phase Processes. Science China: Technological Sciences，2010，53(4): 960-968）。
        再次是[火積]耗散極值原理與導(dǎo)熱構(gòu)形優(yōu)化相結(jié)合。主要包括“體點”導(dǎo)熱優(yōu)化、“圓盤”散熱優(yōu)化、圓管換熱器截面優(yōu)化、電磁體多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化和空腔散熱數(shù)值優(yōu)化。這部分研究工作主要是基于導(dǎo)熱優(yōu)化問題通常采用最大溫差最小為優(yōu)化目標(biāo)，而最大溫差最小僅是多尺度發(fā)熱體中局部最優(yōu)的結(jié)果。采用[火積]耗散率最小為優(yōu)化目標(biāo)，則可以得到描述多尺度發(fā)熱體整體傳熱性能的最優(yōu)值。對體點導(dǎo)熱，分為基于矩形單元體的，釋放上級最優(yōu)的，三角形單元體的，基于定截面高導(dǎo)熱通道單元體的離散變截面，基于變截面高導(dǎo)熱通道單元體的離散變截面，基于變截面外形和變截面高導(dǎo)熱通道的。我們有一個比較，Bejan教授都是以最大溫差最小，那么用[火積]耗散最小原理可以降低平均溫差。當(dāng)高導(dǎo)熱材料中熱流分布不符合線性規(guī)律時，[火積]耗散優(yōu)化的結(jié)果優(yōu)于基于最大溫差最小原理的優(yōu)化結(jié)果。對于圓盤我們做了類似的計算（見圖1），這是對第二組樹狀圓盤進(jìn)行的分析，這是對套管式換熱器的截面優(yōu)化，這是對電磁體進(jìn)行的多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化，整個結(jié)論包括負(fù)荷的優(yōu)化都是相一致的。還有就是對于不同的空腔散熱數(shù)值優(yōu)化，用有限元法進(jìn)行數(shù)值計算，同樣可以得到相應(yīng)的結(jié)果。
        (詳細(xì)的表述參見: 魏曙寰，陳林根，孫豐瑞，基于矩形單元體的以[火積]耗散最小為目標(biāo)的“體點”導(dǎo)熱構(gòu)形優(yōu)化，中國科學(xué)E輯: 技術(shù)科學(xué)，2009，39(2):278－285; Wei Shuhuan，Chen Lingen，Sun Fengnli，Constructal entransy dissipation minimization for“volume-point”heat conduction without the premise of optimized last-order construct. Int. J. Energy，2010，7(5):627一639; Wei shuhuan，Chen Lingen Sun Fengrui.“Volume-point”heat conduction constructal optimization with entransy dissipation minimization objective based on triangular element. Thermal Science，in press; 魏曙寰，陳林根，孫豐瑞. 基于[火積]耗散率最小的離散和連續(xù)變截面導(dǎo)熱通道構(gòu)形優(yōu)化. 中國科學(xué):技術(shù)科學(xué)，將刊出;    肖慶華，陳林根，孫豐瑞. 基于[火積]耗散率最小的“盤點”導(dǎo)熱構(gòu)形優(yōu)化. 科學(xué)通報，將刊出; 魏曙寰，陳林根，孫豐瑞.以[火積]耗散最小為目標(biāo)的電磁體多學(xué)科構(gòu)形優(yōu)化. 中國科學(xué)E輯:技術(shù)科學(xué)，2009，39(9):1606-1613; Wei Shuhuan，Chen Lingen，Sun Fengrui, Constructal complex-objective optimization of electromagnet based on magnetic induction and maximum temperature difference. Revista Mexicana de Fisica，in press; 謝志輝，陳林根，孫豐瑞. 以[火積]耗散最小為目標(biāo)的空腔幾何構(gòu)形優(yōu)化. 中國科學(xué)E輯:技術(shù)科學(xué)，2009，39(12):1949-1957; 謝志輝，陳林根，孫豐瑞, 以[火積]耗散最小為目標(biāo)的空腔構(gòu)形優(yōu)化. 科學(xué)通報，2009，54(17):2605-2612)。
        圖1：樹網(wǎng)狀高導(dǎo)熱通道布置方式
        圖2
        圖3
        我們做的第四個工作是把對流構(gòu)形優(yōu)化和[火積]耗散極值原理相結(jié)合。這個效果特別的明顯。原來Bejan做的時候是先最大溫差最小，然后和流阻問題互相考慮。我們可以看到三級構(gòu)造體的最小無量綱總流阻下降了54%，這個在做之前我們也沒有想到，對于變截面有更好的效果。[火積]耗散優(yōu)化可以減小熱阻，還可以減小流阻。
        總的來講，[火積]耗散率與熵產(chǎn)率相比較，在不以做功能力損失最小為目標(biāo)的前提下，在描述傳熱效果方面具有更好的普適性。[火積]耗散與[火積]耗散極值原理的提出，為傳熱系統(tǒng)的優(yōu)化提供了新的目標(biāo)，該目標(biāo)可以作為系統(tǒng)整體傳熱能力的特性描述?；赱火積]耗散率最小的構(gòu)形可以較大程度的降低平均傳熱溫差。當(dāng)熱流密度符合線性分布時，描述系統(tǒng)整體傳熱能力的[火積]耗散率與系統(tǒng)局部傳熱性能指標(biāo)最大溫差具有一定的線性關(guān)系。[火積]耗散極值原理與對流傳熱相結(jié)合對構(gòu)形優(yōu)化具有極大的優(yōu)越性。
        但是，有幾個問題。第一是陳群提出來，除了熱量[火積]以外還有一個質(zhì)量積，質(zhì)量積有一個定義，熱量[火積]也有一個定義。這個熱量[火積]的定義是根據(jù)導(dǎo)電的相似性推出來的，而質(zhì)量積沒有這種相似性。我們馬上想到另一個問題，熵產(chǎn)生或者是熵產(chǎn)生率，對于一個問題可以有共同的描述，無論是熵產(chǎn)生還是熵產(chǎn)率。那么，如何定義一個廣義的函數(shù)能夠統(tǒng)一的描述傳熱傳質(zhì)的問題，這是一個問題，又限制了普適性。為什么非線性時不一致? 我們現(xiàn)在正在探索。
        一般熱力學(xué)的觀點里面，只要描述不可逆性，不管是傳熱還是其他不可逆性，不可逆性的一般概念是熵產(chǎn)生。我們講傳熱不可逆性也不要用[火積]，不可逆性還是熵產(chǎn)率，熵產(chǎn)生。講傳熱能力的損耗可以，從這個角度里來講還是會好一些的。
        【討論】劉偉: 我想說一下你剛才講時流構(gòu)型的優(yōu)化。你說流阻減少了54%，這是沒有想到的，用了那個[火積]耗散原理以后有一個意想不到的結(jié)果，但是你那個雖然是叫對流的優(yōu)化，但本身是不是做對流優(yōu)化? 現(xiàn)在在做對流的構(gòu)形，你沒有做流體，所以你研究的應(yīng)該是阻力，所以我認(rèn)為不能說是一個對流優(yōu)化，只是一個構(gòu)形。本質(zhì)和導(dǎo)熱是相同的。熵產(chǎn)率也是一個不可逆的度量。最小熵產(chǎn)率里面有一個粘性或者是流動性熵產(chǎn)，實際上流動也有[火積]流相對應(yīng)，所以也是一種不可逆過程的度量。何雅玲: 您剛才說到[火積]是普遍意義的表達(dá)，我們回顧一下熱力學(xué)中的[火用]，當(dāng)時給了熱量的傳遞和功量不同的定義，我們都知道雖然有不同的表達(dá)，但是不影響[火用]的最大功能，所以并不影響[火用]的概念，只是適合于不同情況下更為方便的表達(dá)，更能夠?qū)嶋H應(yīng)用。所以我想這個普適性不一定要有一個統(tǒng)一的表達(dá)式，對于熱量傳遞或者是熱功轉(zhuǎn)換表現(xiàn)出來的形式會不一樣。剛才劉老師也說到了熵產(chǎn)率的問題，我覺得用[火積]的方法，很重要的一點，過先生是想宏觀地表現(xiàn)出不可逆性。我們現(xiàn)在說不可逆因素，比如說溫差、壓差什么的，在傳遞過程中表現(xiàn)了熵產(chǎn)。學(xué)生很難體會到熵產(chǎn)的概念到底是什么，我們知道是不可逆因素引起的，我也比較支持劉老師的觀點，給我們一個宏觀的表述是一致的，但是反過來可能是從這個觀點上體會一種不可逆性的存在。過增元: 允許我提一個問題，因為我不是搞熱力學(xué)的。[火積]是狀態(tài)量還是過程量，今天上午講的時候我已經(jīng)提了，別的學(xué)科，無論力學(xué)、電學(xué)等，里面有沒有狀態(tài)量和過程量的區(qū)別? 如果是有，為什么不這么用呢? 所以我請教各位給我指教一下。陳林根: 我簡單地回答一兩句，關(guān)于廣義的[火積]， 跟剛才何老師講的廣義的[火用]還不一樣，任何一個[火用]最終可以有一個量綱一致的[火用]的統(tǒng)一表達(dá)式，某些情況下一兩項就變成一項了。熱量[火用]和質(zhì)量[火用]現(xiàn)在是不同的量綱，不同的參數(shù)，能不能有一個同量綱化或者是無量綱化的表述，要按照現(xiàn)在的量計，這樣做可能還不夠，這跟我們現(xiàn)在講的不一樣。你講的[火用]是任何一種[火用]都可以有統(tǒng)一的表達(dá)式，就像能量一樣，能量可以是熱能、勢能、動能，但這些是有區(qū)別的。王立秋: 我是覺得在其他學(xué)科也有狀態(tài)量和過程量之分，都是熱量惹的禍，我覺得都是Q惹的禍，一會兒我的報告中想講一些這方面的內(nèi)容，如果能夠解決這個問題，那么其他問題就都解決了。其他學(xué)科為什么不強(qiáng)調(diào)狀態(tài)量、過程量呢? 因為沒有熱量。對于熱量我們還不清楚，如果弄清楚了，這些問題就都沒有了。金紅光: 我們熱力學(xué)方面經(jīng)常有圓桌會議，幾乎每年都有這樣的會議，這里面有人說他教書30年，基本統(tǒng)計下來，以MIT的水平，80%的人真正理解了第一定律，20%的人真正理解了第二定律。我希望我們大學(xué)的老師們能夠真正的把第二定律弄清楚，第二定律是質(zhì)的問題，并且熱力學(xué)的深度本質(zhì)就在這里，所以有的時候如果你要研究傳熱，把傳熱能力用電學(xué)、力學(xué)去相似的代公式是可以的。但是做功能力就不能這么代過來了，因為力變這都屬于功的水平，不是溫度的單值函數(shù)。熱力學(xué)第二定律就是闡明了功和熱不是一個品類，他們相互之間有關(guān)系，不是溫度高就會有怎樣的結(jié)果，這有本質(zhì)的區(qū)別，而對于這部分我們應(yīng)當(dāng)更加注意。還有一個是狀態(tài)量的問題，在熱學(xué)里面，狀態(tài)量是著重強(qiáng)調(diào)的，跟別的學(xué)科不一樣，但是狀態(tài)量惹了很多麻煩，在熱力學(xué)會議上就有很多學(xué)者研究這個方向。在工程處理的時候為了躲避理論上的困難，可以把狀態(tài)量一加一減就去掉了。但是在定義一個狀態(tài)量的時候，如果沒有一個基準(zhǔn)態(tài)的話，那就不可能是狀態(tài)量。所以這個時候，要把研究的對象說清楚了，不說清楚那就不是狀態(tài)量。對于過程量而言，不管何種狀態(tài)，怎樣變化都無所謂，需要在剛開始嚴(yán)格定義狀態(tài)是什么，相對于什么，把這個相對量定義的非常清楚。工程應(yīng)用中可以為了簡化把這個狀態(tài)量刪掉。這幾個方面需要在我們未來的完善過程中加以注意。李志信: 我在熱力學(xué)方面是外行，我就提幾個問題，都用熵產(chǎn)來描述一個過程的不可逆性，但是不是熵產(chǎn)真的這么萬能，所有的不可逆過程都可以用呢? 第二個問題，如果可以用在描述熱量傳遞過程中的話，為什么剛才熵產(chǎn)最小原理和[火積]耗散最小原理的對比中，[火積]耗散最小原理得出來的結(jié)果要優(yōu)于熵產(chǎn)最小原理的結(jié)果呢? 對于傳熱過程的不可逆性，[火積]耗散描述比熵產(chǎn)要好一點，是不是這樣的呢?陳則韶: 熵在熱力學(xué)中是跟熱量對應(yīng)的，狀態(tài)參數(shù)是溫度、壓力，還有體積，那么過程量在第一定律的可逆過程當(dāng)中，熱或者功最后可以用系統(tǒng)的狀態(tài)來描述。另外，在熱力學(xué)中，為什么要用熵產(chǎn)來表述呢? 因為在這個過程中有很多高品質(zhì)的能量在傳輸和轉(zhuǎn)換的過程中間消耗掉了，并且變成了熱量。在傳輸過程中，熵是和熱量相對應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)。如果你用熵來描述，不一定能夠找到剛才梁新剛教授說的那種情況，但在傳輸過程中的做功能力這個方面，理論中包含的能量在過程開始時有一個勢，也已經(jīng)有了一個質(zhì)的量，傳輸以后又變成了另外的量，這個時候品位是在降低的，因此在傳輸過程中可以用來優(yōu)化，如果進(jìn)行優(yōu)化以后的泵功比較小，又能夠得到傳熱量比較大的結(jié)果，也就是以最佳的傳熱效果為目的。但是將來如果我們把它納入系統(tǒng)研究以后，究竟用什么來考慮，還可以再探討。張寅平: 剛才梁教授講了兩個物體一接觸，一個溫度為T1，一個溫度為T2，如果是傳統(tǒng)運(yùn)動的情況，摩擦生熱損耗到哪里是知道的，電流動損耗到哪里也是知道的。但是現(xiàn)在這兩個物體接觸損耗到哪里去了不知道，前面講了可類比，但是這里不可類比，這就是矛盾了。楊茉: 我們定義熵是用熱量除以溫度T，如果針對其他的目標(biāo)就不是這樣的。在熱力學(xué)中怎么證明得到呢? [火積]是用什么目標(biāo)定義的呢? 如果溫標(biāo)發(fā)生了變化，這個量的性質(zhì)是不是也會發(fā)生本質(zhì)性的變化呢?
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        【發(fā)言8】潘寧：材料熱物性的宏微觀差異性、結(jié)構(gòu)相關(guān)性
        我想講一下熵的測量問題。
        我大學(xué)學(xué)熱力學(xué)的時候只學(xué)了一點皮毛，后來對熵的理解真正加深是我搞材料的時候，特別是研究高分子材料的時候。大家都知道，用熵來作為衡量一個系統(tǒng)的有序與無序，這點在高分子材料研究當(dāng)中特別形象。高分子材料像面條一樣，系統(tǒng)的有序性對于整個材料的性能影響非常大，所以熵在材料里面的應(yīng)用，特別是復(fù)雜材料里面的應(yīng)用非常成功。而且不確定性和材料系統(tǒng)無序性的對應(yīng)是非常好的。通過材料研究，我覺得我對熵的理解更深了一步。用熵的概念來衡量高分子復(fù)雜材料里面的有序度，可以從有序度里面推導(dǎo)出來以熵為代表的彈性和以能量為代表的彈性。左圖十幾年已經(jīng)做過的結(jié)果，在高分子材料形變過程中，把這兩個情況區(qū)分出來。你們可以看fs那一項就是和熵對應(yīng)的形變。這類工作后來導(dǎo)致了高分子學(xué)科很大的變化，也是很大的一個進(jìn)步。
        我今天要從另外的角度講一講熱力學(xué)。剛才我也在想，為什么熱學(xué)有這么大的負(fù)擔(dān)，物理里面其他所有的能量，除了熱以外，最后都耗散了，都轉(zhuǎn)到了熱上了，負(fù)擔(dān)就留在熱上面了。這里面肯定有一些規(guī)律性的結(jié)論還沒有回答。而且我同意這句話，熱力學(xué)的三個定律要比其他物理現(xiàn)象的定律高得多。你從一個系統(tǒng)，無論是社會的系統(tǒng)還是材料系統(tǒng)去看，用熵，除了熱力學(xué)三大定律的應(yīng)用以外，沒有其他的物理定律可以用到跟力學(xué)差不多。所以從這個意義上來說，我要講的是很簡單的問題，我們從小學(xué)、中學(xué)剛開始上物理的時候就知道，同樣在冬天，為什么鐵摸上去要比木頭冷得多呢? 回答是熱導(dǎo)率。如果一個木頭你今年摸著這么熱，如果過了若干年，腐蝕了以后摸上去就暖和多了。你的另外一種解釋會說里面有空氣，空氣排除了就完了。對連續(xù)介質(zhì)可以這樣講，因為空氣是額外加進(jìn)來的東西，不是原來感興趣的東西?，F(xiàn)在越來越多的復(fù)雜材料里面，空氣項或者是其他的各項都不能剔除，必須作為一個系統(tǒng)來研究，這時候我就發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)里面有熱導(dǎo)率，就是很有意思的問題。
        我是原來搞紡織工程的，一個很有意思的問題就是同樣的羊毛纖維，我們可以拿來做冬天穿的大衣，也可以做夏天穿的衣服。一模一樣的纖維可以做成熱性能完全不一樣的東西，關(guān)鍵是什么呢? 關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)。所以我覺得我們現(xiàn)有的材料越來越復(fù)雜，從原來傳統(tǒng)上的連續(xù)介質(zhì)到現(xiàn)在多孔多相的材料進(jìn)人了研究領(lǐng)域，我發(fā)現(xiàn)原來傳統(tǒng)的單一理想定義有很多都需要重新思考。
        我最后會回到[火積]，我們也嘗試拿[火積]來解決材料的熱導(dǎo)率問題。傳統(tǒng)的許多定律中熱只是一個例子，你去找其他的定律都是只適于當(dāng)初我們對材料僅僅處于連續(xù)介質(zhì)的條件下的認(rèn)識。我的意思是說，當(dāng)時的定義是有局限性的。你怎么對付這些材料? 這些材料越來越深入到了研究領(lǐng)域，多相是你必須承認(rèn)和必須接受的事實，而不是要剔除的問題。在這種情況下，我就覺得不能解答這個問題，同樣的纖維可以做成熱性能迥然不同的最終產(chǎn)品。有一次我發(fā)現(xiàn)了一個概念，Thermal Effusivity，這是一個很有意思的量，我發(fā)現(xiàn)這個量就可以回答我們剛才的問題，為什么呢?
        這個定義是什么呢? 是三個東西的乘積后開方。我們的熱覺不僅是一個熱傳導(dǎo)的問題，還是結(jié)構(gòu)的問題，結(jié)構(gòu)里面有一個材料的密度。就是說為什么木頭老化了以后摸上去會暖和呢? 因為密度變了。在結(jié)構(gòu)里面密度的這一項是可控的，通過密度的這項變化我們可以變幾百倍，而其他兩項對于給定性能的材料變化是非常有限的。Thermal Effusivity更好地解決了人的熱觸覺問題。
        這個例子里面還提出了一個問題，為什么同樣的材料，纖維簡單地堆積起來以后變成了一個宏觀的材料，在熱性能上宏觀和微觀有那么大的不同? 這個不同我就稱之為Non affinity，在力熱聲光電中都有這個問題。一旦你允許空氣在里面，有結(jié)構(gòu)的密度會影響所有的物理參數(shù)。去年我們有一個會專門討論這個問題，就是說在微觀和宏觀之間的聯(lián)系，就像社會學(xué)一樣，個人和宏觀社會的關(guān)系，這種相互之間的關(guān)系在很大程度上是脫節(jié)的。這種脫節(jié)只有從統(tǒng)計物理上面才能講得清楚。這種脫節(jié)首先是由什么引起的呢? 是液相、固相、氣相等，這三項的差別非常大，所以你一旦把它們混合了以后，原來那些針對單一介質(zhì)定義的好多物理量，包括熱學(xué)的量都會發(fā)生問題。
        另一個是尺度和溫度的改變引起的性能之間的差異。我們原本以為熱導(dǎo)率這些都是材料固有的性能，實際上這個固有的性能并不是固有的，材料到了納米的尺度，很多性能都變了。最近有一個研究，考察兩種不同的碳納米管，同一個尺寸，但是一個是單層的，一個是多層的。研究以后發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率實際上在單層的情況下，完全一樣的材料，尺寸不一樣，熱導(dǎo)率就不一樣。不光是有一個尺寸的問題，這個熱導(dǎo)率還跟環(huán)境溫度有關(guān)，溫度不同的時候也會變化。當(dāng)然對于多層的結(jié)構(gòu)又不一樣，所以結(jié)構(gòu)對于性能的影響，特別是到了現(xiàn)在復(fù)雜和小尺度的情況下，挑戰(zhàn)了我們原來的很多觀念。
        由此有一個問題，對于一個復(fù)雜的系統(tǒng)我們怎么定義原本很熟悉的性能參數(shù)呢? 在有多個輸人的情況下有一個輸出這是肯定的，只要這一點還存在，我們就可以定義所謂有效的Effective properties。在系統(tǒng)里面有一個安排，這個實際上并不是一個固定的值，和環(huán)境溫度是對應(yīng)的，同時也完全有可能是時間的函數(shù)。但是不管怎么說，就像剛才定義的熱阻一樣，用[火積]定義熱阻，把輸人和輸出之間的比例定義為一個有效性能參數(shù)。
        我和王沫然一塊兒做了一些工作，專門來考察復(fù)雜多相系統(tǒng)的熱導(dǎo)率到底可以變化到什么程度，在多少程度，實際上并不是物體固有的一個性質(zhì)。比如一種兩相材料，碳纖維放在油液里面，等效的熱導(dǎo)率實際上是碳纖維加人量的函數(shù)，這是另外一個系統(tǒng)，加進(jìn)去了以后熱導(dǎo)率就會變化了。還有一個是取向的問題，同樣的一些東西，我放在結(jié)構(gòu)里面，取向的角度從完全是平行的，變?yōu)?0°、90°，你可以發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率是跟取向有非常密切關(guān)系的。
        所以說，熱導(dǎo)率是一個非常有用，但非常多變的參數(shù)。對于合金來說，這個有一點像混合定律里面的結(jié)果。未飽和的沙子里面有冰和水，這三相混合了以后，熱導(dǎo)率隨著空隙度的變化而變化。
        關(guān)于多維的問題。這個結(jié)果是我們只考慮平面時的情況，兩維是對應(yīng)于熱線，三維對應(yīng)于熱板測量。就是說不同的維數(shù)（考慮兩維還是三維），最后的結(jié)果也不一樣。
        材料的尺寸大小、形態(tài)對它的熱導(dǎo)率也是有很大影響的。這個做完了以后，陳群到我們那兒去又做了另一項工作，企圖用[火積]的方法來解釋為什么所有參數(shù)都一模一樣的情況下，尺寸會影響熱導(dǎo)率呢?這個是完全規(guī)則系統(tǒng)，只不過是顆粒大小不一樣，你可以看到[火積]耗散和熱導(dǎo)率兩個參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，就是當(dāng)我們把顆粒細(xì)化了以后，[火積]耗散和熱導(dǎo)率的變化完全是一致的。
        從某種角度我們可以看出物理意義，就是[火積]對于材料性能的物理意義。對于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，我們允許尺寸大小變化，而且是非常大的變化，  你可以看到[火積]耗散和熱導(dǎo)率之間的關(guān)系，我們從[火積]耗散求出了熱導(dǎo)率，可以看出它們之間的聯(lián)系。
        有好多人提到了[火積]的應(yīng)用范圍，當(dāng)然我們目前還找不出一個求證的方法，至少從材料的角度來說，我覺得這是一個很大的課題，其中我們的例子證明[火積]可以用在最小熱阻方面。剛才梁老師也講到了用[火積]的協(xié)同，有時候最大值是最優(yōu)值，有時候最小值是最優(yōu)值，但最小熱阻始終導(dǎo)致最優(yōu)值，這個對材料的應(yīng)用來說，意義還是非常大的。
        【討論】陶文銓: 通過[火積]耗散的應(yīng)用，材料的什么性能會提高呢?潘寧: 不是提高。各種各樣不同的介質(zhì)放在一塊兒以后，對于多項的復(fù)雜系統(tǒng)求熱導(dǎo)率是非常復(fù)雜的，用[火積]耗散的方法，用定義熱阻最小化、最優(yōu)化的方法，我們可以求解出材料的預(yù)測值。陶文銓: 有沒有得到實驗的驗證呢?潘寧: 我們做的這些都是別人的實驗數(shù)據(jù)發(fā)表了以后，我們進(jìn)行的進(jìn)一步的驗證。過增元: 潘老師為什么講衣服上的應(yīng)用呢?潘寧: 我也做了一些工作，就是關(guān)于人觸覺的工作。人的感覺是非常復(fù)雜的，無論何時，只要涉及人的感覺，就很難得到一致的結(jié)果。我們知道，對于顏色的感覺是人的各種感覺里面最簡單的一種，因為是三維的，只要三種分量就可以給定顏色空間里面的任何一點。但是我們發(fā)現(xiàn)觸覺是八維的，到現(xiàn)在為止，我們只能定義前面三個是什么東西。我們碰到的任何東西，我們的感覺中熱是很重要的一點。后來我們發(fā)現(xiàn)對于多相材料，這個熱因為有了我們剛才講的那些原因，材料空隙度變化的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原來的變化。在測量人的觸覺和熱覺的時候，你碰到那個東西的熱性能實際上不需要測童。知果是多相材料，因為空氣的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大過物體材料的影響，材料的熱性能就不需要測量了。這一點在很多測量的時候是很有價值的。我為什么要強(qiáng)調(diào)熵的測量或者是[火積]的測量是很重要的問題呢? 我講的剛量不是要設(shè)計出來一個儀器，當(dāng)然設(shè)計出來更好了。用實驗的方法去證明它的存在，它不僅僅是一個來解決問題的權(quán)宜之計，如果能像熵一樣確定那種存在的話，我覺得時莫定這個理論有非常重大的實驗意義。程林: 是八維還是八種呢?潘寧: 八維，需要八個變量來定義人的觸覺。王立秋: 我想講一點自己的體會。熱力學(xué)上，狀態(tài)參數(shù)只能有三個是直接可以測的，其他的參數(shù)都要通過熱力學(xué)第一定律，第二定律和P、V、T建立起聯(lián)系。我覺得熵已經(jīng)有了，熱力學(xué)上有一章叫熱力學(xué)關(guān)系式，建立了各種熱力學(xué)參數(shù)和P、V、T之間的關(guān)系。你同樣可以建立同熱力學(xué)第一定律，第二定律的聯(lián)系，因為[火積]和過程沒有關(guān)系，我們就可以用簡單的過程來找出關(guān)系式了。真正測量時，一定直接測P、V、T，然后換算出來你要求的[火積]。潘寧: 時于溫度的測量，到了納米的尺度，到底是在測什么?王立秋: 溫度在納米那里能不能用? 有一些區(qū)域能用，有一些不能用，這方面的研究我覺得不太夠。你這個問題很好，測的是什么，我也不知道，但是測出一個東西，這個東西怎么辦呢? 我們可以建立模型。而且現(xiàn)在實驗測量的理論發(fā)展也不夠，這牽拉多尺度的問題。你這個問題很好，但是我相信沒有人可以回答。就是說，溫度在納米中跟具體的數(shù)是兩回事，有一些系統(tǒng)溫度的概念還成立，有一些系統(tǒng)根本就不成立，我們要研究到底是什么東西的問題。潘寧: 很難設(shè)想溫度不成立是什么東西。王立秋: 什么東西呢? 就是分子在那里亂動，亂動產(chǎn)生了溫度，只要數(shù)量夠多，都在動就有溫度，但是你系統(tǒng)的已經(jīng)小到你碰不到了，沒有大尺度，就是沒有溫度了。潘寧: 測量溫度變成了測量力學(xué)量的問題，動量、速度的東西。王立秋: 只有幾何的特性、速度的特性、加速度的特性，這是最基本的量。溫度、熱量這些都是熱力學(xué)造出來的，造出來就帶來了問題。宋耀祖: 剛才王老師講了一個很有意義的問題，關(guān)于溫度的測量。首先，我們知道熱力學(xué)溫度是分子平均動能的量度，這里面一個是分子平均動能，肯定是大尺度下的分子，怎么再去平均呢? 而且平均的量度，這個在熱力學(xué)里面都有關(guān)系式來建立。王老師講的很有道理，現(xiàn)在納米的技術(shù)還是借用了熱力學(xué)溫度的概念，通過分子熒光的辦法，加了一些熒光添加劑里觀察納米熒光的強(qiáng)度和光譜特性，利用這樣的光譜特性關(guān)系，就是光譜和納米材料溫度的關(guān)系。這個關(guān)系在納米尺度成立不成立本身也是一個問題。這個溫度是否可靠也不一定知道，是需要探討的。剛才潘老師講的對我很有啟發(fā)，我覺得熱學(xué)現(xiàn)在確實是比較麻煩，都是熱量惹的禍，除了熱學(xué)，聲光電從來沒有傳光學(xué)，傳電學(xué)，傳聲學(xué)，就是熱中傳遞過程需要研究，其他的物理現(xiàn)象也有傳輸?shù)倪^程，但是傳輸過程里面的消耗到哪里去了呢? 從高溫到低溫，傳輸?shù)倪^程中就散熱了。我覺得熱力學(xué)講得很清楚了，熱量的傳遞并不一定僅僅是做功，熱可以變成功，但是熱不等于功，熱在傳遞過程中變成功一定要有一個循環(huán)系統(tǒng)。所以，我在這里提出這個問題，怎樣提出熱力學(xué)里面的傳輸問題? 怎么來描述傳熱學(xué)中的效率問題? 熱力學(xué)的[火積]是否應(yīng)該和傳熱學(xué)中的熵進(jìn)行比較?杜東興: 關(guān)于傳熱過程的損失，我覺得傳熱損失的是做功能力，所以說，把傳熱和做功能力聯(lián)系起來還是有理論基礎(chǔ)的。 而且我看梁老師的報告里有一個[火積]效率可以顯示出來，這個就是TL/TH，我的想法可能也不成熟，也沒有經(jīng)過驗證，就是一個想法，TL和TH應(yīng)該和熵聯(lián)系起來，希望大家能考慮一下。這實際上就是在熱功轉(zhuǎn)換過程當(dāng)中的最小傳熱量，這方面能不能有一些聯(lián)系呢?楊金福: 下面我提這么一個問題，也是我剛才的一個想法?，F(xiàn)在我們集中的問題在于三個方面: 一個是[火積]，一個是熵，一個是溫度。首先說是熱量惹的禍不如說是溫度惹的禍。比如剛才納米尺度的例子，我覺得溫度是建立了一個連續(xù)的概念，不能把這個連續(xù)的條件打破了，這是第一個問題。第二個問題就是熵和[火積]。上午談的熱力學(xué)過程也好，狀態(tài)參數(shù)也好，不管怎么談還是跟熵有著相似性，也有著不同性。我們不能回避一個問題，熵產(chǎn)生、熵產(chǎn)生率。大家都給了熵一個定義，反過來對于[火積]的概念，[火積]差是什么? 假如說是負(fù)[火積]，代表什么? 是否需要環(huán)境和能量對它做功?李志信: 有沒有可能通過時間的長度，平均來得到這個溫度呢? 這是我的一個想法。王立秋: 溫度的概念應(yīng)該說大家已經(jīng)了解了，我們有一個基本規(guī)律，就是熱力學(xué)第零定律，就是定義溫度，測量溫度，就是熱力學(xué)的確定，這個已經(jīng)很清楚了，和熱量完全是兩碼事。剛才李老師提出來的，假如說有兩個分子相碰撞，那個碰撞和溫度沒有關(guān)系，這個溫度是由什么來的呢? 所以，我覺得MD方法可以模擬。李志信: 不是兩個碰撞有溫度，動能的時間平均能不能得到溫度? 我是這個意思。陳光明: 關(guān)于溫度的研究剛才討論得非常熱烈，我覺得很有意思。我是做制冷低溫研究的，低溫時溫度測量特別有講究，剛才物理學(xué)的定義非常正確，就是分子平均平動動能的量度，這個肯定是對的，而且不限于一定要分子很多統(tǒng)計的概念。為什么這么說呢? 有一位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，獲得了10-6K的溫度。為什么他得到了這個獎呢? 因為他實現(xiàn)了這個溫度。他用激光把一個納原子前后左右都給定住了，就測出來說溫度是10-6K。我要講的就是不管納米是多少，分子是多少，溫度都是有定義的，這是我的一個觀點。關(guān)于[火積]的問題，我有自己的想法。比擬過程中，過老師把電學(xué)和力學(xué)相比較，勢能的高度是h，電學(xué)是電位，而溫度的最后一欄第一個是勢能，第二個是電能，這兩個的單位都是焦耳。前面作為勢的話，電壓是伏特，高度是米。后面幾個都是能量，到了第三個時候，她的量當(dāng)然就不是能量了，是比較難以理解的，這是第一個問題。第二個問題，前面的勢能也好，電能也好，兩個是可以加和的，[火積]兩個加在一起是要耗散的，若這樣的話是不是一定要填到那個表格里面去，我覺得是可以再重新思考一下的。不一定要填到表格里面去，只要有用處就好了，我是這樣的一個觀點。過增元: 第一個問題就是它的量綱不是能量，這個是采用簡單的比擬和歸納方法，實際上我們還做了進(jìn)一步的解釋。原來是采用溫度，其實真正的勢是比熱乘以溫度。熱的溫度有單位質(zhì)量的能量，跟其他的都是一樣的。現(xiàn)在的熱量不能再看作是能量了，而要看作是質(zhì)量，所以要除光速的平方。這樣一來，就是能量了。第二，剛才談到了加在一塊兒就是耗散了，其實不是，是有熱流傳遞過去的時候有耗散。就像電傳遞的時候有耗散，流體的[火積]流動的時候也要耗散。梁新剛: 剛才張老師說的耗散到哪里去了，這是很難的問題。我一直在想熵產(chǎn)，熵產(chǎn)從哪兒來的? 反正是多出來了一個東西。[火積]耗散是少了一個東西。張寅平: 我覺得電能耗散電熱了，而且前面每個量都可以對比。何雅玲: 數(shù)量上沒有變化吧?張寅平: 有變化。[火積]的數(shù)量上有變化。何雅玲: 你說兩個物體一接觸，[火積]產(chǎn)生了，不知道哪里去了。因為做功能力減弱了。張寅平: 傳輸過程還沒有牽扯做功。何雅玲: 熱量也有做功能力，溫度越高做功能力越大，看似是一樣的熱量，來自于不同的溫度，做功能力不一樣。兩個不同的溫度一接觸，熱能量跑哪兒去了? 產(chǎn)生[火積]了。張寅平: 在傳熱過程中，前兩個一定是大于后面兩個的，在這個過程中一接觸[火積]就變少了。何雅玲: 耗散了。張寅平: 電能一耗散就變熱了，這個耗散到哪兒去了?何雅玲: 數(shù)量沒有少，它們做功的品位不一樣。張寅平: 我的意思是不牽扯做功。這個時候會怎么樣?劉偉: 前面講到了關(guān)于熵和[火積]之間各有一一對應(yīng)的關(guān)系，或者是這里有一些相似性。如果說要是絕對的相提并論的話會引起一些概念上的不一致。我總覺得熱力學(xué)的熵產(chǎn)都是一個不可逆過程的度量，怎么樣去度量不可逆性，這是非常重要的。能不能不去類比，就從導(dǎo)熱過程的廣義變分得到一個式子，這個式子里頭第一項就是[火積]耗散，第二項就是[火積]流? 這樣先不去類比，先有這樣的一個理論，再填進(jìn)去。填進(jìn)去以后有一個什么問題呢? 因為導(dǎo)熱和導(dǎo)電的過程有類比性，都是固體。如果類比熱學(xué)參量和電學(xué)參量在導(dǎo)熱問題中是嚴(yán)格一一對應(yīng)的，也有推廣性和推廣價值。比如說熵產(chǎn)，熵產(chǎn)非常明確，耗散性的熵產(chǎn)也比較明確。但是在[火積]的處理中就有問題了。就比如說我們在構(gòu)造變分的時候，第一項是變成平方，這個你對應(yīng)的是傳統(tǒng)意義的熵產(chǎn)。第二項就是粘性耗散，這個就對應(yīng)由粘性引起的熵產(chǎn)。導(dǎo)入是嚴(yán)格對應(yīng)的，這個問題沒有一個熵產(chǎn)最小，是放在一起的。對于控制方程的約束，為了得到一個多元方程，非得把這個放進(jìn)去，而這是什么呢? 我認(rèn)為就是耗散引起的熵產(chǎn)是相對應(yīng)的，但是中間差了一個T。實際上是一個變相的導(dǎo)熱問題，不是一個粘性的對流，如果是對流，[火積]流或者是這個[火積]是[火積]耗散，沒有一個和粘性引起的熵產(chǎn)，耗散都忽略了，甚至是變成了一個約束，所以就造成為了把[火積]和熵這兩個物理量一一對應(yīng)，找它們對應(yīng)的關(guān)系，就產(chǎn)生了導(dǎo)熱過程和流動過程的矛盾。我認(rèn)為其中恐怕有一些問題還需要進(jìn)一步的研究，就是對不可逆過程的度量，熱力學(xué)的熵產(chǎn)、滴產(chǎn)率。如果這樣來考慮，在傳熱過程中的[火積]或是傳輸過程的[火積]也是可以用一項或者是兩項反映出來的。這里面勢必就導(dǎo)致了非要把[火積]耗散原理、熱阻最小原理和熵產(chǎn)原理等效，如果不等效的話，這個問題就不能成立了。這里的問題就是對不可逆過程怎么樣度量，而不可逆過程的度量怎么去區(qū)分?鄭丹星: 對于過老師提這個熱學(xué)新概念，我是很感動的，作為一個國內(nèi)的知名教授，知名老師在探討這個問題，首先這在國內(nèi)是非常少見的，這一點讓我覺得很感動。我先說一個小問題，剛才有一些老師說熵產(chǎn)到哪里去了。關(guān)于熵的概念今天上午一些老師也提到了，熵的本質(zhì)是混亂度和有序度的問題。所以說，熵增就是一個系統(tǒng)的混亂度的增加。熱力學(xué)的兩個基本原理是19世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明，因為發(fā)動機(jī)改變了人類文明的進(jìn)程，第二定律就提出來了，在此之前是熱學(xué)第一定律，第一定律是能量守恒，但是有時候考研究生熱力學(xué)第二定律，他們都說不清楚。第二定律就是說自然界的過程都具有方向性。我們現(xiàn)在人類研究的過程都是非自發(fā)的，人們利用這些非自發(fā)過程改進(jìn)了人類的文明，但是這個非自發(fā)的過程所利用的實際上就是能量的做功能力。我以為，現(xiàn)在大家都很關(guān)心對能量做功能力的研究，剛剛金紅光老師問到說傳熱過程的效率是多少，這個問題提的有點奇怪，對搞傳熱學(xué)的老師問這個問題，很多老師要做反應(yīng)，做傳質(zhì)過程，也存在著效率的問題。一般搞過程技術(shù)的老師都是追求過程，反應(yīng)過程的高轉(zhuǎn)化率和選擇性，或者是追求過程的分離效果?，F(xiàn)在有一個前提，我們研究你也好，什么也好，實際上是想提高過程的效率，對于過程效率，我覺得學(xué)科之間是存在著分工的。我以為就是不同的學(xué)科解決不同的問題，熱力學(xué)就是解決效率的問題，那么傳質(zhì)學(xué)，傳熱學(xué)，化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)都有自己學(xué)科的界限，是各有分科的。剛才講了熱力學(xué)，熱力學(xué)第二定律的作用是指出方向和限制，過程改進(jìn)方向，但是沒有辦法給出效率。熱力學(xué)當(dāng)中就是沒有推動力，就是過程沒有速率，沒有推動率。那所有過程就不要研究了。我們就是追求速率最大，有的時候就不在乎阻力?，F(xiàn)在很多人很在乎阻力這個問題，于是就產(chǎn)生了一個問題，要在傳熱學(xué)里引入熱力學(xué)的這些觀點，我認(rèn)為存在相當(dāng)大的難度。這是一個跨學(xué)科的問題，會比較難。所以，能不能得到效果? 比如說熱力學(xué)第二定律分析，還有熵分析，損失分析，都叫第二定律分析。第二定律的分析根本就給不出改進(jìn)的限度，改進(jìn)的限度是來自于其他的條件。比如說技術(shù)限定，環(huán)境指標(biāo)的限定，經(jīng)濟(jì)限定，跟經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)合就是熱經(jīng)濟(jì)分析，出了一個產(chǎn)品單價最小化。熱力學(xué)本身解決不了，一定是跟其他結(jié)合才能出來一些分析指標(biāo)。我以為首先要澄清一下學(xué)科交叉的問題。王秋旺: 過先生提[火積]的概念是從各種現(xiàn)象類比出來的，電學(xué)里面大部分的導(dǎo)電的現(xiàn)象還是通過固體材料實現(xiàn)的，那么從固體的導(dǎo)電和固體的導(dǎo)熱這樣類比都是電子的運(yùn)動，應(yīng)該很容易理解。我們在傳熱里面有流動，時應(yīng)于對流換熱的情況，在電學(xué)里面采用什么樣的方式可以更好的對比呢? 現(xiàn)在有通過無線的方式來傳遞，把電傳到另外一個地方，是不是有一點類似于輻射換熱，這個我不敢妄下結(jié)論。最小熱阻的概念，在導(dǎo)熱里面的熱阻主要是取決于導(dǎo)熱系數(shù)，但是，我們知道對流的熱阻跟對流換熱表面的換熱系數(shù)有很大的關(guān)系，是一個過程量。我就在想，這樣一種燒的概念在各種各樣的傳遞方式里面是不是都能夠用下去，我也向過先生請教一下。最小熱阻原理出現(xiàn)以后，金教授也提到了到底節(jié)能不節(jié)能。過先生，在[火積]的狀態(tài)里面有沒有考慮到阻力的情況，是不是[火積]的最大或者是導(dǎo)致的熱阻最小就是對應(yīng)了阻力的最小? 我感覺在今天聽到的報告里面找不到答案。
        今天早上關(guān)于場協(xié)同的討論里面，我有一個感覺，場協(xié)同的研究中實際上過先生最早是從邊界層方程開始，后來又到了橢圓形的方程里面，更多是從層流的方程里面得到溫度的點積，由此發(fā)現(xiàn)其點積的夾角越小，效果越好。如果這樣的問題推廣到相變、湍流的情況，是不是能輕易推過去，我覺得確實還需要商榷。只要方程里面出現(xiàn)了流和溫度梯度的點積，我們就可以用這個方法，這可能是問題的主要矛盾。今天早上鄭先生也提到了一些問題，怎么跟場協(xié)同原理結(jié)合起來呢? 我今天通過大半天的學(xué)習(xí)，確實是長進(jìn)了不少。
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        【發(fā)言9】曹炳陽：熱質(zhì)概念和普適導(dǎo)熱定律
         非常感謝沙龍能給我一個機(jī)會來討論熱質(zhì)的概念與普適導(dǎo)熱定律這樣一個話題。眾所周知，傳熱學(xué)的核心定律是傅里葉導(dǎo)熱定律，但是在實驗中發(fā)現(xiàn)很多極端條件下傅里葉導(dǎo)熱定律不成立。比如說激光武器熱脈沖能達(dá)到10-15秒，在碳納米管的納米技術(shù)領(lǐng)域熱流密度可以達(dá)到1012W/m2。在這些極端條件下，傅里葉導(dǎo)熱定律不成立。我們開始思考，為什么傅里葉導(dǎo)熱定律不成立呢? 我們不妨從傅里葉導(dǎo)熱定律提出來的歷史以及隨后很長時間的探索來看一下。傅里葉本人是生活在18世紀(jì)后期到19世紀(jì)早期，當(dāng)時正處于熱質(zhì)說和熱動說爭論的時期，占統(tǒng)治地位的是熱質(zhì)說。所以，傅里葉提出導(dǎo)熱定律也是基于熱質(zhì)說的概念建立起來的。傅里葉還在他的著作中說咱們熱學(xué)很有個性，和其他的理論不一樣。不一樣在什么地方呢? 熱學(xué)不可能與動力學(xué)的理論有關(guān)系，熱學(xué)本身是有自己特有的原理的，這一點和物理界包括搞哲學(xué)界的科學(xué)家的觀點是非常不一樣的。很多的物理學(xué)家曾提出來物理事件的發(fā)生、過程到結(jié)果受什么控制呢? 受作用的控制。什么是作用呢? 作用只有一種，就是力，而物理學(xué)上力的定義是: 力是物體之間的相互作用，所以在這一點上，熱學(xué)和其他的學(xué)科就顯得格格不人了，沒有力的概念。
        也許正是基于這樣的歷史原因，從理論上傅里葉導(dǎo)熱定律得到的導(dǎo)熱方程是一個擴(kuò)散方程，使得熱擾動的傳播速度無限大。這是傅里葉導(dǎo)熱定律本身的缺陷之一。它也是一個線性定律，從熱力學(xué)的角度來看它適用于限于溫差比較小和熱流比較小的情況。當(dāng)我們要證明一件事情正確時，要舉很多很多的例子，哪怕舉一百萬個也不夠，但是要證明一個定律錯誤則很容易，只要有一個反例就可以了。以上這些例子就證明傅里葉導(dǎo)熱定律有著它固有的缺陷。
        那么，亦適用于極端條件的導(dǎo)熱模型應(yīng)該是什么樣子的呢? 其實這個探索的歷史還是非常長的，一種思路就是來修正傅里葉導(dǎo)熱定律，在傅里葉導(dǎo)熱定律的基礎(chǔ)上加減其他的物理項，通過這樣的過程可以得到新的模型。例如C－V模型是非常有代表性的一種，在傅里葉導(dǎo)熱定律的基礎(chǔ)上加了一項熱流對時間的導(dǎo)數(shù)。這樣一來，如果有了溫差，要形成熱流，則必須要經(jīng)歷一定的時間。歷史上好多科學(xué)家提出來傳熱是有慣性的，因為要得到熱流的話必須要通過一定的時間。如果是熱流變化，同樣也是需要時間的。
        另一種方法，求解Boltzmann方程也可以得到很多模型。這種方法比較嚴(yán)格，但是要基于很多的假定。得到的導(dǎo)熱模型也說明，在這里有溫度梯度或者熱流，必須和另外一個地點的溫度梯度和熱流有關(guān)系，在空間上是相互關(guān)聯(lián)的，這其實也是一個慣性的概念。
        到目前為止，提出來的導(dǎo)熱模型有十多種，形式上也不太一致。而且有一些模型存在一些固有缺陷，比如說C－V模型，發(fā)表的一篇論文就證明一個物體如果是兩個邊界降溫，就會形成兩個溫度降的熱波，在物體中間熱波疊加就可能會出現(xiàn)負(fù)溫度，這肯定是不正常的現(xiàn)象。所以，也證明了C－V模型本身是有缺陷的。
        總結(jié)這些導(dǎo)熱模型也可以得到統(tǒng)一的概念。經(jīng)過幾十年的探索，實際上已經(jīng)有一個比較核心的理念: 熱的傳遞是有“慣性”的，是Inertia。這里的慣性還需要加引號，因為這只是一個概念，還不是物理上的慣性。一個東西若具有物理上的慣性，那么需要什么呢? 需要物體本身要有質(zhì)量，因為我們都知道質(zhì)量才是慣性的一種描述和表征。最近過增元教授定義了熱質(zhì)的概念，根據(jù)愛因斯坦相對論的質(zhì)能關(guān)系，能量除以光速的平方就是熱能當(dāng)量的質(zhì)量，即熱質(zhì)。
        Mh=(Ek （熱能）)/(c2 （光速平方）)
        比如說一個電子，速度提高以后質(zhì)量就會增加，這在物理實驗上是能測得到的。盡管增加質(zhì)量在速度比較低時算出來比較小，但是并不是沒有，所以從物理上的概念來講，質(zhì)和能的概念是統(tǒng)一的。
        有很多老師或許會問，這樣一個新概念，在物理領(lǐng)域能不能得到物理界的認(rèn)可呢? 我們查了很多的文獻(xiàn)，下面是兩個是比較典型的。一個是諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者寫的《費(fèi)恩曼物理學(xué)講義》，在講相對論的一章提到: 當(dāng)氣體被加熱時，溫度要升高，分子的速度就會增加，因此它的質(zhì)量就會增加，而氣體就要變重，而且變重的質(zhì)量就等于動能除以光速的平方。如果是氣體，相當(dāng)于一團(tuán)分子，其熱質(zhì)就相當(dāng)于內(nèi)能或者是熱能除以光速的平方。這和過增元教授提出的定義是一致的。另外還有專門討論熱的質(zhì)量的論文，比如說一篇發(fā)表在Physical Review的論文，題目就是熱重量的概念（“On the weight of Heat ……”）。根據(jù)狹義相對論，所有形式的能量，包括作者所討論的熱量，必須看作是擁有慣性和重量的，這個結(jié)論是作者通過很嚴(yán)密的熱力學(xué)邏輯分析得到的，如果不是這樣做的話，從物理上就會出現(xiàn)其他問題。
        現(xiàn)在我們有了熱質(zhì)的概念有什么用呢? 第一，如果處理傳熱的問題，熱就可以看作是有質(zhì)量的流體在物體里面流動、傳遞，這樣，歷史上的熱動說和熱質(zhì)說之間的矛盾看起來就可以化解掉了。熱動說的核心是說熱是能量，熱質(zhì)說的核心就是說熱是物質(zhì)。實際上，在現(xiàn)代物理學(xué)的概念里面，質(zhì)和能本身就是統(tǒng)一的，所以目前的理論也可以認(rèn)為是一種“二象說”。第二，如果有了質(zhì)量就可以應(yīng)用動力學(xué)方法研究熱傳遞的問題了，而且這樣熱量的傳遞就有真實的慣性。所以，現(xiàn)在可以把慣性的概念從原來理念的問題提升到了一個物理真實的概念上。第三，我們現(xiàn)在可以基于牛頓力學(xué)來探討傳熱規(guī)律的問題，比如是否可以探索普適導(dǎo)熱定律呢?
        有了熱質(zhì)的概念，我們首先可以引人一些動力學(xué)物理量。比如熱運(yùn)動的速度的概念，是指熱量宏觀的運(yùn)動速度，就像水在管道里流動一樣，每個水分子有一個自己的微觀速度，還有一個宏觀的漂移速度，熱運(yùn)動的速度可以通過熱流密度來計算獲得。有了質(zhì)量我們還可以引入熱壓力，熱壓力有差別的時候，就會造成熱驅(qū)動力，就是熱壓力梯度。這樣，能量在固體里面?zhèn)鬟f的時候還會存在熱阻力，這是相當(dāng)于引人了一個假定，即熱阻力和熱運(yùn)動速度成正比，也許有問題，大家可以探討。
        在此基礎(chǔ)上可以建立熱質(zhì)運(yùn)動的守恒方程。比如連續(xù)性方程，指熱質(zhì)的總質(zhì)量守恒，也相當(dāng)于總能量守恒; 還有動量守恒方程，指總動量不能變化，總的熱質(zhì)的動量守恒; 能量守恒方程，熱質(zhì)的能量也不能減少，熱質(zhì)的能量包括動能和勢能。
        通過推導(dǎo)我們得到一個定律，這個定律看起來形式很復(fù)雜，其實也很簡單。
        因為，如果等號前面幾項等于零，等號右面兩項就退化為傅里葉導(dǎo)熱定律了，而多出來的這些項都是慣性力引起的慣性效應(yīng)。比如說第一項是熱流隨著時間變化而引起的慣性效應(yīng)，表示熱流的變化需要一定的時間; 第二項是溫度隨時間變化引起的慣性效應(yīng)，表示一個物體要有溫度變化，熱要流進(jìn)來，也要有慣性; 第三和第四項屬于空間的慣性效應(yīng)。時間慣性效應(yīng)表示形成熱流，必須要使得溫度梯度建立起來，要經(jīng)過一定的時間。應(yīng)該說這個定律是基于第一性原理得到的，又沒有引人其他的假定，所以我們稱之為普適導(dǎo)熱定律。基于普適導(dǎo)熱定律，壓力梯度推導(dǎo)出來就是溫度梯度，阻力就對應(yīng)熱流，所以，傅里葉導(dǎo)熱定律的物理本質(zhì)是驅(qū)動力和阻力的平衡方程。
        由于普適導(dǎo)熱定律比以前其他模型包含了較多的慣性項，通過它可以研究一些新的導(dǎo)熱現(xiàn)象。第一，穩(wěn)態(tài)非傅里葉導(dǎo)熱。以前談非傅里葉導(dǎo)熱，我們常規(guī)的概念指的是瞬態(tài)導(dǎo)熱，類似激光快速熱沖擊的情況，會產(chǎn)生熱波。而基于普適導(dǎo)熱定律我們發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的時候也可以出現(xiàn)非傅里葉導(dǎo)熱現(xiàn)象。
        可以看到，和傅里葉導(dǎo)熱定律相比多出來一個非線性項，它就是慣性力和驅(qū)動力的等值。可以看到熱流和溫度梯度不是呈線性的，所以熱流密度大了，或者是溫度梯度太大了，線性定律就不成立了。當(dāng)我們做個實驗去測量一個系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)時，當(dāng)直接應(yīng)用傅里葉導(dǎo)熱計算時只會得到一個表觀的導(dǎo)熱系數(shù)，而不是物體實際的導(dǎo)熱系數(shù)。在納米尺度條件下，由于熱流密度通常會比較大，這種慣性效應(yīng)會很重要。
        我們也可以來研究熱波現(xiàn)象?；谄者m導(dǎo)熱定律的導(dǎo)熱方程是一個波動方程。其他的模型，比如C－V模型，也能預(yù)測熱波，這里普適導(dǎo)熱定律也能預(yù)測熱波，有什么不同呢? 舉一個例子來說明，當(dāng)一個物體兩端降溫，兩道降溫的波會向中間傳遞并疊加，我們發(fā)現(xiàn)C－V模型的熱波疊加時會出現(xiàn)溫度小于零的現(xiàn)象，這是一種非物理現(xiàn)象，而普適導(dǎo)熱定律計算的熱波疊加則不會出現(xiàn)溫度小于零的現(xiàn)象，無論冷卻幅度或速度有多么大。
        最后小結(jié)一下。首先，基于愛因斯坦相對論，我們能夠定義熱的質(zhì)量，即熱質(zhì)的概念，熱量傳遞的時候表現(xiàn)出其質(zhì)量特性。第二，有了熱質(zhì)的概念，就能夠應(yīng)用牛頓力學(xué)，建立熱質(zhì)運(yùn)動的守恒方程，稱之為普適導(dǎo)熱定律。第三，通過普適導(dǎo)熱定律能揭示非傅里葉導(dǎo)熱現(xiàn)象的物理機(jī)制為熱質(zhì)的慣性，而且普適導(dǎo)熱定律能夠描述極端條件下（比如超快速激光沖擊、低溫或者是高熱流密度）的熱傳遞行為。
        這里作為新的概念和新傳遞規(guī)律提出來，不足和錯誤之處希望各位前輩和老師批評指正。
         
        【討論】宋耀祖: 我提一個問題，你剛才用了質(zhì)能關(guān)系，這是對的，但是質(zhì)能關(guān)系在用的時候增加的質(zhì)量就是動質(zhì)量，是運(yùn)動起來的質(zhì)量，還有一個是靜質(zhì)量，我不知道用到熱學(xué)領(lǐng)域里面來，這個質(zhì)量是靜質(zhì)量呢還是動質(zhì)量呢? 具有1焦耳能量的物體是靜止的質(zhì)量還是傳遞中的動質(zhì)量呢? 這個我不太清楚，的確是附加的運(yùn)動質(zhì)量。曹炳陽: 我只是講一下個人的理解。動質(zhì)量和靜質(zhì)量相比是人們分開的一個概念，實際上當(dāng)一個物體有質(zhì)量的時候，我們是不能把它分開的，就只能講這個物體有多少質(zhì)量，所以動質(zhì)量、靜質(zhì)量總結(jié)起來是質(zhì)量，是分不開的。如果計算，可以把它分出來。因為這個物理學(xué)上的實驗都有證明，比如說電子速度提高以后，如果要用力再去實現(xiàn)一個加速度，必須按照總質(zhì)量去施加，才能達(dá)到要求，否則就不行，這是我的看法。過增元: 我不同意剛才曹炳陽的觀點，我覺得動質(zhì)量和靜質(zhì)量是完全可以分開的，大家想一想，如果熱量傳遞，分子的靜質(zhì)量沒有宏觀運(yùn)動。我們的動質(zhì)量是運(yùn)動的，所以物理上、數(shù)學(xué)上都是可以分開的。唐大偉: 提一點看法，我以前也做過一些相關(guān)的工作，自己有一種感覺，凡是出現(xiàn)所謂的非傅里葉的現(xiàn)象的時候，都要基于大概兩種情況。一種是能否看成連續(xù)介質(zhì)，包括材料的尺度很小的時候，不能把它看成是連續(xù)介質(zhì)。還有一個是非均勻的結(jié)構(gòu)?；谶@樣兩種情況，可能就會出現(xiàn)所謂非傅里葉的現(xiàn)象。在這個理論導(dǎo)出的過程中，我不能直接看出來它跟非連續(xù)介質(zhì)也好，或者是非均勻的分布也好有什么關(guān)系，這是一個問題。還有一個問題就是實驗驗證的問題，當(dāng)然也涉及模型的問題。因為現(xiàn)在這個理論最終推的只是能夠演化成C－V模型，就是一個遲豫時間模型。但是，在金屬里面，我們都知道還有一個two step模型，這個里面有兩個弛豫時間，而且這個模型與金屬實驗，就是超快激光加熱的實驗都吻合的很好?，F(xiàn)在這個是不是也能退化成那個模型? 不是說簡單地只是退化成C－V模型。
        至于穩(wěn)態(tài)的非傅里葉現(xiàn)象，實際上按道理說有很多實驗可以做，就是現(xiàn)在關(guān)于納米尺度的一些實驗，包括納米碳管，比如說導(dǎo)熱系數(shù)的測量和尺度效應(yīng)，這些是可以做的。剛才講了可以退化到C－V模型的時候，做了部分慣性力可以去掉，那么去掉這部分慣性力，從物理意義上講是個什么意思呢? 就是為什么可以去掉這幾種慣性力，如果要全去掉，那可以理解。比如說去掉了部分，那這一部分是什么道理呢?我就這幾個問題。
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        【發(fā)言10】童秉綱、鮑麟：氣動熱力學(xué)中的非傅里葉導(dǎo)熱
        童秉綱：我補(bǔ)充一點，遇到氣體稀薄化以后的導(dǎo)熱問題，實際上也不符合傅里葉定律，我們在這方面做了研究，下面請鮑麟簡要介紹一下。
        鮑麟：現(xiàn)今近空間高聲速飛行器均采用尖前緣外形，比如頭部鈍度很小，因此在駐點局部的特征尺度就變得很小，而Kn數(shù)變大，產(chǎn)生了局部稀薄效應(yīng)。在稀薄流動中，傅里葉定律還適用嗎? 如不適用，那么傳熱規(guī)律是什么? 這是我們關(guān)心的問題。
        首先，我們通過直接模擬Mont Carlo方法（簡稱DSMC）計算了不同大小、不同飛行工況下微鈍尖錐的駐點熱流值，并檢驗了傅里葉定律的精度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流動滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)時，傅里葉定律成立，而流動越稀薄，利用傅里葉定律計算的熱流值和DSMC直接計算的熱流值相差越大。因此，傅里葉定律不適用于稀薄流動。
        其次，我們理論推導(dǎo)了流動從連續(xù)到稀薄過程中，尖錐駐點熱流的計算公式。核心思想是將流動從連續(xù)到稀薄看作一個漸變的過程，統(tǒng)一由Boltzmann方程控制。稀薄現(xiàn)象的微觀機(jī)制就是分子碰撞不充分，產(chǎn)生非平衡效應(yīng); 宏觀上可以對應(yīng)表現(xiàn)為傳熱的非線性。因此我們嘗試構(gòu)造新的熱流表達(dá)式，為線性項——即傅里葉定律——加上一個非線性項。非線性項可以借助Boltzmann方程的高階展開Burnett方程表示出來。進(jìn)一步把非線性項和線性項的比值定義為特征參數(shù)Wr，顯然Wr越大，表示稀薄效應(yīng)越顯著。在我們研究的高超聲速尖錐駐點熱流問題中，Wr恰能寫為簡潔表達(dá)式，可以用來快捷地判別稀薄效應(yīng)強(qiáng)弱以及構(gòu)造流動從連續(xù)到稀薄時的熱流預(yù)測公式。
        剛才曹教授的報告提出了在高熱流密度下非傅里葉導(dǎo)熱的新理論，我們研究的問題和思路有所不同，但有沒有可能建立統(tǒng)一的非傅里葉導(dǎo)熱定律? 這是一點猜想。
        【討論】許明田: 傅里葉導(dǎo)熱定律不成立的原因是非線性的作用，這時候需要新的模型。我一直試圖探索在Kn數(shù)≥l的情況下會怎么樣，推導(dǎo)了一個抽象的數(shù)學(xué)理論，得出了關(guān)于流動傳熱的分布關(guān)系，可喜的是還發(fā)現(xiàn)引起了第二聲、熱波的現(xiàn)象。但是很可惜，這個模型太復(fù)雜了，需要簡化。還有一點是基于平衡假設(shè)的熱力學(xué)，恐怕在這里不適用，必須采用非平衡熱力學(xué)進(jìn)行實驗。其原因在于，在慣性和波動存在條件下可能會發(fā)生干步和反射，將具有與擴(kuò)散不同的規(guī)律。傳統(tǒng)的熱力學(xué)理論不能用，這時熵的定義需要改變。根據(jù)拓展不可逆熱力學(xué)，這時溫度發(fā)生了變化，這樣，從傳統(tǒng)的熱力學(xué)觀點來看是違反物理規(guī)律的，但是從熱力學(xué)的定理角度來看是正確的，這是我的看法。過增元: 對剛才童教授的講話，我認(rèn)為偏離傅里葉規(guī)律的傳熱現(xiàn)象的出現(xiàn)，是來自于不同的物理機(jī)制。童老師他們提出的非傅里葉效應(yīng)是來自于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)不成立，存在稀薄效應(yīng)。而剛才曹炳陽提到的現(xiàn)象中，傅里葉定律仍然是成立的，但是如果考慮慣性作用，也偏離了傅里葉規(guī)律。還有熱波，是由量子效應(yīng)引起的。我覺得三個方面都會產(chǎn)生非傅里葉效應(yīng)，這是我的猜想。
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        【發(fā)言11】張鵬：熱波傳熱
         很高興有這樣一個機(jī)會參加討論會，學(xué)到了很多新的東西。我是主要做低溫傳熱的，大家都知道在談到非傅里葉傳熱的時候，可以從以前很多文獻(xiàn)中看到，通常會引用一個實驗結(jié)果，就是到目前為止公認(rèn)的超流氦熱波傳熱。為了描述非傅里葉傳熱，通常的做法是對常規(guī)的傅里葉導(dǎo)熱方程進(jìn)行修正，從而得到了一些的確是在波形上和實驗結(jié)果比較接近的理論分析結(jié)果。這里我向大家介紹一下我們做的一些低溫傳熱中的一些情況。
        對超流氦熱波傳熱可以采用二流體模型進(jìn)行描述，二流體模型的建立也有幾個假設(shè)。一是超流氦中存在超流體和常流體，總的動量等于超流體的動量和常流體的動量之和，另外就是超流體無粘性。在此基礎(chǔ)上，朗道建立起了整套的超流氦二流體模型，在形式上和普通流體的N－S方程類似; 所不同的是，這一套方程中多了一個描述超流體運(yùn)動的方程。建立了這一整套方程以后，就可以對超流氦的熱波傳熱進(jìn)行描述。
        我針對這一整套二流體模型進(jìn)行了數(shù)值求解，同時對超流氦的熱波進(jìn)行了實驗研究。這里所展示的是實驗結(jié)果和理論結(jié)果的比較，可見吻合程度很好（見圖1）。超流氦的熱波傳熱完全可以用二流體模型來進(jìn)行解釋（大家有興趣可以參考我發(fā)表的論文Phys. Rev. B (2006) V74(2) 024528）。熱波傳熱具有很多波動特征，例如，熱波的衍射、反射等。熱波傳播與光波所表現(xiàn)出來的性質(zhì)有類似之處，但是熱波并不具有所有的波動特征，還有一些沒有，比如自聚焦特性。
        我剛才講了在二流體模型中還有幾個關(guān)鍵的假設(shè)，在這些假設(shè)的前提下，得出了一整套的模型，然而這幾個假設(shè)是不是一定成立或者是一定滿足呢? 實際上在最近，也就是那么兩三年前的事情，有一些物理學(xué)家得出了一些很好的結(jié)果，他們通過可視化方法直接觀察到了超流氦中兩種流體的運(yùn)動，似乎是直接觀察到了，為什么是似乎呢? 因為到目前為止，還沒有第二個研究組重復(fù)出這個結(jié)果。我的一些合作者也做了類似的實驗，但是在實驗中沒有完全地觀察到表明兩種流體相互運(yùn)動的直接證據(jù)。當(dāng)然這個研究工作還在繼續(xù)，在二流體模型中，兩種流體相互運(yùn)動的直接證據(jù)還有待于進(jìn)一步確認(rèn)。
        圖1：二流體模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果比較
        前面講的是超流氦中的熱波傳熱。20世紀(jì)90年代物理學(xué)家們還關(guān)注很多的一種所謂的熱波現(xiàn)象，就是臨界點附近的活塞效應(yīng)，也是流體傳熱的一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象曾經(jīng)被物理學(xué)家們定義為獨立于三種傳熱方式以外的第四種傳熱方式。經(jīng)過我最近的研究發(fā)現(xiàn)，所謂的活塞效應(yīng)以及所謂的波動傳熱本質(zhì)上是一種熱機(jī)效應(yīng)，還不是真正的波動傳熱。在臨界點附近，由于流體的可壓縮性很大，因此機(jī)械振蕩就引起了溫度的響應(yīng)，這個也就類似于低溫氣體制冷機(jī)的工作原理，或者是熱聲制冷機(jī)在壓力的作用下能產(chǎn)生冷效應(yīng)，這個基本道理是一樣的。壓力波動會帶來一定的溫度波動，因此活塞效應(yīng)并不是真正意義上的波動傳熱（可以參考我發(fā)表的論文Phys. Rev. E (2009) V79(6) 060103(R)）。
        我這里提出兩個問題，第一個是熱質(zhì)理論能否描述超流氦的熱波傳熱。通過多年來的很多實驗研究發(fā)現(xiàn)，超流氦二流體模型對超流氦傳熱和超流氦中的物理現(xiàn)象有很好的描述，但這兩個假設(shè)是不是一定成立，或者是否有其他的一些理論也能夠?qū)Τ骱さ膫鳠徇M(jìn)行一定的描述和解釋，尚待探索。
        還有一個問題，波動傳熱是不是可以定義為第四種傳熱方式，或者是說波動傳熱是不是導(dǎo)熱的一種特殊形式，或者說導(dǎo)熱是不是波動傳熱的一種特殊形式，這些問題供大家討論。
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        【發(fā)言12】王立秋：熱質(zhì)理論的熱力學(xué)基礎(chǔ)與展望
        首先感謝沙龍會給我這個機(jī)會，給大家匯報一點想法。主要有兩點: 一個是熱質(zhì)理論的熱力學(xué)基礎(chǔ)，另一個方面就熱質(zhì)理論能干什么事，還要怎么發(fā)展。
        剛才曹老師講了從熱質(zhì)理論導(dǎo)出普適導(dǎo)熱定律。推導(dǎo)僅僅基于連續(xù)性方程和動量方程。這兩個方程源于質(zhì)量守恒和動量守恒定律。這里，我就想談一談這兩個基本定律到底是怎么回事。因為其他的都是具體的推導(dǎo)，而這兩個定律是基礎(chǔ)。一般的書上都講質(zhì)量守恒是一個公理，跟熱力學(xué)第一定律、第二定律一樣，沒有什么可多說的了。這里面有一些問題，問題在于質(zhì)量守恒不是獨立的一個定律，是可以由其他兩個基本定律推導(dǎo)出來的。
        其中一個叫實質(zhì)統(tǒng)一性原理，這里我們暫且用這個名字，因為不好隨便創(chuàng)造新名字。如果查看文獻(xiàn)，就實質(zhì)統(tǒng)一性原理有很多的爭論。這里講的實質(zhì)統(tǒng)一性原理不是文獻(xiàn)中講的實質(zhì)統(tǒng)一性原理，我認(rèn)為應(yīng)該是叫宇宙或世界可知性原理，這樣可能比較合適。
        宇宙可知性原理大家都用，每天都用，為什么用呢? 這個原理告訴我們什么呢? 對于兩個不是憑空造出來的，而是實際存在的兩個物理量X和Y，它倆之間的關(guān)系不能因人而異，這就是宇宙可知性原理。如果你不接受這個原理，我們就沒有必要搞任何教育系統(tǒng)。教材寫出來的東西都是別人做出來的，如果對我們不成立，那就沒必要學(xué)習(xí)，也沒必要讓我們的下一代學(xué)習(xí)。大家都接受這個觀點，就是自然的接受。要不然人類就沒有能力研究這個世界了。這是一個普適的定理，或者說大家都接受的公理。物理量本身是因人而異的，而兩個物理量之間的關(guān)系不能因人而異。如果因人而異，我們也沒有必要搞科研了。所以，這是一個基本定律。我之所以講世界可知性原理，是因為正是有了這個原理，我們?nèi)祟愡€有些能力了解這個世界。如果不接受這個定律，我們?nèi)嗽谑澜缟喜荒芤膊挥酶扇魏问铝恕?/p>
        第二個定律就是熱力學(xué)第一定律，大家都接受熱力學(xué)第一定律。由這兩個定律可以推出質(zhì)量守恒定律。由于宇宙可知性原理大家都不自覺地接受與應(yīng)用，因此質(zhì)量守恒定律應(yīng)該看作是熱力學(xué)第一定律的推論。
        第二點是動量守恒，就是牛頓第二運(yùn)動定律。牛頓第二運(yùn)動定律大家一般也認(rèn)為是基本定律，是牛頓告訴我們的，這個也有問題。其實這個定律也可由兩個更基本的定律推出來。我們用哪兩個基本定律呢? 第一個還是實質(zhì)統(tǒng)一性原理或宇宙可知性原理。這個原理我剛才已給大家簡單介紹了一下。第二個就是熱力學(xué)第二定律。一遇到熱力學(xué)第二定律就麻煩了，因為熱力學(xué)第二定律有很多種表述方式?？赡芎芏嗳瞬煌馕疫@種觀點，認(rèn)為熱力學(xué)第二定律就是工程熱力學(xué)書上講的兩種: 普朗克表述和卡爾文表述。這個我們可以探討。
        但是我認(rèn)為熱力學(xué)第二定律有很多種，多少種呢? 這個數(shù)也不知道，很多種。往往一種表述只能方便地研究某一類系統(tǒng)和過程。由于世界上有多種系統(tǒng)，多種過程，因此熱力學(xué)第二定律有多種表達(dá)方式。比如說，對于實數(shù)域的x，x2≥0就是熱力學(xué)第二定律的一種表達(dá)方式。很可惜，到現(xiàn)在為止，人類還沒有找到一個普適的熱力學(xué)第二定律的表述方式。要想證明兩個表述方式之間的等價性是很難的。證明動量守恒我們要用什么形式呢? 力和加速度點乘。因為力和加速度的方向要在一個方向上，點乘一定要大于零。再就是如果加速度由正變負(fù)，力也要由正變負(fù)。這是一種熱力學(xué)第二定律的表示方式。如果接受這個的話，就能用這種表示方式和實質(zhì)統(tǒng)一性原理，不借助其它的假設(shè)，推導(dǎo)出動量守恒定律。
        我很不成熟的觀點就是: 熱質(zhì)理論如果是基于質(zhì)量守恒和動量守恒的，那么就應(yīng)該說是熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的推論，這是我想向大家匯報的第一點。
        對于熱質(zhì)理論，我學(xué)得還不夠。看到了過先生還有清華的一些老師的文章，只是有一些體會。熱質(zhì)理論給我們創(chuàng)造了很多的機(jī)會，同時帶來了很多的挑戰(zhàn)。第一個問題就是我上午表達(dá)的一個觀點: 相比于其他學(xué)科，為什么熱學(xué)這么困難，都是熱這個量惹的禍，簡稱都是熱惹的禍。大家都知道熱量 (heat) 和一些小尺度上的東西有關(guān)。我現(xiàn)在以分子為例，作為小尺度的粒子。當(dāng)然也可以是原子，也可以是其他的什么子，就是小的粒子。小的粒子要動，動不一定碰，然而你要碰必須先動，但是動和碰不是一回事。粒子的動在我們熱學(xué)理論上就產(chǎn)生了內(nèi)能。但是動了之后往往會碰，因為不是只有一個粒子。一碰就可能碰出事來了。能否碰出事來，就要看跟誰碰。若是兩個同樣的粒子碰，什么事沒有，如果是不同樣的粒子碰，就是不同溫度區(qū)域的粒子相互碰就碰出事來了，這個碰出來的事就是熱量。熱力學(xué)上就是這么定義熱量的。如果只動就是內(nèi)能這個概念，如果跟人家碰，大家都一樣的粒子之間的碰什么事都沒有，如果是一個強(qiáng)的跟一個弱的碰就碰出事來了，碰出了傳遞的量: 熱量。就是弱的得到的一些東西，強(qiáng)的失去的一些東西，這個東西就是熱量。
        熱量到底怎么碰出來的，我通過過先生最近寫的文章得到了些新的啟發(fā)。他們提出了怎么碰的呢? 是質(zhì)量傳過去的。有一種熱子是從這個分子蹦到那個分子上去的。這種粒子吸附到分子上或者其他子上，我一會兒再談?wù)勥@個問題。假如說這個理論正確的，那就解決了熱量的本質(zhì)問題?；谶@個理論，熱量的本質(zhì)問題就是質(zhì)量傳遞。為什么是質(zhì)量傳遞? 基于過先生和曹老師做的這些工作，那就是熱子在運(yùn)動了。熱子本身有能量，熱子過去了，對應(yīng)的就有能量傳過去了。所以，這樣熱的本質(zhì)就解決了。如果熱的本質(zhì)解決了，熱力學(xué)就不一樣了。熱力學(xué)和其他學(xué)科不一樣的就是這個熱量，這個熱量說實在的到現(xiàn)在我們?nèi)祟愡€是理解不清楚。就是強(qiáng)的碰到弱的就傳過去一個東西，這個東西就是熱量，但是怎么傳的是不清楚的。如果我們的熱質(zhì)理論是正確的，熱力學(xué)可以重新寫了。比如說，熱力學(xué)第一定律表述為: 經(jīng)過一個過程后，一個系統(tǒng)的總能量的變化等于該系統(tǒng)在該過程內(nèi)與外界熱與功交換的凈總和。如果熱質(zhì)理論正確，和外界的熱作用就是由于質(zhì)量傳遞產(chǎn)生的。就可以用不同的語言來表達(dá)熱力學(xué)第一定律了。我們也就可以利用很多數(shù)學(xué)工具來研究熱力學(xué)。如果看看熱力學(xué)教科書，只有一章公式相對比較多，就是講熱力學(xué)關(guān)系式的那章。相比其他學(xué)科，經(jīng)典熱力學(xué)用數(shù)學(xué)比較少。還有剛才大家談出來的很多問題，什么熵產(chǎn)等這些問題都是由這個熱量概念引起的。我覺得熱質(zhì)理論能從這個方面對熱學(xué)的發(fā)展起推動作用。
        我今天上午也提到了建立能量方程的時候，我們都認(rèn)為導(dǎo)熱和對流相互獨立。這里，我做一個實驗。我手里有一瓶水，假設(shè)瓶中還有一點空，水沒有完全充滿。水的溫度若各點不一樣，就有傳熱過程，我若不動是導(dǎo)熱。如果這樣晃就既有導(dǎo)熱，又有對流。我還能把瓶子拋向空中，產(chǎn)生更強(qiáng)的對流。你說大尺度上的對流對于導(dǎo)熱有沒有影響? 原則來講應(yīng)該是有影響的。我再拿一個別的例子來講一下。一個人得了癌癥，癌細(xì)胞當(dāng)然對這個人整體的狀況有影響，這就等于導(dǎo)熱對對流有影響。如果這個人亂吃，吃致癌的東西，那么癌細(xì)胞會不會變? 當(dāng)然會變，越來越多。這就等于對流對導(dǎo)熱有影響。所以，它們是有關(guān)系的。若說它們沒有關(guān)系，那只是近似。為什么不能研究導(dǎo)熱和對流的相互作用呢? 因為太難了，我們對熱量理解不透。如果熱質(zhì)理論成立，導(dǎo)熱也變成一種質(zhì)量的傳遞。這個傳遞是在小尺度上的，對流是大尺度上的。他們之間的相互作用是很復(fù)雜的問題，是一個很重要的基礎(chǔ)問題。如果熱質(zhì)理論成立的話，我認(rèn)為對研究導(dǎo)熱和對流的相互作用，怎么相互作用，什么情況下作用強(qiáng)，什么情況下作用弱，什么情況下我們才能使他們的作用強(qiáng)，什么情況下我們才能使他們的作用弱，這些都是很重要的問題。
        為了最終達(dá)到這個目標(biāo)，我們還要解決很多問題。什么問題呢? 就是熱質(zhì)理論面臨的挑戰(zhàn)。熱子吸附在粒子上，熱子本身的特性我們要知道: 幾何特性、物理特性、化學(xué)特性，好多特性我們要知道。我們還要知道和動態(tài)過程有關(guān)系的一些特性。曹老師已經(jīng)講了熱子速度的一個算法。這個算法當(dāng)然沒有問題，用宏觀的熱流量除以單位質(zhì)量的能量，這樣的話別人會說你肯定能得出熱流量和溫度梯度之間的傅里葉關(guān)系。我們需要熱子速度其他的計算方法。
        我們要研究熱子本身運(yùn)動速度怎么算，不用熱流量，用其他的辦法能不能算出來。一旦算出來，并且能證明，還能推出來傅里葉導(dǎo)熱定律的話，工作的重要性可能就不太一樣了。真正發(fā)展這個理論還是在于熱子，我現(xiàn)在不理解的問題是什么呢? 分子之間是有空的，附在分子上的熱子是怎樣從一個分子到另一個分子的?通過分子間的相互碰撞? 這些熱子本身的特性和動態(tài)過程的一些特性我們可能還要花很大的力氣來研究，大家一起來做。令人振奮的是: 熱子理論給了我們希望，那就是有可能搞清楚熱 (heat) 這個概念。我教傳熱學(xué)，也教熱力學(xué)，知道熱量Q的重要性和它的難理解性。熱質(zhì)理論給我們帶來解決這一難題的希望。這就是我要和大家分享的第二點。
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        【發(fā)言13】張興：熱質(zhì)存在的實驗驗證設(shè)想
         剛才曹炳陽老師已經(jīng)談到了熱質(zhì)具有很小的質(zhì)量。熱質(zhì)到底有多重呢? 我們不妨可以計算一下1kg的氮氣在溫度l000K時所具有的熱質(zhì)。根據(jù)定義，熱質(zhì)等于熱能除以光速的平方，計算結(jié)果為8.24×l0-12kg。如此小的重量，用世界上最精密的電子天平也是稱不出來的，因此，直接測量熱質(zhì)是非常非常困難的事情。那么，人們必然會問是否存在其他可能的間接測量方法呢? 要回答這個問題，我們還得重新審視一下普適導(dǎo)熱定律。顯而易見，普適導(dǎo)熱定律的第一項是時間變化引起的慣性力，第二項是空間變化引起的慣性力。在某些條件下，特別是時間變化非?？斓臅r候，比如，我們?nèi)绻軌蚴褂贸堂}沖激光實現(xiàn)超快速加熱，那么普適導(dǎo)熱定律的第一項與其他的阻力項和驅(qū)動力項相比就不能忽略，它們之間最多也就相差1-2個量級。另外，如果我們能夠借助于通電加熱一根納米尺度直徑的導(dǎo)線來達(dá)到高熱流密度加熱，盡管通電加熱方法很難實現(xiàn)超快速加熱，普適導(dǎo)熱定律的第一項很小，但是由于納米線的截面積很小，即使通不太大的電流，也就是幾個毫安的電流，就可以達(dá)到1012W/m2的高熱流密度。這時普適導(dǎo)熱定律的第二項，即空間變化引起的慣性力就顯得非常重要了?；谏鲜龇治觯覀兛梢缘玫揭粋€共識。那就是我們有可能用間接的方法來驗證普適導(dǎo)熱定理。下面我將提供幾個熱質(zhì)存在的實驗驗證方案，供大家批評指正。
        首先讓我們討論一下空間變化引起的穩(wěn)態(tài)慣性力的實驗驗證方案。借助于先進(jìn)的微納加工技術(shù)，我們可以加工出如圖l(a)所示的懸浮金屬納米線。如果將這根納米線放置于真空環(huán)境內(nèi)并通電加熱，由于納米線的橫截面很小，即使我們只通3－5mA的電流，其熱流密度也可以高達(dá)1011－1012W/m2，根據(jù)我們對空間變化引起的慣性力的計算，這時我們就可以觀察到非傅里葉導(dǎo)熱現(xiàn)象的存在。圖1(b)分別用實線和虛線表示了基于傅里葉導(dǎo)熱定律和普適導(dǎo)熱定律計算得到的納米線長度方向的溫度分布。如果傅里葉定律成立，沿納米線長度方向的溫度分布將為實線，如果普適導(dǎo)熱定律成立，沿納米線長度方向的溫度分布就變成虛線。因此，我們可以通過測量納米線的溫度分布來證明非傅里葉導(dǎo)熱現(xiàn)象的存在。然而，沿納米線各個點上的溫度測量是個世界難題，目前很難實現(xiàn)。但是，我們可以采用4線法精確測量通電加熱后納米線的電阻變化，基于電阻與溫度的關(guān)系得到納米線的平均溫升。大家知道，從圖1(b)所示的拋物線分布可以求出其平均溫升，通過理論計算與實驗結(jié)果的比較，我們就可以驗證穩(wěn)態(tài)慣性力的存在。當(dāng)然這個實驗講起來容易，做起來還是非常難的。我們會攻克懸浮納米線連接和測量上的一系列難題，爭取在不久的將來給大家報告實驗驗證的結(jié)果。
        圖1（a）懸浮金屬納米線
        圖1（b）通電納米線沿長度方向的溫度分布
        面我想介紹穩(wěn)態(tài)慣性力實驗驗證的第二個設(shè)想，我們來討論一下氣體從不同方向流過同一個變截面管道時的流動阻力。從大口進(jìn)小口出時為漸縮管，反之為漸擴(kuò)管。當(dāng)氣體流速非常低時，我們看不出不同方向流過同一個變截面管道時流動阻力的差別。但是，如果流速很高，我們就能觀察到兩者間的壓差變化，也就是流動阻力會出現(xiàn)不同。流動阻力不同來自于慣性項的貢獻(xiàn)?；谕瑯拥目紤]，我們可以研究一下通電變截面納米線的問題。圖2是變截面金屬納米薄膜的示意圖。基于熱質(zhì)理論，當(dāng)dS/dx<0，即沿?zé)崃鞣较蚪孛娣e減小時，當(dāng)量熱阻將增大；當(dāng)dS/dx>0，即沿?zé)崃鞣较蚪孛娣e增大時，當(dāng)量熱阻將減小。因此，我們可以通過對變截面金屬納米薄膜加不同方向的電流來實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)慣性力的實驗驗證。具體測量方法和第一個實驗類似。
        圖2：變截面金屬納米薄膜
        最后，我想給大家介紹一下如何驗證普適導(dǎo)熱定律里面的非穩(wěn)態(tài)慣性力的影響。圖3(a)是飛秒激光熱反射測試系統(tǒng)的示意圖。我們可以用飛秒激光加熱表面，用飛秒激光熱反射光學(xué)方法測量金屬表面受飛秒脈沖激光加熱后超快速升溫的過程。基于普適導(dǎo)熱定律，當(dāng)金屬表面受超快速飛秒脈沖激光加熱后表面會出現(xiàn)如圖3(b)所示的反射熱波，如果能夠?qū)嶒灉y量到這樣的現(xiàn)象，我們也可以間接的證明非穩(wěn)態(tài)慣性力的存在。上述三個方案就是我想給大家介紹的如何用實驗來驗證普適導(dǎo)熱定律的初步設(shè)想，起拋磚引玉的作用，請大家批評指正。
        圖3（a）飛秒激光熱反射測試系統(tǒng)
        圖3（b）金屬表面受飛秒激光加熱后的溫度響應(yīng)
        【討論】周遠(yuǎn): 我想問一下，你剛才提到的實驗，所用金屬納米線是什么材料?張興: 我們可以做金的、白金的、鉻的。周遠(yuǎn): 你的實驗是80K時做的，如果用銅做實驗，80K時比20K時的熱導(dǎo)大兩個量級，甚至是三個量級。這種情況下，如果溫度降低，高溫段燒斷了，低溫段也沒有熱流，而且這個可能性非常大。所以我認(rèn)為這個實驗中，必須要固定溫度。熱導(dǎo)究竟差多少? 我知道銅可以差到2－3個量級，要是用銅納米線會更清楚。張興: 為什么用金或者是白金呢? 銅非常容易氧化，這是最致命的問題。剛才提到的溫度問題非常有道理，我們原來做實驗的時候從77K開始往高溫做，現(xiàn)在已經(jīng)有2.8K的液氦低溫實驗裝置了。馬重芳: 106W/m2是鐵沸騰的熱流密度，107W/m2是太陽表面的熱流密度，你現(xiàn)在熱流密度比107W/m2還要高，這很難想象。張興: 金屬的截面完全能夠承受這樣的電流的流動，在這種情況下，因為橫截面非常小，所以一接觸熱流就達(dá)到要求了。華澤釗: 如果這樣測量，溫度偏差有多大?張興: 現(xiàn)在世界上最好的是八位半的數(shù)據(jù)，相對的變化可以達(dá)到0.01K。過增元: 他問實際上的偏差。張興: 這個影響可以很明顯地就觀察出來了。宋耀祖: 溫度也就是200多攝氏度。張興: 對。在這個特殊情況下面可以達(dá)到。宋耀祖: 溫度也不會是200多攝氏度，因為熱流和溫度是不一樣的。熱流大不一定溫度大。張興: 是的。羅小兵: 我現(xiàn)在在華中科技大學(xué)工作，原來也是過老師的學(xué)生，接觸過老師提的這個新的熱學(xué)概念后，我一直在跟蹤。現(xiàn)在我在我們學(xué)校也開了一門課，就是關(guān)于新概念熱學(xué)的課程，主要是給博士生上課，講起來非常費(fèi)力，因為自己理解得不是特別透。在上課的過程中我有一些問題，當(dāng)然我們的學(xué)生也提了很多問題，很多問題我都沒有辦法回答。我們這里引進(jìn)了很多的概念，像熱質(zhì)是最基本的一個概念以及其他非常多的概念。很多基本概念都是用現(xiàn)在大家學(xué)的一些普通的公式來描述的，都是用基本的一些量級來描述的。在這個切換的過程中，大家都弄不太清楚，包括我自己也比較難理解?，F(xiàn)在熱質(zhì)的一些概念描述，都是根據(jù)傳統(tǒng)的一些流體力學(xué)的體系等概念建立的，這個就存在很多的問題，背后的物理機(jī)制是什么，大家都不是特別清楚，不知道怎么解釋這個問題。用傳統(tǒng)的學(xué)科概念描述，提出一些新的概念，其物理基礎(chǔ)在哪里?這是一個問題。第二個就是[火積]，我自己也有很多的應(yīng)用，因為我現(xiàn)在做電子封裝的一些東西，這里面[火積]應(yīng)用的也很多，目前來看還是很成功的。我自己設(shè)計的一些燈具都是用我們的這些概念來做的，我們自己做了很多的樣品，最后用地的概念描述，散熱是最好的，跟最小的熱阻原理是等同的。這個概念在LED燈具行業(yè)里用得很多，大家也比較認(rèn)可，實際上就是用[火積]的概念來做的事情。從目前來看，在導(dǎo)熱里面我用的是沒有什么問題的，但是對流中的應(yīng)用我也不好評判。我們今天講了這么多的熱質(zhì)的概念，怎么統(tǒng)一起來也是一個問題。我自己理解，原來我們提的很多東西都可以用傳統(tǒng)的東西來解釋，今天提的普適導(dǎo)熱定律，包括[火積]、熱質(zhì)等這些東西能不能統(tǒng)一起來或者是通過我們熱質(zhì)的基本的概念推過來，有沒有可能，使現(xiàn)在各種概念變得協(xié)調(diào)一點?劉林華: 我覺得普適導(dǎo)熱定律可以從微觀上來考慮，氣體導(dǎo)熱也好，固體導(dǎo)熱也好，都是幾種微觀的載體，因為載體的運(yùn)動肯定是有限的，所以導(dǎo)致了傅里葉導(dǎo)熱的效應(yīng)。傅里葉導(dǎo)熱定律嚴(yán)格意義上來講是不完全正確的。剛才說要證明熱質(zhì)的存在，我有一個設(shè)想，我們能不能從描述量子的運(yùn)動這個方式出發(fā)，通過基本理論就導(dǎo)出普適導(dǎo)熱方程，如果可以導(dǎo)得出來就不用做實驗了。假定我們的這個基本理論是正確的，這個很難做，因為對實驗精度的要求非常高，很可能做出來也沒有人相信。我有一點建議，在普適導(dǎo)熱當(dāng)中有一些載流子存在，有電子、聲子，電子的速度和聲子的速度是完全不一樣的。對不同的材料，電子或者是聲子究竟哪個作用大? 影響計算精度？所以我覺得如果要把普適定律推廣，應(yīng)該是對不同的載流子進(jìn)行分析。在反應(yīng)堆里面有一個多群模擬，根據(jù)一個個群來做，最后再疊加起來，也許能夠更準(zhǔn)確一些。廖強(qiáng): 我建議做納米膜的實驗，準(zhǔn)備在穩(wěn)態(tài)的情況下進(jìn)行實驗。在穩(wěn)態(tài)的過程中就要構(gòu)成一個傳熱的過程，高熱流、小尺度。這個傳熱過程受很多因素的影響，包括外界流體溫度的變化。連接截面的效應(yīng)影響是多大，怎樣能夠從里面扣除掉，從而最終得到別人認(rèn)可的慣性作用的影響? 難度會非常大。我覺得劉教授提的建議非常好，從理論上面做一些工作，應(yīng)該是一個好的方向。
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        【發(fā)言14】過增元：關(guān)于熱學(xué)新理論的夢想
         請允許我來講講我的夢想，什么叫做夢想呢? 那就是不一定能成真，因為根據(jù)沙龍的精神，所以我敢講一點我的夢想。我的夢想就是，熱學(xué)新理論應(yīng)該具有三個特征。第一，熱量的質(zhì)量特性，這是最最主要的，剛才已經(jīng)講了很多了，怎么樣證明，怎么樣嚴(yán)格地推導(dǎo)，路還很長很長。以前Caloric理論認(rèn)為熱量是沒有重量的物質(zhì)或者是沒有重量的流體。經(jīng)過了一個多世紀(jì)以后，熱動說建立了，認(rèn)為熱量是能量。今天，我們不是說能量不對，熱量是能量，但是熱量也是可以看作是具有質(zhì)量的可壓縮的流體，統(tǒng)稱為熱子氣。它可以在氣體、固體、金屬當(dāng)中存在。
        現(xiàn)在如果說他有質(zhì)量特性的話，我們是不是可以問，以前為什么沒有認(rèn)識到呢? 因為熱量有二象性，所以有困惑，有矛盾，就像認(rèn)識光具有二象性以前，是有很多爭議的。所謂的二象性不是說熱量既是能量又是質(zhì)量，而是指在不同的條件下表現(xiàn)為不同的特性，即只有當(dāng)熱量和其他能量轉(zhuǎn)換的時候，熱量才具有能量特性，如果是討論傳熱在介質(zhì)中熱質(zhì)運(yùn)動時，熱量具有質(zhì)量的特性，這就是熱量的能質(zhì)二象性。
        第二個特征，有了質(zhì)量概念之后，如果把熱量看作是質(zhì)量，那么它在一個場里面有自己的能量，叫熱質(zhì)能，這是一種新的能量形式，就是熱量或者是熱質(zhì)的能量，這個是演繹法。以前用電熱比擬引出的[火積]（熱質(zhì)能）屬于歸納法，現(xiàn)在我們可以用演繹法得到這個物理量。[火積]和熱質(zhì)能量是一碼事。熱能和熱質(zhì)能不是一碼事，是不同形式的能量。另外，熱質(zhì)能是非常非常小的，但是，它是一個真實的能量。我們已推導(dǎo)出了它的表達(dá)式，其中溫度作為一個勢，這個量的量綱是單位質(zhì)量的能量，這個就是勢的概念，跟重力勢是一樣的。所以[火積]的本質(zhì)就是熱質(zhì)能。
        在傳遞過程中，熱質(zhì)能是要耗散的，耗散的熱質(zhì)能變成了什么? 現(xiàn)在如果我們承認(rèn)能量守恒是對的話，那么被耗散的熱質(zhì)能就成了另一種新的能量形式，我稱之為暗能量，這是一種猜想，允許我猜想，允許我做夢。是不是就是宇宙中間的暗能量呢? 大家知道，物理學(xué)家研究的暗能量是一個前沿的領(lǐng)域，因為整個宇宙里面70%以上是暗能量。當(dāng)然，這個猜想是完全從熱的角度提出來的，拿到物理學(xué)界去人家不會認(rèn)可，他們的主流認(rèn)為，應(yīng)該用粒子物理來考慮。
        熵產(chǎn)怎么出來的? 五年以前開工程熱物理年會，曾丹岑教授提出，熵產(chǎn)就是無中生有，而我們現(xiàn)在的熱質(zhì)能的耗散，可以叫不知去向，一個是不知道從哪兒來的，一個不知道去到那兒了，我的猜想是，把它變?yōu)橐环N暗能量，這是第二個特征。
        第三個特征是熱質(zhì)動力學(xué)。熱學(xué)的老祖宗傅里葉有這么一段話，“無論力學(xué)理論的研究范圍如何，它都不能應(yīng)用于熱效應(yīng)，這些熱效能應(yīng)構(gòu)成一個特殊的現(xiàn)象類，他們不能用運(yùn)動和平衡的原理來解釋，不可能與動力學(xué)的理論有關(guān)，它有它的本身特有的原理”。允許我對我們的權(quán)威提一點不同的意見，當(dāng)然更希望大家對我的觀點質(zhì)疑和批判。
        有了熱質(zhì)的概念以后，我們看到，熱量傳遞是可以用牛頓力學(xué)來描述的，能夠用運(yùn)動和平衡的原理進(jìn)行分析，實際上，可用流體動力學(xué)的方法來討論、描述熱現(xiàn)象，所以我們是不是可以把它稱為熱質(zhì)動力學(xué)? 大家想一想，原來的熱力學(xué)原理最多只是熱靜力學(xué)，后來發(fā)展成了不可逆過程的熱力學(xué)，其中有廣義力，沒有流動的概念，而且沒有速度、加速度。那么，我們現(xiàn)在有了，所以建議，有了熱質(zhì)概念以后，就有可能形成一個熱質(zhì)的動力學(xué)。
        熱質(zhì)的動力學(xué)的主要內(nèi)容，一是引入了系列的新的物理量，熱質(zhì)、熱質(zhì)力、熱質(zhì)速度、熱質(zhì)動量、熱質(zhì)能; 二是發(fā)現(xiàn)了新的定律和原理，普適導(dǎo)熱定律、場協(xié)同原理還有[火積]耗散極值原理。三是發(fā)展了新的分析方法。我為什么提這個呢?現(xiàn)在有了一個質(zhì)量的概念，有了質(zhì)量概念以后就有熱質(zhì)能的概念，有了熱質(zhì)能的概念能帶來什么好處呢? 如果其他學(xué)科中沒有能量的概念會發(fā)生什么情況呢?我們就發(fā)現(xiàn)如果力學(xué)里面沒有能量，那在我們的理論力學(xué)里面的東西就沒有了。所以我現(xiàn)在反過來說，我們有了熱質(zhì)能的概念就可以像理論力學(xué)一樣可以搞一個拉格朗日方程，可以用哈密爾頓原理進(jìn)行傳熱學(xué)分析，這是一個新的分析方法。
        新的理論將可以用于超常條件下的熱分析和熱設(shè)計，熱設(shè)備和熱系統(tǒng)的節(jié)能理論技術(shù)，納米機(jī)電系統(tǒng)的熱驅(qū)動。所以，我只能說是一個希望，希望夢想能夠成真。
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        【發(fā)言15】江億：建筑節(jié)能中的[火用]分析和[火積]分析
         我特別高興有一個機(jī)會與各位傳熱的學(xué)者、前輩交流。我是建筑學(xué)院的，一看就是行路不對，在那里面我是工程師，面對諸位科學(xué)家只能從工程的角度談一點看法，請大家給我們做一些點撥?，F(xiàn)在都說建筑節(jié)能，建筑節(jié)能最主要的事是營造一個建筑物的熱濕環(huán)境，把屋子里弄得舒服。這樣一個過程怎么認(rèn)識呢? 以前說了屋子里冬天要送熱量，夏天要送冷量，光說熱量和冷量，實際上把溫度的品位這件事給丟了。說這個房子，里面有源，產(chǎn)熱和產(chǎn)濕是必然的，因為人在里面，人發(fā)熱還產(chǎn)濕，整個的任務(wù)是在要求的房間溫度跟絕對含濕量等參數(shù)下把這些東西排出去，不管冬天還是夏天，主要的任務(wù)就是把產(chǎn)生的熱量和濕排到某一個地方去。
        圖1：房間與環(huán)境的熱濕傳遞通道
        這里有兩個通道(見圖1)，一個是圍護(hù)結(jié)構(gòu)，傳熱、傳濕，但是這是一個被動的通道，就是它能傳多少熱量和濕不是由你決定的，而是由里外溫差決定的。這個數(shù)跟Q不一致，所以還需要有一個機(jī)械系統(tǒng)。所以說，這是一個被動系統(tǒng)，需要主動系統(tǒng)把剩余的熱量傳走。當(dāng)被動通道傳熱量太大時(例如冬季)，主動通道就需要向室內(nèi)補(bǔ)充熱量(這時剩余熱量為負(fù)值)。我們換一個角度看建筑物里面的加熱、空調(diào)(供冷)，就是這么一個模型。
        這個主動系統(tǒng)要解決幾個問題: 首先，往哪兒傳? 這個匯可以是具有室外溫度的室外空氣，可以是地底下，熱泵就是把熱量排到地底下，甚至是地表或地下水里。所有這些東西都可以成為匯，也可以成為源 (當(dāng)主動系統(tǒng)需要排除的熱量為負(fù)值時)。主動系統(tǒng)是什么呢? 主動系統(tǒng)是以匯和屋子里面溫差或者是d差 （空氣含水量差）作為驅(qū)動力，在溫差和勢差的狀態(tài)下把熱量排出去。簡單一點，如果自然通風(fēng)，這個排熱量就等于風(fēng)量乘以溫差。整個的過程可以包括兩個換熱過程和三個循環(huán)。三個循環(huán)有兩個空氣循環(huán)，一個水循環(huán)，這是整個的串聯(lián)起來的過程，把Q在這個驅(qū)動力下傳出去了，風(fēng)側(cè)帶的熱量，先循環(huán)，再換熱，水側(cè)循環(huán)，室外有一個風(fēng)水換熱，一個熱量經(jīng)過三個循環(huán)，兩個換熱，就能導(dǎo)出去。
        這些過程每一個都要有一個驅(qū)動力，驅(qū)動力不夠了，太小了，或者這個驅(qū)動力是反著的怎么辦? 可以在整個過程里面再串一個熱泵，這個熱泵把消耗功轉(zhuǎn)化成一個△T，這個熱泵的過程就是溫差不夠了再補(bǔ)一個溫差，加上原來的溫差，一同克服三個循環(huán)和兩個換熱需要的溫差。我們覺得是這樣的一個模型。這是以溫度為動力傳熱的。如果是濕，則沒有辦法用水循環(huán)，可以通過風(fēng)循環(huán)，用水蒸氣的分壓力差乘以風(fēng)量可以把水分傳出去。
        大多數(shù)的情況下是把傳濕轉(zhuǎn)化為傳熱。換熱器表面溫度低，空氣經(jīng)過降溫，溫度低于露點，凝下水來了。凝結(jié)過程是什么呢? 實際上是通過溫差改變了濕的驅(qū)動力，把水凝下來了。所以溫差是一個驅(qū)動力，通過冷凝轉(zhuǎn)化成了△d了，溫度變化就能轉(zhuǎn)化成水蒸氣分壓力的驅(qū)動力。
        我放一個冷卻塔通過蒸發(fā)冷卻，實際上是利用水和干空氣之間有一個濕差，要蒸發(fā)，蒸發(fā)過程會降溫，把這個濕差轉(zhuǎn)化成一個溫差，使得溫度降低了，所以，蒸發(fā)過程、冷凝過程是一個傳質(zhì)跟傳熱之間的轉(zhuǎn)換過程，是把△T轉(zhuǎn)化成△d的過程，或者是把△d轉(zhuǎn)化成△T的過程。我這里說的△d是我們這一行用的詞，就是空氣里的含水量，或者說是水蒸氣的分壓力差。
        這樣就等于從一個新的視角看營造建筑物熱濕環(huán)境的過程，整個就變成一個搬運(yùn)過程，搬熱量和水，而且如果不考慮互相轉(zhuǎn)換，是兩個獨立的過程。我們先只考慮一個，比如說只看熱的過程，待會兒再考慮濕的事，有一個被動通道，有一個主動的通道，通過一轉(zhuǎn)換再加上熱泵提供的溫差，把熱量搬出去，就是這么一個過程。
        這樣一來，這個基本問題就變成這樣的了: 對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)來說，外面空氣一年四季在變化，有時候是好事，有時候是壞事，幫助傳熱，傳太多也不行，反著也不行，所以，怎么使得被動的通道能多做好事，少做壞事呢？有可能的話要改變本身的特性。傳熱系數(shù)有時大，有時小，我們叫智能圍護(hù)結(jié)構(gòu)，要是能自己學(xué)習(xí)，根據(jù)要求變化，這個事也解決了，但是這個事做不到。什么時候該加保溫，什么時候不加保溫，我們一天到晚很多人在爭論，實際上就是這么個事，這是被動式通道。
        主動的通道更復(fù)雜一點，包括到底該選擇哪點當(dāng)你的源匯，不一定是室外溫度，太陽能也是一種源匯，水里頭，空氣里頭，包括現(xiàn)在嚷嚷的水源熱泵、土壤源熱泵等，都是選擇不同的源匯，不是能量，只是往空氣里排，還是往地底下排，只要往另外一個溫度那兒排，溫差大一點，得到的驅(qū)動力就大一點。從而獲得最大的驅(qū)動溫差和驅(qū)動濕差。因為有這個大的，我就可以不用熱泵了，如果是小的溫差或者是反著的溫差還得使用熱泵。主動式系統(tǒng)的問題就是怎么優(yōu)化主動系統(tǒng)。不光是優(yōu)化參數(shù)，還包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)。優(yōu)化參數(shù)我們一算可以算出來，優(yōu)化結(jié)構(gòu)就麻煩了，可以有不同的組合方式，這里面有好多好多的問題，通過這個優(yōu)化可以節(jié)省熱泵的功，節(jié)省水泵的功，可以省投資，省能源，就變成這樣一個問題了，我們不在這兒進(jìn)一步討論這個了。
        我今天想請教三個問題。第一個就是剛才的熱學(xué)模型。用這么一種模型這樣換一個角度看這個問題是否合適? 如果這么看，就變成了一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，這個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化該怎么做? 包括這些熱力學(xué)參數(shù)，焓、[火用]、[火積]?，F(xiàn)在這行里出現(xiàn)了大量的偽節(jié)能技術(shù)，實際上都是在這兒攪和。應(yīng)該有火眼金睛一看就看出來這個不可能對，就是從理論上說這個不可能對，那個可能對，可是現(xiàn)在大量不可能的東西在那兒攪和，這就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的事。這涉及熱和濕，一個傳熱，另一個傳質(zhì); 一個是溫差驅(qū)動，另一個是濕差驅(qū)動，兩者互相轉(zhuǎn)換。
        房間里有一個風(fēng)水換熱器，一個風(fēng)機(jī)，兩個換熱器間有一個水泵使水循環(huán)，實現(xiàn)熱量搬運(yùn)。這是最簡單的系統(tǒng)。剛才我說了三個循環(huán)兩個換熱器，這個溫差可以寫出來。要是這三個風(fēng)量、水量相等，若熱容量相等，叫做匹配。匹配的最大好處是有可能使這些換熱器都成為逆流的，使溫度匹配。要是一個不匹配，就會出現(xiàn)溫差的三角形，我們發(fā)現(xiàn)只要是溫差三角形，換熱面積就浪費(fèi)了，并且還增加了溫差的消耗?？墒怯捎谶@邊是屋子，屋子里是一個溫度，這兩個溫度有溫差，這本身就不匹配，所以不匹配是本質(zhì)的、絕對的。要是不匹配的話，就會增加一些溫差T0－Ts，這是總的驅(qū)動力。這個驅(qū)動力干什么的呢? 吃兩個傳熱溫差，若是匹配，吃一個循環(huán)的溫差，若要是不匹配，還得多吃幾個循環(huán)溫差?；蛘哒f不匹配就需要克服五個溫差，包括兩個傳熱溫差，三個循環(huán)溫差，簡單點也可以這么看。
        要想減少傳熱溫差就得加大面積，得多花錢。循環(huán)溫差要是減少點，就得加大流量，要投人更多的功。不光是熱泵把功轉(zhuǎn)化成溫差，水泵的功能也是減少溫差的消耗。熱泵通過做功增加一個溫差，水泵通過做功減少一些溫差消耗。
        這個水泵消耗的溫差跟做的功呈反比，大概是開平方的關(guān)系。風(fēng)機(jī)水泵功做的越多，消耗的溫差越小，這是消耗的。傳熱面積和換熱溫差的面積呈反比。這樣一來，輸送就跟傳熱差不多，增大風(fēng)機(jī)水泵的功，減少循環(huán)系統(tǒng)的溫差，就和加大面積有同一效果。整個溫差被消耗到了三個或者是五個或者是多少個，不匹配的時候還要多，匹配的時候至少三個。
        剛才說的匹配是流量相等，實際上復(fù)雜系統(tǒng)里面不光是流量相等的問題，不同的工藝流程都有匹配的問題，而且不匹配是絕對的。不是簡單的匹配與不匹配，而是有好壞程度變化，是連續(xù)變化的，這時候應(yīng)該有一個刻畫不匹配程度的參數(shù)，一看你的流程，也就是結(jié)構(gòu)形式，再怎么調(diào)參數(shù)也不能改變內(nèi)部的不匹配的本質(zhì)，但是到底有多不匹配，有多不好，應(yīng)有一個定量的描述。
        還有一個是怎么分配各個溫差，有3個溫差或是5個溫差，你怎么合理地分配，使得面積最小，功耗最小? 這都是乘以系數(shù)，怎么優(yōu)化這幾個溫差? 現(xiàn)在就只有10K，我怎么分配給各家各戶用，使得整體最優(yōu)? 如果你沒有分配合適，可能還要加一個熱泵，還要投人動力，這就不合適了。所以說驅(qū)動力不夠的時候要拿熱泵提供驅(qū)動力，熱泵就是把功轉(zhuǎn)化成溫差相比，稍微一推導(dǎo)，這個增加的驅(qū)動力相當(dāng)于一個系數(shù)乘以功除以Q，這個時候跟在那個溫度點下進(jìn)行“功-溫差”的轉(zhuǎn)化有關(guān)系，溫度越高，同樣的功可以產(chǎn)生的溫差越大。同樣的熱量，在高溫下產(chǎn)生10K溫差和在低溫下產(chǎn)生10K溫差相比，高溫容易，低溫費(fèi)勁，低溫下需要投人更大的功。如果說溫差是[火積]的話，功怎么轉(zhuǎn)化成[火積]，這是一個熱功轉(zhuǎn)化的過程。剛才是溫差驅(qū)動整個的熱量搬運(yùn)過程。這件事在什么溫度上無所謂，你是高溫還是低溫，與溫標(biāo)的絕對值沒有關(guān)系。而在哪兒把功轉(zhuǎn)換成溫差，就和所處的溫度點有關(guān)了。并且，不光是W轉(zhuǎn)化成△T，后面的熱量傳遞過程中還增加出一個熱量來，就是當(dāng)時投人的功。你必須同時把這部分功轉(zhuǎn)換成的熱量也一起搬走。本來我想把一個熱量從這兒搬到那兒，中間某一個地方擺一個熱泵，過了熱泵以后你要傳1.2份熱量（如果消耗的功為原來搬運(yùn)的熱量的20%的話），為了做功，所以不光是給了一個△T好處，還有一個負(fù)擔(dān)。像郵局本來寄送一件物品，結(jié)果到了那又增加了一個包裝箱，后面的搬運(yùn)工作就增加了這個包裝箱。同時要注意，“功-溫差”的轉(zhuǎn)換效率跟所處的溫度有關(guān)。
        這樣一來，動力設(shè)備也就有了一個統(tǒng)一，我這里沒有把1/2次方寫上，但是水泵風(fēng)機(jī)的投人是消耗溫差，投人的功越大，消耗的溫差越小，對溫差的貢獻(xiàn)是負(fù)的，是倒數(shù)的關(guān)系。熱泵是投人功轉(zhuǎn)換為溫差，越大越好。這兩個可以直接加減，一個通過增加功的投入減少了溫差的消耗，功的投人與消耗的溫差呈-1/2次方的關(guān)系，另一個投人功增加了作為驅(qū)動力的溫差，投人的功與增加的溫差呈正比。這樣一來，就出現(xiàn)了優(yōu)化的問題，就是說風(fēng)機(jī)水泵應(yīng)該消耗多少。風(fēng)機(jī)水泵做功與減少的溫差的關(guān)系是一個曲線，熱泵做功與提供的溫差是直線，都是遞增的。一個是曲線，一個是直線，有的地方好，有的地方不好，什么地方該用熱泵，什么時候用風(fēng)機(jī)水泵，這就存在優(yōu)化的問題。
        熱泵該擱在什么地方? 如果溫差從這兒到這兒，這個中間有好多換熱環(huán)節(jié)，總的驅(qū)動力ΔT不夠，要放一個熱泵，那么熱泵該擺在哪? 往上擺，下面的過程傳熱量得多出一塊，等于早早地進(jìn)郵局去了，你后面都得帶著包裝箱子搬東西，后面?zhèn)鳠崦娣e的消耗的溫差就大了，同樣ΔT就多了。
        比如說高溫時效率高，低溫時效率低，效率低好像不好，同樣的功轉(zhuǎn)化成的△T少，可是上面負(fù)荷輕，等于是人扛著，沒有包裝箱，所以還減少了熱泵之前這段過程的負(fù)荷。這樣，熱泵應(yīng)在一個合適的地方?？墒沁@件事按說是一個沒有參考溫度的過程，原來說煙是相對量，就這個的優(yōu)化解（比如說放在哪兒）跟絕對溫度有關(guān)，怎么會有絕對溫度呢? 跟外界不連著，它沒有跟任何一點連著，你把哪一點當(dāng)參考點呢? 就是因為這兒有一個絕對溫度要乘一下， T乘W才等于△T。這里產(chǎn)生了一個問題，當(dāng)不存在“功-溫差”轉(zhuǎn)換過程時，整個傳遞過程只和作為驅(qū)動力的溫差有關(guān)，與溫度的絕對值無關(guān); 但在功轉(zhuǎn)換為溫差這一環(huán)節(jié)上，其轉(zhuǎn)換效率卻與所處的溫度絕對值有關(guān)。
        我再舉一個例子來說明它們之間的互相轉(zhuǎn)換。比如說我要讓藍(lán)色的流體往黃的流體那兒傳熱。如果是需要反著傳熱，或者是面積不夠，溫差太小的時候，要擺一堆熱泵。還有一個什么辦法呢? 可以把這個錯一個位，這一段就反了，就可以直接傳熱了，剩下那兩頭讓熱泵干多一點活，這樣可以得到什么呢?  ΔT、Q互相之間就可以直接加和乘，可以使溫差大一點，但熱量少一些，這邊變大了，余下來的給熱泵;或者是熱泵多吃一點，產(chǎn)生的溫差給直接傳熱部分用，相對這個圖平行地移得遠(yuǎn)一點，等于是熱泵量少一點，溫差大一點，或者是熱泵量大一點，溫差小一點，都是一樣的，都是功。跟剛才的熱學(xué)模型比，這里說的驅(qū)動力就是過先生所說的[火積]。是不是能把這個熱泵理解成把功轉(zhuǎn)化成[火積]? 水泵風(fēng)機(jī)循環(huán)還有換熱器過程是不是就損失[火積]了? 整個的系統(tǒng)優(yōu)化就是減少對熱泵功的需求，減少風(fēng)機(jī)、水泵的做功，用比較少的換熱面積。
        不知道怎么做結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但是如果能知道損失，每一環(huán)節(jié)可花錢把面積加大一點，以少損失一點[火積]，花錢弄一個大點的水泵，少損失一點[火積]，花錢弄一個熱泵投人功，增加一些[火積]，局部的獲得和損失很清楚，這樣就不用整體優(yōu)化了，仔細(xì)研究這個系統(tǒng)就清楚多了，甚至可以一眼看出來這個必然浪費(fèi)，那個可能是好，這樣再做參數(shù)優(yōu)化就好多了，至少在實用上可以這樣。
        [火積]是不是唯一的一個衡量指標(biāo)? 整個過程有好多個環(huán)節(jié)，我在這兒干了一點什么事，減少了[火積]的損失，跟在另外一個地方干了什么事，減少了[火積]的損失，這兩個是否等效? 如果等效，可以拿它做一個指示劑，這里通過增加1m2換熱面積減少了一個[火積]的損失，那里通過投人1kw，增加了一個[火積]。這就可以折算了。對于優(yōu)化了的系統(tǒng)，就是在任何一個環(huán)節(jié)上再加一點，例如加1 m2，加一塊錢，獲得的[火積]損失的減少都一樣，這時候系統(tǒng)勻了，泵也合適了。如果在某個環(huán)節(jié)做一點改進(jìn)，產(chǎn)生的效果不一樣，就應(yīng)該在這個環(huán)節(jié)去改進(jìn)。這可能是最好的優(yōu)化過程。
        因為諸位是搞傳熱的，看看我們實際的傳輸過程到底是什么樣的，典型的系統(tǒng)是從熱電廠來的集中供熱（見圖1），這個一次管網(wǎng)在北京的長度有1000 km，這個是換熱器，這個設(shè)在清華門口，這個是在高碑店，這兒的溫度，50℃、60℃，這兒的溫度130℃。為了這么一千千米管道，我這個就得大溫差，小流量，溫差越大越好，流量越小越好。對于供水、回水之間的溫差，在電廠側(cè)和熱力站側(cè)的換熱過程都存在巨大的溫差三角形，兩頭都不對。電廠熱源溫度是蒸汽冷凝，因此是恒溫?zé)嵩矗瑩Q熱的另一側(cè)是70℃進(jìn)人，130℃流出，一端的溫差是10K，另一端的溫差是70K。這就是典型的為了照顧輸送，兩邊都不匹配的例子。把流量加大點，兩邊換熱會舒服一點，但中間的成本最大，中間環(huán)節(jié)是上千千瓦的大循環(huán)水泵。所以說，循環(huán)動力跟溫差換熱就矛盾了。
        圖1：集中供熱管網(wǎng)示意圖
        比如說結(jié)構(gòu)是這樣的，這兒是一個電廠，這是我剛才說的上千公里的管道，因為是密密麻麻的蜘蛛網(wǎng)，各個尾巴上都是換熱站。現(xiàn)在的一個重要革新是使換熱器的一側(cè)溫度從原來的130℃-70℃變?yōu)?30℃-20℃，而另一側(cè)溫度不變，仍然是40℃進(jìn)人，55℃流出。這就進(jìn)一步增大了管網(wǎng)的輸送能力，或者說減少了循環(huán)水泵電耗。怎么能實現(xiàn)這樣的參數(shù)，使得反向傳熱呢? 具體的流程見這張圖（見圖2）。這個就不是[火積]的事了，而是以溫差為動力，是[火用]，將其轉(zhuǎn)化為功，再用功去制冷。實際上就是一個吸收式制冷機(jī)，用130℃的三角去做功，去進(jìn)一步加大溫差，就能把這根線給降下來了。怎么實現(xiàn)呢? 見圖中流程。用130℃的水驅(qū)動吸收式制冷機(jī)制冷，以冷卻自己的回水。這樣，整個機(jī)組從外面看等效是一個換熱器，也不需要任何外界的電力輸人。換熱器兩側(cè)水流量的比例是1:7.3，流量特別不匹配，但是也沒有用別的動力，就是靠溫差就把這個問題解決了。這是個實際的設(shè)備和系統(tǒng)，機(jī)器已經(jīng)在實際系統(tǒng)中運(yùn)行了好幾年了。
        圖2：吸收式換熱器示意圖
        我現(xiàn)在學(xué)過先生的東西就出現(xiàn)問題了，把大溫差給用了，所以利用這個東西，利用這個三角形在那兒做功，有極限，并且每個環(huán)節(jié)又有[火積]損失什么的。所以，目標(biāo)是盡可能用好驅(qū)動力。要對不匹配的程度定量化，怎么使各環(huán)節(jié)損失均勻，每個環(huán)節(jié)的改進(jìn)是否等效，怎么分配面積，等等，就是要解決這些問題。
        還有大量的環(huán)節(jié)都是傳質(zhì)跟傳熱互相之間的轉(zhuǎn)化。比如說新風(fēng)除濕是通過很大的溫差，把空氣冷下來，使空氣中的水蒸氣凝結(jié)。此時冷卻的最后目的是為了凝水，為了除濕，產(chǎn)生d差或水蒸氣分壓力差。而蒸發(fā)冷卻則是利用d差，即利用水蒸氣分壓力差，通過蒸發(fā)使溫度降低，產(chǎn)生了溫差。這方面的問題太多了，我們總想搞到一個統(tǒng)一參數(shù)來統(tǒng)一刻畫溫度和濕度。但討論來討論去，大伙兒的一致意見是這是兩個過程，傳遞熱量是傳遞熱量，傳遞水是傳遞水，不要把這兩者攪和到一起兒。當(dāng)兩者互相影響的時候，看你要干什么，站在傳熱的角度來看是犧牲了△d，濕度變成熱泵了，產(chǎn)生了驅(qū)動力。有時候是為了傳水，犧牲了一個溫度△T，產(chǎn)生了△d，幫助那邊傳濕，這個過程就是熱功轉(zhuǎn)換的過程，所以說這是熱功轉(zhuǎn)換的事，不是傳遞過程。熱量傳熱量，濕傳濕，是兩個獨立的過程，中間有好多的環(huán)節(jié)。熱濕是可以互相轉(zhuǎn)化的，但不存在統(tǒng)一的參數(shù)。
        我們這個系統(tǒng)里至少包括三個平衡，都得考慮。有熱平衡是說焓，有[火用]平衡是說做功，還有[火積]平衡，是說傳遞能力。各件事不能互相替代，各說各的，各有各的目的。焓損失是保溫不良造成的漏熱，做功的時候有不可逆損失，所以說是熱功轉(zhuǎn)化過程，這個導(dǎo)致傳熱、傳質(zhì)的驅(qū)動力的轉(zhuǎn)化，包括熱泵產(chǎn)生△T，里頭也有一個[火用]平衡，是從功的角度。兩股不同溫度的流體混合，加起來丟了東西了，熱量沒有丟，但做功能力減少了。
        [火積]平衡是說傳遞能力，從高到低的輸送能力需要平衡，剛才說的總驅(qū)動力△T，也有損失，有效率的問題。它倆好像都在談不可逆性，其區(qū)別是刻度不一樣，在考慮做功時，跟絕對溫度有關(guān)，而在考慮傳熱驅(qū)動力時，跟絕對溫度沒有關(guān)，是相對量。這兩個的坐標(biāo)軸刻度不一樣，兩個坐標(biāo)軸說的是不一樣的事，到了極限值都是一樣的。這個過程中一個跟溫度的絕對值沒關(guān)，一個跟溫度的絕對值有關(guān)，這是這二者的區(qū)別; 共同的地方是不可逆損失，好像都在談不可逆損失，一可逆了又都一樣了。擁對應(yīng)做功能力，溫度不一樣，損失不同，同樣的溫度下溫度越低，損失越大，溫度越低越值錢。[火積]對應(yīng)傳遞能力，跟溫度沒有關(guān)系，在哪個溫度下都行，用什么溫標(biāo)都一樣。
        【討論】姜培學(xué): 我接觸過過老師提出的[火積]的概念，過老師的博士生答辯我參加了，所以也是很早就接觸了。通過這一天的交流我覺得學(xué)到了很多。我想問一下江老師，剛才您說的你平衡的事，我個人覺得[火積]是一個物理量，不是一個守恒量，你說[火積]平衡與溫度絕對值無關(guān)。根據(jù)[火積]的定義來說，這個怎么會跟絕對值無關(guān)呢? 我認(rèn)為跟絕對溫度是有關(guān)的。另外，我是覺得[火積]的概念本身不是一個守恒量。昨天新剛講[火積]的時候提到[火積]的變化，我覺得[火積]在從高溫向低溫的變化過程中肯定有變化， 所以我想講[火積]的耗散也好，講[火積]的最小變化原理也好，因為[火積]本身不是一個守恒量，所以不可能是說從高溫到低溫的守恒。有沒有可能叫[火積]的最小變化原理? 因為是追求從高溫到低溫的變化。江億: 我們講的是[火積]的變化。講的是溫差。姜培學(xué): 我是覺得從[火積]來說，并不一定存在什么耗散，叫最小變化也許合理一些。第二，說到傳熱效率，昨天跟新剛也交流過，一般來講，我們理解的傳熱效率是指熱流體放出了5000W，冷流體吸收了5000w。我覺得昨天新剛講[火積]效率的事情，有沒有可能叫[火積]的變化率，如果講傳熱效率的話，可能用[火積]效率應(yīng)該更好。江億: 我說實在的，咱們沒有特別深入地理解[火積]這方面的問題。我今天講的是溫差，只要有一個參照點，溫度越高，傳遞能力越強(qiáng)，所以是一個驅(qū)動力的概念。跟溫度絕對值沒有關(guān)系，跟功之間可以相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的過程中就會有關(guān)，除了轉(zhuǎn)換之外都無關(guān)。姜培學(xué): 因為[火積]還是和溫度的平方是有關(guān)系的。陳則韶: 今天聽了江億院士的報告，把我昨天的問題解答得非常好。昨天我就提出來，如果增加流數(shù)，可以減少溫差，今天已經(jīng)知道把功給轉(zhuǎn)化為一種溫度的表示，這樣就可以歸納到[火積]的溫度乘以熱量的討論范疇里面來，這是非常好的，也是我2010年本來要申請的一個基金的題目。你剛才討論的問題解答得非常清楚，今后能不能把這兩個問題歸攏到這個[火積]? 因為[火積]僅是跟溫度和熱量有關(guān)系，跟功又是另一個層次的問題，通過轉(zhuǎn)化我們來比較地的統(tǒng)一原理，當(dāng)然這個還沒有開展研究，我們要進(jìn)一步的往這方面走，非常好。過增元: 我也說兩句，我非常同意江老師的發(fā)言，江老師可以從工程中提出一些熱學(xué)的基本問題，而且這些問題我們很難回答。剛才劉老師發(fā)言，又是重新強(qiáng)調(diào)了一下江老師的歸納。并不是說我們一定要用[火積]，現(xiàn)在江老師的意思是說不同的問題有的要用[火積]，有的要用[火用]，有的要用熱功轉(zhuǎn)換等等。這里面就提出了問題，所以剛才江老師要問我，我現(xiàn)在回答不了，回去以后我慢慢再消化。江老師講到了[火積]，我的認(rèn)識是這樣的。咱們現(xiàn)在看熵，熵變跟熵產(chǎn)不是一個概念，熵變化并不等于你加進(jìn)去熱量就變化，熵變跟熵產(chǎn)是不一樣的。熵產(chǎn)體現(xiàn)了不可逆性。因此，[火積]的變化和[火積]的耗散也不是一個概念。為什么呢? 和熵一樣，這個耗散是不可度量的，因此昨天何老師講的很時，[火積]本身是有條件的狀態(tài)，所以是跟環(huán)境或者相對值有關(guān)的。但是[火積]耗散跟環(huán)境沒有關(guān)系，熵產(chǎn)是跟環(huán)境有關(guān)系的，這[火積]耗散是跟環(huán)境溫度無關(guān)的。[火積]本身是跟環(huán)境有關(guān)系的，而[火積]的耗散跟環(huán)境溫度是沒有關(guān)系，就是溫度梯度的平方。羅二倉: 今天聽到各位老師的發(fā)言我受到了很多的啟發(fā)，我談?wù)勎易约旱挠^點。我覺得[火積]耗散，包括[火積]的提出和最小耗散等等。我認(rèn)為，這兩個目標(biāo)好像不一樣。因為[火積]的耗散，包括昨天提的對流傳熱，我覺得還是一個傳遞過程。傳遞過程的目標(biāo)跟熱泵轉(zhuǎn)換的目標(biāo)是不一樣的，所以我們說的傳遞過程，包括昨天提到的點熱源的降低，最后通過傳熱過程得出溫差。在熱功轉(zhuǎn)換里面，我們就沒有辦法說這里的指標(biāo)是什么，但是從傳遞里面，大家覺得固定熱源發(fā)熱的情況下，能夠把整體的溫度降下來，那就是好的。但是你從熱泵轉(zhuǎn)換上來看，不一定能夠體現(xiàn)出來。所以我覺得這兩個目標(biāo)是不一樣的。另外，[火積]這個概念，包括熵的概念是與熱量相關(guān)的。而自然界的能量有很多種，比知說聲波這種能量，不用熵的概念。所以我覺得最后理解下來，還是兩個目標(biāo)不一樣的問題。在熱功轉(zhuǎn)換里面，我覺得還是應(yīng)該用熵，或者是用[火用]效率來評價，這樣對不同的目標(biāo)會得到各自的需求。陳林根: [火積]耗散的原理跟兩個邊界條件有關(guān)，即最小值和最大值，是給定熱流量還是給定熱流邊界，這是有區(qū)別的。還有剛才講的[火積]耗散率，我們簡單的講U，有化學(xué)U，有什么U都有，但是用損失是最簡單的表達(dá)方式，不管你怎么用，最后我可以用這個方式來描述。所以[火積]也是這樣的，不管是什么[火積]，最終反映出來的傳熱能力損失是[火積]耗散率。熵流、熵變、熵產(chǎn)、熵產(chǎn)生率是不一樣的，[火積]、[火積]流、[火積]差、[火積]耗散和[火積]耗散率是不一樣的，差異在這里面可以看得到。楊曉西: 我是學(xué)化學(xué)工程的，是用擴(kuò)散系數(shù)來描述這個過程。這個系統(tǒng)是一個傳熱和傳質(zhì)都有的系統(tǒng)，或者說可以考慮多個部分，對過先生原來的描述有一些補(bǔ)充。分子也有內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，在我們的領(lǐng)域來說有質(zhì)子、電子等。[火積]的概念是不是已經(jīng)涉及到了質(zhì)量或者多組分，或者是分子里面的因素? 所以，從這個角度上來說，傳質(zhì)的Fick定律在[火積]里面是不是可以體現(xiàn)出來? 就是熱量的傳遞過程和質(zhì)量傳遞過程有關(guān)聯(lián)，怎么轉(zhuǎn)換?華澤釗: 我做一點補(bǔ)充。江老師前面講的是傳熱過程，后面是把吸收制冷技術(shù)放進(jìn)去了以后，有轉(zhuǎn)換的問題。但是，我建議過老師把這一塊也放在你的研究里面。江億: 吸收式制冷機(jī)有兩個過程，實際上是一個溫差做功的過程，功體現(xiàn)在熱泵運(yùn)行的過程，濃溶液變稀溶液是釋放功，實現(xiàn)了制冷的過程，所以可以很清晰地發(fā)現(xiàn)一個是功變熱的過程，一個是熱變功的過程。華澤釗: 機(jī)械功是一個很小值。江億: 不是機(jī)械功，是溫差變成濃度差。這個濃度差是一個功的概念，(化學(xué)能的概念) 濃度變了，所以是溫差變成了濃度差。剛才我說了，溫度變濕還是做功了，濕度變溫度也是做功，兩種不同的東西放在一起就是做功了。華澤釗: 我覺得熱能做功，功只是消耗在泵上了，忽略了泵以后就是熱量了。江億: 為什么我說不是純熱過程呢? 換熱器無論如何也不會出違反熱力學(xué)第二定律。溫度低了，為什么溫度低了? 里面有熱功轉(zhuǎn)換，功熱轉(zhuǎn)換，單純的傳遞過程不可能產(chǎn)生低的東西。華澤釗: 熱力學(xué)最關(guān)鍵的問題就是體系，這個體系取好了以后，進(jìn)來是熱，出去是熱，就可以搞好了，不管里面怎么樣。
        江億: 我可以不用吸收機(jī)。假如說上面有溫差，我用一臺熱泵，輸入功，這個泵能發(fā)電，底下拿這個電去做制冷，這個外面看來功能完全一樣，里面放了兩個熱機(jī)，可是一個發(fā)電，一個用電，所以對外也沒有輸出，自己平衡著，功能跟這個一模一樣。這時候從外面看性能一樣，里面實際上是有兩個熱機(jī)。
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        【發(fā)言16】金紅光：能勢的概念及其應(yīng)用
         一直以來，我們討論的大多主題都是傳熱學(xué)方面的，不過這次討論當(dāng)中很多都是熱力學(xué)問題，這里也就要側(cè)重于熱力學(xué)的分析。下面我先作一下相關(guān)工作的簡單介紹，然后再由陳則韶老師和劉林華老師介紹一下太陽能方面的一些新觀點。
        我的報告主要分三個部分: 第一是熱力學(xué)的發(fā)展; 第二是來自化學(xué)能的熱在能源當(dāng)中的地位; 第三，熱力學(xué)發(fā)展的新方向以及二氧化碳減排問題。
        我們知道，20世紀(jì)80年代初吳仲華教授就提出了溫度對口、梯級利用等觀點，并簡述了熱力學(xué)第二定律應(yīng)該如何利用的問題。這里我僅簡要介紹下熱力學(xué)的發(fā)展，從19世紀(jì)50年代提出熵，到20世紀(jì)50年代提出[火用]，具體地說，若1kg的水，[火用]是10，則10kg的水的[火用]是100，可以看出這里還沒有品位的概念。品位的概念不僅指耗散或[火用]損失的多少，更要討論從哪個品位降到了哪個品位。其實，品位的概念在20世紀(jì)80年代就提出了。我們知道，在熱力學(xué)中T－V圖的曲線積分面積是功，T－S圖的曲線積分面積是熱，但功和熱是不同品位的，不能等同考慮。從一個過程轉(zhuǎn)換到另一個過程的面積變化就標(biāo)示了[火用]損失，同時也表明了品位的降低，經(jīng)過了一系列的過程以后，品位變化過程也全部描述出來了。這樣就把不可逆的問題描述地更清楚了，從而大大的發(fā)展了熱力學(xué)。
        利用品位的表達(dá)方式，對燃燒過程、傳熱過程、動力過程都能表示出其損失的大小以及品位的降低。從熵、[火用]到品位，我們可以看到熱力學(xué)的發(fā)展。不過，在多種能源利用的時候我們發(fā)現(xiàn)僅用品位已經(jīng)不夠了，因此我們在討論是否要有一個能勢的概念，這個能勢是一個無量綱數(shù)。從能源動力系統(tǒng)來看，能源動力系統(tǒng)是能源的主戰(zhàn)場，從動力系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢還可以看到燃料品位其實非常高，但是我們的主要工作都做在了循環(huán)的混合以及剛才談到的低溫端的傳熱方面。不過，若在傳熱中如果幾十?dāng)z氏度就是大溫差，假設(shè)品位損失是500℃，有些地方的溫度會是2000℃，那么溫差就是上千攝氏度，這里是不可逆損失最大的地方，也是潛力所在。
        這里還同時是碳轉(zhuǎn)移過程的上游，如果我們在這里面把碳控制了，而不是到電廠尾氣才控制，碳的技術(shù)才能發(fā)展。從這一點來看，我們要注重這一領(lǐng)域。
        再者，剛才談到的是動力的致命弱點和突破口，再看一下化工。當(dāng)轉(zhuǎn)換到一定程度的時候，會出現(xiàn)拐點，轉(zhuǎn)換率會急劇上升。這里轉(zhuǎn)化率急劇上升，也是能耗急劇上升，就是說在化工里面走吃干榨盡這條路是不合適的。傳統(tǒng)化工當(dāng)中追求完全轉(zhuǎn)化，追求反流速度，這類似于傳熱當(dāng)中我們一直追求強(qiáng)化傳熱效率，卻對內(nèi)耗估計不夠。在化工當(dāng)中，橫坐標(biāo)是速度論，縱坐標(biāo)是平衡論。
        在傳熱當(dāng)中橫坐標(biāo)是強(qiáng)化傳熱，縱坐標(biāo)是平衡。它們之間的關(guān)系是我們這次要討論的主線，也是共性問題，但是它們也有不同性。只強(qiáng)調(diào)速度論是不夠的，只強(qiáng)調(diào)平衡論也是不夠的，這是熱力學(xué)、化工以及傳熱學(xué)等不同學(xué)科之間的一個交叉之處。
        從動力角度看，實際上燃料在化工領(lǐng)域要先適度轉(zhuǎn)換?——過分的能耗部分不能轉(zhuǎn)換了——然后再進(jìn)入燃燒過程進(jìn)行熱力循環(huán)，這和傳統(tǒng)的化工是完全不同的。
        我們回過頭來再看看存在的問題，主要是對燃料的化學(xué)能的品位及做功能力定位不好。無量綱化以后我們可以得到燃料的品位及卡諾循環(huán)效率（認(rèn)為卡諾循環(huán)是效率的極限），但是忽視了燃料的化學(xué)能品位。對燃料的化學(xué)能這里不再多展開了，它有多種的利用方式，叫可供轉(zhuǎn)化，包括間接燃燒和化學(xué)鏈燃燒等等，這些都可以得到比較好的化學(xué)品位的利用。
        我們再看太陽能的問題。太陽能單純的熱利用，首先要遵循卡諾定理的效率，這是第一個限制。第二個限制是隨著溫度的提高，熱效率是下降的。這樣我們就可以發(fā)現(xiàn)太陽能單純熱發(fā)電受雙重限制，會有一個最佳值，并非像熱力學(xué)一樣。在這種前提下，我們?nèi)绻儆幸恍┕こ滔拗?，最后就會發(fā)現(xiàn)太陽能熱發(fā)電效率不高，一般僅有百分之十幾，就造成其單位千瓦的造價非常高，所以可再生能源存在著一個巨大的問題。
        如何根據(jù)熱力學(xué)第二定律把品位利用好呢? 我們有一個方法。使燃料先經(jīng)過分解反應(yīng)——如果循環(huán)效率比較低，考慮到燃料的品位，可以在經(jīng)過熱循環(huán)以后，做聯(lián)合循環(huán)或者別的循環(huán)——這樣可以減少直接燃燒的損失，同時，把太陽能的中低溫輸人到有催化劑的反應(yīng)器，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終使燃燒的品位降低，中低溫?zé)崞肺惶嵘?br/>這樣一方面將燃燒變成了有序的釋放，另一方面提升了太陽能品位，其中品位的關(guān)聯(lián)關(guān)系式還是比較多的，并且品位的提升程度也是不一樣的。比如我們研制的一個15平方米、開口2.5米的熱化學(xué)反應(yīng)器，實際上就是太陽能反應(yīng)器，其凈化的效率遠(yuǎn)比單純熱發(fā)電要高。
        從化學(xué)能的梯級利用原理到相關(guān)實驗驗證，再到構(gòu)建新的太陽能的發(fā)電系統(tǒng)我們都發(fā)表了一系列的文章。另外一點，化學(xué)能的品位跟二氧化碳共存有密切的關(guān)系。過去我們使用的[火用]只作為△G和熱，這里要如何演變使得△G有一部分用于分離，從而降低二氧化碳分離能耗，這種藕合方式對我們控制二氧化碳、分離二氧化碳非常有幫助。我說的分離二氧化碳跟化工領(lǐng)域中在低濃度下強(qiáng)行的分離不一樣，這里是指在能源系統(tǒng)的上游并和能源轉(zhuǎn)換相結(jié)合的分離。
        現(xiàn)在我們有多種能量形式，太陽能、生物質(zhì)能等，需要有效利用，因此我們需要做的事情有很多。燃料的化學(xué)能及熱能的品位都已經(jīng)給出了，但是太陽能的品位，熱聲轉(zhuǎn)換中熱的品位如何轉(zhuǎn)換出聲能，聲能如何再轉(zhuǎn)換成電和冷，以及這種不可逆損失中能勢的變化，等等，這些都給我們帶來了的新挑戰(zhàn)。
        我要強(qiáng)調(diào)的是，能勢是一個無量綱的量，是對做功能力相對大小的量度，并且能勢是跨領(lǐng)域的而不僅僅是對熱的。我們要研究的是多種能源的能勢之間的相互作用，我們已經(jīng)提出了一些能勢的表達(dá)，并且對不同的能源有了一些初步的考慮。比如太陽能，我們只是把中低溫太陽能提高到燃料的品位，而沒有考慮到太陽能的特征量，如頻率等。這樣強(qiáng)行地把有特征的太陽能折合成熱能，是不合理的。所以我認(rèn)為能勢既有一個表征的問題，又有關(guān)聯(lián)關(guān)系、互補(bǔ)機(jī)理及節(jié)能作用等問題。
        我們最近在廊坊做的一個600平方米的裝置，有應(yīng)用的一些案例。大家知道，熱轉(zhuǎn)換出聲，聲再轉(zhuǎn)變出電、功。過去我們主要研究傳熱的特性、非線性理論，沒有研究不可逆性。這里的熱泵是吸收式熱泵。大家知道，吸收式熱泵和電壓式的熱泵不同，它的節(jié)能效益比較好。實際證明對口的利用才是合理的。
        我們的老前輩已經(jīng)給我們提了很多的思想和理念，我們要繼續(xù)發(fā)揚(yáng)他們的光榮的傳統(tǒng)的東西，同時也要作出一些對未來能源能夠起作用的熱力學(xué)、能勢方面的貢獻(xiàn)。
        【討論】陳光明: 我昨天說了一下溫度測量。這里我覺得有兩個很有意思的問題，不是針對江老師和金老師的。有一個小問題就是傳統(tǒng)熱力學(xué)里面卡諾循環(huán)的效率表達(dá)式為什么這么簡單? 這是一個我在想的問題。所謂熱的循環(huán)，就是這個表達(dá)式是最簡單的。(1－T1)/T2，這是非常簡單的表達(dá)式，為什么這個這么簡單呢?王立秋: 因為是可逆過程的。張寅平: 您是不是有什么新的發(fā)現(xiàn)呢?陳光明: 這是一個比較有意思的問題。張寅平: 反過來說為什么不能這么簡單呢?陳光明: 實際上是做熱力學(xué)的人把他的東西全拿過去了。什么意思呢? 溫度的一個概念是分子平動動能的度量。還有一個概念就是溫標(biāo)，這個溫標(biāo)就是用卡諾循環(huán)定義出來的熱力學(xué)溫標(biāo)，所以就做出了一個最簡單的表示。本來卡諾系數(shù)里有關(guān)于溫度的非常復(fù)雜的函數(shù)，而熱力學(xué)溫標(biāo)把它正比例函數(shù)一次方，這就是原因?，F(xiàn)在的熱學(xué)全部都建立在這個上面。昨天過老師提出來了最基本的定義已經(jīng)不適用了。按照過老師的理論對流是導(dǎo)熱的特例，這樣一來，對流也不成立了，輻射推動力是什么? 是溫度的四次方。其他的勢能，如高度差、濃度差、電位差等都是一次方作出的，所以整個傳熱學(xué)就遇到了很尷尬的問題: 勢能到底是什么?推動力到底是什么? 昨天過老師提出的我很欣賞，我們要把勢這個概念在熱學(xué)里面變一變，不一定要用熱力學(xué)絕對溫標(biāo)的溫度，溫標(biāo)和溫度是不一樣的。熱力學(xué)溫標(biāo)是建立在卡諾循環(huán)的基礎(chǔ)上的，我們?nèi)绻麙侀_這個的話，就比較容易理解傳熱的推動力不一定是△T。過老師講了勢是CV×T，當(dāng)年如果我們定這個溫標(biāo)的話，就定CV×T，那我們的東西就很簡單了，反倒就會是卡諾循環(huán)的效率變得很復(fù)雜了。付林: 我打斷一下，因為我剛才想說的題目跟陳老師稍微有一點不同。我更多的是側(cè)重于搞第一線的技術(shù)方面的工作，不過我也想借這個機(jī)會學(xué)習(xí)一下。從理論上來講，包括金老師也講到了，能源的轉(zhuǎn)換和熱的傳遞有很多途徑，怎么樣才能判別某個途徑是最合適的? 包括太陽光。太陽能直接發(fā)電可能效率比較低，但是幾個結(jié)合到一塊兒就會產(chǎn)生比較好的效果。我本身是搞建筑能源的，我們關(guān)注的環(huán)境參數(shù)一個是溫度，一個是濕度，也就是熱的問題和濕度的問題?，F(xiàn)在在能源轉(zhuǎn)換過程中需要功和電，怎么樣效率更高呢? 比如說在電廠的轉(zhuǎn)換過程中，我們需要的是25℃的熱，電廠有很多的廢熱，有的可以用熱泵直接用，就是先變成電，電再變成熱。這與在熱工過程中我們把熱的一部分直接拿過來是完全不一樣的?，F(xiàn)在很多很簡單的問題，在工程應(yīng)用中，一些專家也會產(chǎn)生一些混淆。其實我們做了很多準(zhǔn)則或者是參數(shù)的東西，但跟工程實踐結(jié)合的時候，就發(fā)現(xiàn)它們是不符合、不合適的。我想能不能用那種和實際工作結(jié)合的參數(shù)?剛才江老師說到了吸收式的換熱和吸收式的熱泵，當(dāng)里面還有一些化學(xué)式的轉(zhuǎn)換過程時，其實就變成熱了。這種在制冷的時候我們叫制冷機(jī)。還有一些熱泵從低溫到高溫，這里面用到一些換熱，這種情況在現(xiàn)實中有很多的例子，我想請教一下這種是不是換熱的概念? 它也不是制冷機(jī)，因為制冷機(jī)和熱泵從熱力學(xué)方面是一個東西，而實際上又是不同的應(yīng)用，現(xiàn)在卻有一個換熱的概念，所以想請教一下各位。宣益民: 我和陳老師的觀點有一點不一樣，因為我是搞傳熱學(xué)的，我還是要捍衛(wèi)一下傳熱學(xué)。我覺得傳熱學(xué)不是尷尬的，我們現(xiàn)在的傳熱學(xué)本身是一個工程學(xué)，從上半個世紀(jì)開始為了處理一些工程問題，進(jìn)行了一些簡化。研究疆域的擴(kuò)展，帶來了一些傳統(tǒng)領(lǐng)域所不知道的情況，所以說好像傳熱學(xué)遇到了一些尷尬?，F(xiàn)在隨著納米技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光子的發(fā)動機(jī)，這些發(fā)動機(jī)將來的效率和計算問題跟卡諾循環(huán)有一個聯(lián)系，你昨天說的溫度的測量，那個諾貝爾獎獲得者是把光子的動能降下來，沒有說溫度。溫度是什么概念? 確實是一個大問題。我覺得傅里葉導(dǎo)熱定律遇到的一些問題其實不是問題，它的問題是我們在傳統(tǒng)的工作中進(jìn)行簡化的問題。Boltzmann輸運(yùn)方程是宏觀世界所有輸運(yùn)過程的最基本的方程，從這個方程出發(fā)可以得到各種方程，比如導(dǎo)熱方程，我堅信也可以從這個方程中推導(dǎo)出來普適的導(dǎo)熱定理。通過沙龍的討論，過老師的場協(xié)同理論的想法讓我們豁然開朗，我們研究了多少年，但是從來沒有從這樣的視角考慮問題，所以我覺得場協(xié)同領(lǐng)域確實是讓我們搞能源的人有了一個豁然開朗的感覺。關(guān)于[火積]，我昨天跟張老師建議了一下，我自己感覺到沙龍討論得非常好，但是所有的東西都還是從宏觀的角度討論的，我覺得如果要支撐一個理論體系的話——因為[火積]這個概念過先生也講過了—就要把力學(xué)、熱學(xué)和其他的問題進(jìn)行比較。我們想想電學(xué)的發(fā)展，是從微觀到宏觀建立起來的一套理論體系。我覺得這個沙龍如果有一到兩個人從微觀的角度談這個問題，會是更加完美的。對于[火積]的體系，雖然現(xiàn)在宏觀上的討論還不是太深入，當(dāng)然我個人認(rèn)為有一些問題在不斷的發(fā)展，但是作為一個理論體系要真正地有堅實的基礎(chǔ)，我建議還是從微觀的角度去討論。過增元: 這個討論非常好，但是也說明了我主題發(fā)言里的一些問題，讓大家覺得我們傳熱學(xué)很尷尬，這是我的問題，不是別人的問題。我再表達(dá)一下我的基本思想。傅里葉導(dǎo)熱定律99.9%還是能用的，但是在極端條件下，在超常的情況下出現(xiàn)了問題，別人都是用模型，我們嘗試用分析方法得到普適導(dǎo)熱定律。我們現(xiàn)在正在從微觀的角度來研究，但是有一些難度，各位能給我們指點一下，我們將會非常感激。剛才陳老師講的對我也有啟發(fā)，我們發(fā)現(xiàn)我們以前都是以溫度作為勢，但是我們現(xiàn)在提出來，應(yīng)該是比熱乘上溫度作為一個勢，它的含義就是單位質(zhì)量的能量。一個物體的勢也就是單位質(zhì)量的能量，比如重力勢，所以從量上來說是對的。勢乘上質(zhì)量，這里的質(zhì)量是機(jī)械的，得到的就是能量。金老師專門講了共性，所以說[火積]的概念，這個[火積]是一個火字旁，是整個不同形式的能量，比如說機(jī)械能、電能、化學(xué)能都沒有火字旁，是一個廣延量乘上一個勢或者說強(qiáng)度量，最后得到的是能量。這是我大體上的猜想，看看是不是可以這樣考慮。很多能量都是這個[火積]，就是說[火積]是廣延量和強(qiáng)度量的乘積，大家看看，不一定對，這是一個問題。金老師的主題發(fā)言非常好，講到吳仲華先生的定律起到了很大的作用。吳先生本身就是巨人。盡管是巨人，我們作為后人也不能老跟著他后面走，也要站在他的肩膀上，金老師就是站在巨人的肩膀上提出了這個想法。吳先生講的都是熱功，他把其他的能量用過來，我覺得是合理的，站在巨人的肩膀上前進(jìn)了一小步。我們也覺得做得很少，僅僅是在熱能里面、傳遞里面提出了溫差，也就是在溫度對梯級利用方面從定性到定量方向走的一小步。潘寧: 我覺得剛才金老師講的很有意思，把勢看成能量的密度。現(xiàn)在在能源材料里面衡量任何材料，石油、電池的效率的時候，用了兩個量，這兩個量是均等的，任何材料用這兩個量都可以衡量出來。所以能夠把勢考察成能量的密度的話，不只是在傳熱學(xué)和熱力學(xué)上，在能源材料方面也可以放在一起討論，我覺得很多地方會方便的。
        陳光明: 剛才講了推動勢，推動勢不一定是用溫度，我講的溫度是熱力學(xué)溫標(biāo)下的溫度，我們可以選一個對我們最好的。過老師提出來的可能是一個很好的選擇。金老師說的很有意思，勢在傳熱里面，比如說過老師提出來的那套理論會解決很多的問題，也許金老師這個勢提出來，我們不一定就是用現(xiàn)在熱力學(xué)溫標(biāo)下的溫度的概念，而用能勢這樣的概念，這樣也許會把我們的節(jié)能等各方面研究向前推進(jìn)一步。我所補(bǔ)充的是這個意思，原來熱力學(xué)溫標(biāo)下的工作到目前為止遇到的一些問題，比如燃料電池反應(yīng)的溫度是很低的，但是效率確實是很高的?；瘜W(xué)能釋放過程當(dāng)中都是不可能用卡諾循環(huán)來衡量的，那么在卡諾循環(huán)基礎(chǔ)上建立的溫標(biāo)、溫度概念我覺得也可以重新思考。
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        【發(fā)言17】劉林華：輻射熱力學(xué)
         今天我主要討論輻射熱力學(xué)有關(guān)的問題。這是很多年前考慮的問題。首先我們從輻射的局部熵產(chǎn)率怎么算談起。在熱工學(xué)界，傳統(tǒng)上熱輻射的局部熵產(chǎn)率完全套用導(dǎo)熱的局部熵產(chǎn)率公式進(jìn)行計算。這種做法在國際熱工學(xué)界得到了較普遍的認(rèn)可，認(rèn)為導(dǎo)熱的局部熵產(chǎn)率公式可以用來計算輻射的局部熵產(chǎn)率。美國的一些代表性的人物，如密歇根大學(xué)的老牌教授V. S. Arpaci采用這種方法做的一些研究曾發(fā)表在Advances in Heat Transfer等刊物上。
        我們思考這個問題，主要是因為輻射和導(dǎo)熱是兩種不同的熱量傳遞機(jī)制。我們知道，導(dǎo)熱熱流是由局部的溫度梯度驅(qū)動的，而熱輻射是一個長程的作用過程，輻射熱流不是以局部的溫度梯度來驅(qū)動的，它取決于整個溫度場。我們針對這個問題舉一個反例。如圖1所示，冬天的窗戶玻璃，外面的太陽能 (q0) 照射在玻璃上。室外氣溫低，室內(nèi)氣溫高，太陽輻射可以從室外通過窗戶玻璃傳到室內(nèi)。我們把玻璃內(nèi)部的溫度、熱流密度、局部熵產(chǎn)率算出來，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)計算得到的玻璃內(nèi)導(dǎo)熱熵產(chǎn)都是正的，而用傳統(tǒng)的導(dǎo)熱型輻射局部熵產(chǎn)率公式得到的輻射熵產(chǎn)是負(fù)的，綜合起的總熵產(chǎn)率也是負(fù)的。這說明傳統(tǒng)的導(dǎo)熱型輻射局部熵產(chǎn)率公式不能用來計算輻射熵產(chǎn)。
        原因在哪里呢? 因為熱輻射是可以途經(jīng)低溫區(qū)到高溫區(qū)傳遞的。這體現(xiàn)了導(dǎo)熱和輻射的傳輸機(jī)理不同。導(dǎo)熱與輻射之間的傳輸機(jī)理不一樣，所以不能用傳統(tǒng)的導(dǎo)熱型局部熵產(chǎn)率的公式去計算局部熵產(chǎn)率。若要深人研究，我們就要去找輻射熵是怎么定義的。后來我們找到了熱輻射研究的老祖宗Planck在20個世紀(jì)初給出的輻射熵的定義。有了這樣一個定義以后，我們就可以以這個定義為出發(fā)點作一些研究。由熱的原因產(chǎn)生的輻射，服從Bose-Einstein統(tǒng)計。
        圖1：冬天受太陽照射的窗戶玻璃
        圖2：玻璃內(nèi)局部熵產(chǎn)率分布
        圖3：兩種計算公式所得的輻射局部熵產(chǎn)率分布比較
        利用輻射熵的定義這樣的一個基本關(guān)系式，結(jié)合輻射傳遞方程，可以導(dǎo)出類似于輻射能傳遞的半透明介質(zhì)內(nèi)輻射熵傳遞方程。根據(jù)輻射熵傳遞方程可獲得局部輻射熵產(chǎn)率計算公式，包括吸收發(fā)射熵產(chǎn)和散射熵產(chǎn)兩部分。通過輻射擁的定義，再做適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到輻射[火用]的傳遞方程。這樣的做法得到的結(jié)果能不能符合傳統(tǒng)的熱力學(xué)關(guān)系呢? 加拿大有一個學(xué)者認(rèn)為輻射熵產(chǎn)和輻射[火用]損之間不服從Guoy-Stodola關(guān)系，但是我們發(fā)現(xiàn)還是符合的。前面講到一些傳統(tǒng)公式不能用，假設(shè)一個溫度分布，我們同時用傳統(tǒng)公式和這個新局部熵產(chǎn)率分布比較公式來分析計算半透明平板內(nèi)輻射傳輸問題。如圖3所示，用傳統(tǒng)的公式計算，計算結(jié)果會出現(xiàn)熵產(chǎn)為負(fù)的現(xiàn)象，而用新公式算出來的結(jié)果不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)輻射和導(dǎo)熱在光學(xué)厚條件下是相類似的，此時熱輻射問題可按導(dǎo)熱問題類處理，輻射熵產(chǎn)的計算也是如此。
        我們把相應(yīng)的輻射熱力學(xué)概念用到太陽能利用當(dāng)中來，研究地表和地外的太陽輻射能的能勢，發(fā)現(xiàn)地球大氣的吸收會導(dǎo)致太陽輻射能的品位下降。把可做功量和總能量的比值定義為輻射能質(zhì)因子。太陽輻射能的利用要考慮波段，并非哪個波段的能量大就考慮哪個，還要綜合考慮波段的能質(zhì)因子。我們在輻射熱力學(xué)方面發(fā)表了一些文章。最近看到了一些引用，國外有人寫了篇熱輻射與熱力學(xué)第二定律的綜述文章，對我們的工作進(jìn)行了大篇幅介紹，最近也發(fā)現(xiàn)國外有一些研究者在用我們給出的計算公式。
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        【發(fā)言18】陳則韶：能勢的表征
         剛才金紅光教授已經(jīng)對熱力學(xué)能勢的問題作了一個主題發(fā)言，我也就能勢、能量品位和熱輻射能特性問題講點看法。
        一、能勢與自發(fā)過程
        能勢是自發(fā)過程的驅(qū)動力。自發(fā)過程有兩類，能量傳輸和能量轉(zhuǎn)換。能量傳輸能夠自發(fā)進(jìn)行，一定存在能勢差，比如，溫差傳熱，濃差擴(kuò)散等等。有幾個能勢差混合作用時，能量傳輸?shù)姆较虻呐卸?，需要比較不同能勢的強(qiáng)弱，但是，它們之間的能勢等效關(guān)系是什么，我還不清楚，我想通過建立平衡態(tài)關(guān)系，可能會解決。能量轉(zhuǎn)換的方向性和程度，也應(yīng)當(dāng)與能勢有關(guān)。熱能不能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，可是機(jī)械能能不能百分之百變成幾千攝氏度高溫的熱能? 焦耳實驗是把機(jī)械能變成溫度不高的水的熱能，這當(dāng)然容易，要轉(zhuǎn)換為高溫?zé)崮芫筒蝗菀琢恕＿@個問題還值得研究。我認(rèn)為，各種的能源之間能夠自發(fā)轉(zhuǎn)換一定是高勢能往低勢能轉(zhuǎn)變，而每種能量的能勢又一定與它遠(yuǎn)離穩(wěn)定平衡態(tài)的程度有關(guān)，離穩(wěn)定平衡態(tài)越遠(yuǎn)，其能勢差越高。
        二、幾種熱力學(xué)能的能勢、勢能、有效能和能量品位的表征
        熱力學(xué)系統(tǒng)的能函數(shù)中包含有許多不同形式的能量，例如，熱能、體積能、化學(xué)能、電能、磁能和地球引力能等。其每種能量都用各自的強(qiáng)度參數(shù)與廣延參數(shù)的乘積表示，例如，TS、PV、μn、Ei、μ0HdI和mgh。其強(qiáng)度參數(shù)也是能勢參數(shù)，都是由能函數(shù)對其一廣延變量的偏微分得到的。能勢參數(shù)不是能勢，相對于穩(wěn)定平衡態(tài)的能勢差才是能勢，例如熱能的能勢（T－T0），這因為系統(tǒng)穩(wěn)定平衡態(tài)是系統(tǒng)與環(huán)境平衡時的狀態(tài)，穩(wěn)定平衡態(tài)的溫度是環(huán)境溫度T0，不是絕對零度; 同理，體積能和化學(xué)能的能勢為（p－p0）、（μ－μ0）; 取地球電位、地磁場強(qiáng)度、地面高度為系統(tǒng)平衡態(tài)的基準(zhǔn)，取值為零，則有，電能、磁能和地球引力能的能勢為。熱能、化學(xué)能和體積能是系統(tǒng)的熱力學(xué)能，過去稱內(nèi)能，表現(xiàn)有擴(kuò)散性; 電能、磁能、地球引力能，都是外場力作用產(chǎn)生的能，有明顯的取向性。系統(tǒng)的勢能是能勢與廣延參數(shù)的乘積。有效能定義為系統(tǒng)最大可做功能。勢能有正負(fù)，有效能必≥0。剛才，金紅光老師說能勢一定是一個無量綱的量，我想，金老師本義是希望用無量綱的量表示能量的品位。
        在沙龍會上，我說過，只要能找到一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)是可以把能勢與能量品位有機(jī)聯(lián)系在一起的。經(jīng)過會后思考，借整理發(fā)言稿的機(jī)會，作如下一點補(bǔ)充。
        我建議: 把系統(tǒng)某形式能的有效能在由系統(tǒng)能量源與環(huán)境熱源組成的可逆做功系統(tǒng)中吸收的能量Ein中所占有的份額，定義為系統(tǒng)某形式能量的品位，建議用符號P表示，不同形式能可添加腳注區(qū)別表示。例如，T>T0的高溫?zé)崮蹺h，做功系統(tǒng)吸收的能量為Ein=Eh，有效能為Eu＝(1－T0/T) Ein。，能量品位為 P＝1－T0/T，與卡諾熱機(jī)效率相等，在1－0之間，這觀點普遍被接受；而當(dāng)T<T0，勢能為負(fù)，低溫源的熱能Ec也有做功本領(lǐng)，它通過把卡諾熱機(jī)連接于環(huán)境熱源和低溫?zé)嵩粗g來實現(xiàn)，卡諾熱機(jī)從環(huán)境熱源吸熱E0，輸出功W，排放到低溫源的熱能為Ec，Ec的有效能或[火用]表示為Eu＝Ex＝W＝(1－T/T0) E0＝(T0/T－1)Ec＝(l－T/T0)Ein，做功系統(tǒng)吸收的能量為Ein＝E0，取P＝Eu/ E0＝1－T/T0的無量綱量作為對應(yīng)的Ec的能量品位，范圍也在1－0之間，偏離環(huán)境溫度越低，能量的品位越高，極大值為1，符合物理規(guī)律。這樣，能量品位的度量有了統(tǒng)一了比較標(biāo)準(zhǔn)。如果取Ex/Ec=(T0/T－l) 的無量綱量表示Ec的品位，會出現(xiàn)P>1的情況，當(dāng)T接近0時接近于無窮大，不合適。幾種能的能勢、勢能、有效能和能品位列于附表。由附表看出，系統(tǒng)受外力作用的能量品位都為1，所以，導(dǎo)線切割磁力線就會產(chǎn)生電能，電能、磁能、機(jī)械能是可以相互轉(zhuǎn)換的。
        能量品位概念是科學(xué)用能的理論依據(jù)。能源的發(fā)掘、能量轉(zhuǎn)換涉及能勢和勢能理論。每種形式能量的存在，都受一定大小的勢壘約束; 勢壘越大，被約束粒子運(yùn)動范圍尺度越小; 原子核的勢壘很大，分子化學(xué)鍵的勢壘次之，自由電子、磁性材料中磁子、氣體分子自由運(yùn)動勢壘很小;能量轉(zhuǎn)換，是以單元運(yùn)動體的能量為轉(zhuǎn)移單位，單元運(yùn)動體可以是很大很重的固體，或分子、離子，或原子、電子、光子和質(zhì)子; 一種形式能量要向另一種能量實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，其比質(zhì)量單元運(yùn)動體的勢能必須大于另一種能量比質(zhì)量單元運(yùn)動體的勢能的勢壘，到達(dá)轉(zhuǎn)換后平衡態(tài)時一種能量失去的總有效能必然大于或等于另一種能量得到的有效能。相關(guān)的這些能勢理論需要組織力量加強(qiáng)研究。
        三、熱輻射能熱力學(xué)性質(zhì)
        太陽能是一種取之不盡的清潔可再生的能源，從太陽能中獲取盡可能多的功能，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的必需，也是科技工作者的重要使命。太陽能是一種輻射能，對輻射能的熱力學(xué)性質(zhì)目前還有爭議?，F(xiàn)在，我講一些我們的認(rèn)識，拋磚引玉，歡迎批評指正。
        （一）熱輻射能兩重性
        熱輻射能有兩重性，熱作用和量子作用特性。在熱利用時，只用到了輻射能平均強(qiáng)度的性質(zhì)，抹煞了輻射能中所有不同頻率光譜輻射能的品質(zhì)差別。例如，黑體輻射四次方定律Eb,T＝σT4，黑體輻射力的品位是（1－T0/T）。太陽表面溫度約5800K，太陽表面輻射能的平均品位約0.94。
        但是，熱輻射能是由大量頻率不同的輻射粒子能構(gòu)成的。從量子理論來說，輻射粒子的能量是hν，頻率不同光子的能量及其品質(zhì)差異非常巨大，如果我們不考慮不同頻率光譜輻射能特性差別，只把輻射能當(dāng)作熱能來利用的話，就會像剛才金老師說的那樣，把非常好的燃料，一燃燒都變成熱能，就看不到所用能量的好或者是爛。
        （二）光量子特征溫度、光譜輻射能的能勢和品位的表征
        Duysens (1958) 提出光子的能量變?yōu)槿~綠素激發(fā)態(tài)的自由能μτ的計算式為: μτ＝hν(1－T0/Tr)，Tr取用太陽表面溫度，這顯然不合理，因為光合作用是接近環(huán)境溫度。盡管如此，0.94的卡諾熱機(jī)效率仍然小于使用670nm激光脈沖照射在室溫下光合體系的熱效率，致使光合作用是負(fù)熵過程的說法，仍然挑戰(zhàn)熱力學(xué)第二定律。
        我覺得光合作用是量子作用，光子能量特性應(yīng)當(dāng)用與光子波長有關(guān)的光子特征溫度Tλ來表示。理由是: ①來自不同溫度的輻射源的相同頻率輻射粒子，能量屬性應(yīng)相同; ②黑體的溫度越高，黑體輻射短波粒子數(shù)和其所占有比例也越高，隨著黑體輻射力及其有效能也越高，λ越短（或ν越大）的輻射粒子能和其有效能也必越高。我們給出以Tλ表示的光量子的有效能函數(shù)定義為
        eu,λ=hν(1-T0/Tλ)=hc/λ (1-T0/Tλ)                  (1)
        由于λ越短，Tλ應(yīng)該越大，所以猜想Tλ函數(shù)與維恩（Wien）位移定律式有相似的形式。于是，我們假定Tλ與λ的乘積為某個常數(shù)c3，即λTλ=c3。該假定若是正確，一定要大量微觀粒子的集合特性與宏觀平均特性相符合，即黑體光譜輻射力有效能函數(shù)對全波長積分必須與黑體輻射總的有效能相等，即必須滿足如下關(guān)系式
                        (2)
        式 (2) 的Eu,b,λ,T 為黑體光譜輻射力的有效能，表示為
                   (3)
        通過數(shù)學(xué)處理（陳則韶等，自然科學(xué)進(jìn)展，2007），得到
        ζ(3)為指數(shù)m=3的黎曼函數(shù)。c3約為維恩位移定律常數(shù)b的1.8394倍。最后得到光譜特征溫度方程為
        λTλ=c3=5.33016 × 10-3 m·K                  (4)
        根據(jù)式 (4) 和式（1）計算出670nm光譜有效能率為0.962，基本與光合作用實驗效率相當(dāng)。值得說明一點，激光的方向性很強(qiáng)，其光子有效能應(yīng)高于式 (l)計算的結(jié)果。用式 (3) 可以證明，光合作用不是負(fù)熵過程。同樣地，也可以分析光伏轉(zhuǎn)換的特性。
        Tλ與T不同，是描述光子能量大小和品質(zhì)的特征參數(shù)，量綱與溫度一致，不是真實的溫度，在熱力學(xué)里相當(dāng)于一種分子振動的特征溫度。光子與光子之間不能直接進(jìn)行能量交換，所以Tλ不能直接用于描述輻射能的傳輸。光子的能量要轉(zhuǎn)化為電能、熱能或其他頻率的光子能量必須首先被介質(zhì)吸收，在介質(zhì)中重新進(jìn)行能量的整合; 介質(zhì)重新整合產(chǎn)生的新形式能量的總和等于吸收的光子能量的總和，產(chǎn)生的新形式有效能的總和不能大于吸收光子有效能的總和。
        (三)光量子熵常數(shù)
        由普朗克量子假說的量子能量hν和式(4)給出的Tλ，根據(jù)熱力學(xué)的熵與溫度乘積表示熱能的關(guān)系，所以我們給出輻射粒子熵sλ的定義式為
        sλ=hν/Tλ =hc/c3 =3.72680 × 10-23  J/K              (5)
        上式稱為光量子熵常數(shù)方程。
        嚴(yán)格地說，熵的概念是在大量粒子存在的情況下的最可幾態(tài)中引出的，討論單個光子行為是不存在光量子熵的。本文導(dǎo)出光量子熵是以有大量光子存在為前提的。光子氣的總熵是由光子氣中所有光子數(shù)的熵集合而成。光量子熵是常數(shù)，從物理意義來理解，可以認(rèn)為它是光子氣中光量子的平均熵，或者說不同頻率的光量子都有相同的最大無序度，平均的無序態(tài)也是最穩(wěn)的無序態(tài)，或是最大的無序度。光量子熵常數(shù)與玻爾茲曼常數(shù)（k＝1.38054×10-23J/K）有相同的量綱，且數(shù)量級相同，sλ/k＝2.6995≈2.70。Kirwan JAD（Int. J. Eng Sci，2004）導(dǎo)出的光子的熵為 s_p=(4kAT)/3 也是常數(shù)，只是AT有不同值，可取3、3/4及2.701，取2.701時得到的結(jié)果與式(5)的值十分吻合。
        根據(jù)光量子熵常數(shù)與輻射波長無關(guān)的特性，可以方便地計算輻射能轉(zhuǎn)換為其他能量時的有效能損失。Tλ和、sλ的給出對推動非平衡輻射熱力學(xué)的研究將起重要作用。
        (四)熱輻射能傳輸過程有效能的損失
        (1) 等輻射熱流傳熱: 熱輻射能在傳輸過程中的有效能損失，在等輻射熱流傳熱的情況下，跟熱傳導(dǎo)沒有區(qū)別，輻射傳熱熵產(chǎn)因子也是由接收面和發(fā)射面的溫度倒數(shù)差確定，輻射傳熱熵產(chǎn)為
                             (6)
        輻射輸出的有效能為
                 (7)
        其中，εs為系統(tǒng)黑度。
        (2) 太陽輻射能傳輸問題: 太陽輻射能傳輸?shù)降厍颍皇堑葻崃鱾鬟^來，輻射能密度變低了，輻射能流中各種頻率的光譜輻射能光子數(shù)比例沒有變。那么，這種擴(kuò)散輻射能傳輸過程的有效能是否降低了呢? 我們的回答是: 對于光伏發(fā)電，光合作用是光量子作用，光子頻率不變，光子熱力學(xué)特性不變，有效能沒有損失; 對于輻射能熱利用，輻射能密度變低過程有熵產(chǎn)，只是要等到與物質(zhì)熱作用時才發(fā)生。那么究竟怎么表征其熵產(chǎn)和有效能損失呢? 我們在引入和定義了四個新參數(shù): 當(dāng)量照射輻射強(qiáng)度I、輻射強(qiáng)度系數(shù)ω、當(dāng)量受照輻射強(qiáng)度 和當(dāng)量輻射溫度 后，問題得到了解決。I為在離熱源表面一定距離處，與平面熱源中心法線或球面熱源徑向同方向上的單位面積上所受照的熱源輻射強(qiáng)度; ω為I與熱源的輻射流強(qiáng)度e之比; 為輻射接收面單位面積在半球向單位時間內(nèi)接收到的各熱源的總輻射能流;  為與當(dāng)量受照輻射強(qiáng)度相等的黑體輻射溫度。大氣層上空，當(dāng)量太陽照射輻射強(qiáng)度，即為太陽常數(shù)，I0＝1376W/m2。 ω＝2.14427×10－5，正對太陽接收面的當(dāng)量輻射溫度為于1=394.7K，對吸收率為α表面熱作用時的熵產(chǎn)是
        得到的有效能為
                     (9)
        有效能損失為qu,L＝ T0sg。通過分析可知，擴(kuò)散輻射傳熱，有效能損失很大。所以，太陽能熱利用時應(yīng)當(dāng)采用聚焦方法，較佳聚焦比在20倍上下。
        因為今天時間非常緊，不能給大家全部展開來講，因為這是很新的問題，我們初步的做了一點工作，整理文稿時又補(bǔ)充了點的新內(nèi)容和附表，仍然很不完善，可能不正確，作為討論參考，敬請大家批評指正。感謝中國科協(xié)第38期新觀點新學(xué)說學(xué)術(shù)沙龍給我們提供了這樣的新學(xué)術(shù)討論機(jī)會。 
        附表：幾種能的能勢、品味和勢能
        表中：
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        【自由討論】主持人：張興
         
        過增元: 剛才金老師和陳老師講的能勢很好，但是他們兩個的觀點好像不太一樣，這個問題我再請教一下。陳則韶: 不好的學(xué)生要先講話。我過去曾經(jīng)思考過怎么表示能勢的問題，所以這一次也很感興趣。我界定的能勢應(yīng)該是能量密度的概念，但是如果我們能夠再找到一個同一的基準(zhǔn)，比如說都把它變成什么功、能，那么就可以變成無量綱，實際上跟金老師不會有太大的矛盾，僅僅是表述不同的問題。通過能量的密度，溫度高的能勢上去以后，品位就高了，就如壓力相同的1m3氣體，如果壓力很高，能量密度就很大。現(xiàn)在有一個問題，就是各個不同能量表示的時候怎么等價會互相轉(zhuǎn)換的問題。金紅光: 我再解釋一遍，就是說因為能的概念本身就是非常寬的，所以和別的不一樣，比如說化學(xué)勢比較具體，就有和化學(xué)濃度相關(guān)的量綱的東西。我再舉一個例子，位能的勢有高度的概念。能勢是力圖把不同種的能勢通過無量綱化抓住共性的一個東西，這是一個目標(biāo)，但是不是應(yīng)該叫能勢，在我們過去的研究當(dāng)中一直叫品位，不同種的傳統(tǒng)能源，熱也好，功也好都是做的不錯，現(xiàn)在遇到了比如說太陽能就有一些亂了，用品位就亂了。為什么呢? 有不同的聲音。第一，有的人認(rèn)為太陽能輻射里面的光子，就像電子一樣，品位就像功一樣，應(yīng)該是1。有的人說太陽的表面溫度是5800K，折合成卡諾循環(huán)效率，0.3、0.4、0.5，再加上一些修正的也有。太陽的表面溫度是5800K，但是我們用不著。到了我們地面的能勢是什么樣的呢? 比如說北京500W/m2，新疆1000W/m2，那么做功能力應(yīng)該是不一樣的，我們認(rèn)為品位也是不一樣的，就把品位擴(kuò)展成能勢，不管是曲面的還是直面的，我就看單位平面上的做功能力是的多少。無量綱準(zhǔn)則是集很多參數(shù)，在熱力學(xué)當(dāng)中也是一個趨勢。這是一個區(qū)別，至于是否稱為能勢也是討論過很多次。張欣欣: 我是做鋼鐵的，鋼鐵生產(chǎn)是一個大宗材料的生產(chǎn)，作為一個系統(tǒng)來看，我們一直是在講物流和能流，對它進(jìn)行優(yōu)化的時候，過去一直是以物流為主線進(jìn)行優(yōu)化的?，F(xiàn)在由于節(jié)能減排等等的一些需求，我們開始注重怎么能夠以它的能量的高效轉(zhuǎn)換和利用為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，同樣在這個情況下，就遇到了這些問題。實際上心里也明白就是一個能量的品位和能量的密度的問題，怎么樣把這些東西和生產(chǎn)過程統(tǒng)一在一起，確實是需要仔細(xì)研究的。過先生提出的新的想法，我覺得對我們具有明確的指導(dǎo)意義，這是我第一個要表達(dá)的。第二，我特別支持宣校長的看法，如果是一個基本的東西，應(yīng)該能夠從微觀的東西得到一些更好的啟示。廖強(qiáng): 首先感謝沙龍給我提供這樣一個學(xué)習(xí)的機(jī)會，在學(xué)習(xí)過程中間關(guān)于場協(xié)同理論的一些問題希望得到各位專家的指點。在場協(xié)同的理論里面引用了一個平行通道中時流換熱的問題，換熱問題成為場協(xié)同里面的一個驗證。我覺得換熱問題的提出是要平板中間的流動長度足夠長，這個時候的溫度梯度和速度的夾角為90？，對流就沒有了，上下兩個平板都檔住了。在上下平板溫度相同的情況下，對層流問題，不管是無窮長還是有限長，對流的系數(shù)實際上是不變的，都等于一個常數(shù)。那么對場協(xié)同理論來說，本來用的是一個無量綱的速度和溫度的梯度，這樣轉(zhuǎn)換之后就變成了無量綱的溫度梯度和速度。即使到無窮長的時候，Nu數(shù)也是一個常數(shù)。這時候雖然溫度梯度變得很均勻了，但是溫差也同時在減少，就是說熱能力度和溫差同時減少，而對流換熱系數(shù)并沒有減少，還是保持為常數(shù)。在這種情況下，用這種方法來說明就沒有意義了，考慮的是平板和流體之間的換熱，而不是上下兩個平板之間的換熱。這個問題我想的不是特別清楚。在場協(xié)同理論里面解釋換熱的時候是用平均的場協(xié)同角度來解釋，對于一個復(fù)雜的流場來說，一個場協(xié)同只是影響導(dǎo)熱的一個部分，其他的部分之間，包括對流項里面還有一個速度的模和溫度梯度的模，則沒有影響。即使是導(dǎo)熱項，里面還有其他兩維的導(dǎo)熱問題，還有內(nèi)熱源的問題，需要全部的協(xié)同，而并不只是一方面進(jìn)行協(xié)同。這種情況下，僅僅通過角度平均值來說明強(qiáng)化或者是弱化似乎不夠，我覺得是不是需要更多的參數(shù)。也許有的情況換熱系數(shù)在增加，但是平均的協(xié)同角卻是朝著協(xié)同的方向發(fā)展的。對于兩相流動，有相變的特例，如果從協(xié)同角對流的角度來看會存在一些問題。比如說換熱過程里面的流場是非常不穩(wěn)定的，是一種非線性的組合的問題，要用協(xié)同的理論解出一個溫度場，從溫度場的角度解釋。特別是一些沸騰的換熱，很多往往是一種液體薄膜的蒸發(fā)。所以說從場協(xié)同來看，也許不滿足場協(xié)同，就是沒有對流，但是換熱非常強(qiáng)，所以這個可能會存在一些問題。劉曉華: 我是做空調(diào)工程的?？照{(diào)工程由許多的從室內(nèi)到室外的換熱環(huán)節(jié)組成，溫差場均勻性原則對單個換熱器有很好的指導(dǎo)意義。我們實際過程是由許多的換熱器串聯(lián)組成一個體系，如果每個換熱器的重要性一樣的話，溫差的均勻是指導(dǎo)我們設(shè)計的非常好的原則，但是實際上每個換熱器的重要性或者是換熱過程的重要性是有輕有重的，這樣的話，我們在整個流程的優(yōu)化過程中就比較困惑，希望有一種量化的優(yōu)化原則可以來指導(dǎo)我們。另外，我們在從室外到室內(nèi)營造建筑環(huán)境的過程當(dāng)中有多種多樣的途徑和方法，我們在實際工程當(dāng)中用熱力學(xué)的第一定律分析效率，分析能效，這樣能夠看到效率的水平，但是我們思考能否有一種量化的熱學(xué)的指導(dǎo)原則來指導(dǎo)我們做這種流程的優(yōu)化分析。我們在應(yīng)用當(dāng)中有一些工程化的經(jīng)驗的總結(jié)，比如說匹配原則，減少混合損失，但是這些定性的原則就變成了工程師的經(jīng)驗，我們非?？释堰@種定性的原則變成一種量化可推廣的指標(biāo)的體系，也非常希望能得到各位專家和老師的指導(dǎo)，非常感謝大家。丁靜: 各位老師好! 本著來了就是重視，講了就是支持的原則，我積極地要求發(fā)言。通過這一天半的強(qiáng)化學(xué)習(xí)，我對場協(xié)同、[火積]以及能勢有了一些粗淺的認(rèn)識。正如昨天徐院士所說的，工程熱物理學(xué)科是一個技術(shù)學(xué)科，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，在一些超常的工況的條件下，我們用經(jīng)典的理論很難解釋，但是不一定不能解釋。因此提出了這些新的熱學(xué)的概念，我覺得是從不同的角度更好的表征物理過程。我認(rèn)為這不矛盾。過先生所提出的場協(xié)同的理論對于我們進(jìn)行強(qiáng)化傳熱的技術(shù)發(fā)展指明了方向。對于[火積]，它是從熱交換提出的，擴(kuò)展到今天上午江先生所講的熱質(zhì)交換過程，涉及到了相變，涉及到了傳熱、傳質(zhì)，傳質(zhì)實現(xiàn)的傳熱過程。在這個過程中，總的地耗散如何進(jìn)行評價是今后一個發(fā)展的方向，這是我的粗淺的認(rèn)識，謝謝。熊大熙: 我是過老師的學(xué)生，本科的時候就是做的溫差場原理。昨天西交大陶老師講的例子，剛才廖強(qiáng)教授也說了，在有相變的時候這個協(xié)同場是否可以應(yīng)用。我覺得可以做一個例子，快速冷卻的問題，我們知道那個可樂的例子，需要10秒鐘將可樂冷卻。大家做一個分析就知道了即使瓶底是導(dǎo)熱的，也不一定可以。大家說我轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)行不行呢? 轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)是可以的，轉(zhuǎn)的時候，這個場協(xié)同里面的很重要一點就是外面很涼，里面很熱。溫度梯度和速度是垂直的，用處也不大。什么辦法可以把協(xié)同理念用上去呢? 外面的溫度在零攝氏度以下，導(dǎo)熱系數(shù)很大，表面溫度就在零攝氏度以下，那么表面和鋁殼接觸的時候會有一個很低的溫度，這時就生成了冰，冰的密度比水的密度要低，冰就會沿著這個方向到中間去，就是滲透過去了。這是什么意思呢? 有一個更重要的速度是徑向的，所以相當(dāng)于有兩個物流，有一個物流起到重要的作用，就相當(dāng)于相變的潛熱能往中間走。實驗沒有做，不過這個問題我們想了一想，感覺很簡單，就相當(dāng)于是熱流梯度和速度上還有溫差上幾乎是零攝氏度了。陶文銓: 這個例子別人做過，搖動再加上沖擊，很快就會冷卻下去。廖強(qiáng): 我覺得是在相變換熱中間的一些問題處理上困難比較大，不是說不能用不是那個意思。過增元: 我覺得應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)一下場協(xié)同原理應(yīng)用的局限性，我不是講熱點，而是講不夠、不足和缺點。有兩個方面，第一個方面，剛才大家談到了，在傳熱問題里，無論是對流還是其他方面，當(dāng)夾角不起重要作用的時候，這個場協(xié)同的作用就比較小了。昨天和今天都提到了表面上凝結(jié)沸騰傳熱或者是熱阻的作用更重要，場協(xié)同中的貢獻(xiàn)就比較小了。上次陶老師講的是對的，只要這個方程里面有這項，有夾角，就一定會起作用。我再補(bǔ)充一點，還要沒有別的因素，如果別的因素比這個還要高，那么場協(xié)同就差一點了。第二方面，剛才廖強(qiáng)老師也提到了，對于復(fù)雜問題，你用這個夾角去平均也是不行的，有一些地方可以，但不是所有的東西都是這樣的。每一個地方的夾角不一樣，這個協(xié)同不光是夾角，還有溫度梯度的模和速度梯度的模跟夾角同時作用，所以這方面最困難了，而且是強(qiáng)烈的藕合的，這個時候你要用[火積]了，因為本質(zhì)是[火積]，而且可以用[火積]方程求解，就用理論分析來做了。陳林根: 剛才聽了金紅光老師講的能勢，金老師按照溫度梯級利用的原理在常規(guī)的動力系統(tǒng)、聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，包括含化學(xué)鏈的系統(tǒng)集成優(yōu)化方面做了很多開創(chuàng)性的工作，在國內(nèi)外有很大的影響。有了化學(xué)鏈，有了各種各樣的品位的能，我理解金老師用能勢統(tǒng)一的描述或者是標(biāo)定不同品位的能的想法。熱力學(xué)是一個很古老又很新穎的學(xué)科，有經(jīng)典的熱力學(xué)，有現(xiàn)代的力學(xué)，也可以分為基礎(chǔ)的熱力學(xué)或者是應(yīng)用工程的熱力學(xué)。我也講了我個人的想法，在基礎(chǔ)熱力學(xué)里面，一般我們講流、力、勢，這個勢是有量綱的量。我的建議，這個想法看選擇什么樣的名字，原來我們有能的品位，我取名為品位因子，或者是我們熱力學(xué)里面經(jīng)常用的品質(zhì)因素，可以用這個東西統(tǒng)一的描述，但是要取為能勢的話，從基礎(chǔ)熱力學(xué)的角度來看，我覺得跟我們習(xí)慣用的概念容易產(chǎn)生混淆。楊勇平: 這兩天談的主題確實是在熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩大學(xué)科里面的一些共性的問題，非常好。我們熱力學(xué)又稱為工程熱物理里面的哲學(xué)，因為是研究能的學(xué)科，所以我覺得宏觀東西稍微多一點，當(dāng)然現(xiàn)在也有微觀的熱力學(xué)。我感覺這兩個的側(cè)重點不一樣，熱力學(xué)更多的是關(guān)注循環(huán)和系統(tǒng)。這兩者又有必然的聯(lián)系，一般來講循環(huán)里面缺不了傳熱單元，我覺得這兩個學(xué)科離得這么近，熱力學(xué)學(xué)科離不開傳熱。在評價的時候，因為對象不一樣，所以評價也不一樣，一般講熱力學(xué)里必須要有熱功轉(zhuǎn)化，就是必須要有轉(zhuǎn)化的單元，所以這里面有一些效率的概念。如果說傳遞的話，這只是整個大系統(tǒng)里面的單元，我們往往可能會用整體的系統(tǒng)來談。局部的效率最高不等于全局的系統(tǒng)的效率最高，所以這兩個可能有一個本質(zhì)的區(qū)別。所以我感覺這里面有一些問題，包括過院士提出來的，跟熱力學(xué)里面的熵、[火用]有共性。實際上[火用]和熵原來是從熱力學(xué)里面提出來的，又可以用在傳熱里，當(dāng)然還有熵產(chǎn)?，F(xiàn)在的[火積]提出來以后，可能是先從過程提出來的。怎么能夠上升到我們系統(tǒng)里面應(yīng)用? 我做系統(tǒng)優(yōu)化，整個系統(tǒng)的[火用]效率最高，我可以做一個目標(biāo)函數(shù)，熵產(chǎn)也可以作為一個目標(biāo)函數(shù)。[火積]只是在傳遞過程中適用，能不能也上升到我們的系統(tǒng)，我還是比較困惑。如果是達(dá)不到這個目的，[火積]和熵在熱力學(xué)里面的地位還不完全一樣。我覺得熱力學(xué)和傳熱學(xué)有共性也有區(qū)別，將來這兩個學(xué)科更應(yīng)該交又滲透，現(xiàn)在我們已經(jīng)有幾位老師在兩個學(xué)科都精通，慢慢會更好的。我非常高興，我們今天能夠碰撞出這么多火花，我覺得熱力學(xué)和傳熱學(xué)里面也都有新的挑戰(zhàn)，熱力學(xué)的挑戰(zhàn)是系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，傳熱的新挑戰(zhàn)是微尺度、高熱流密度等。讓我們攜起手來一起面對、迎接這個挑戰(zhàn)。周遠(yuǎn): 我一直在考慮一個問題，昨天過院士也說了熱學(xué)和其他學(xué)科的區(qū)別。我也是動了一下腦筋，電是沒有品位的，就是它自己沒有品位，熱量和環(huán)境的關(guān)系是很清楚的，跟環(huán)境差不多就是品位很低了，高溫和低溫都是品位，比如說低溫，低溫的品位比如說20K，一千瓦的機(jī)電要是在20K的時候你就做得很好了。但是電學(xué)是沒有的，我跟搞電學(xué)的人說你高壓是不是高品位? 不能這么說的。不同能量種類比較，我覺得熱能實際上是所有能量的垃圾，為什么是垃圾呢? 機(jī)械能摩擦可以變成熱能、光能、聲能、化學(xué)能，最后不用的東西都在這兒了。所以說我覺得熱能是一個垃圾能，品位用的越低，對熱能越好。當(dāng)然怎么排隊我就不好說了，比如說光能、聲能，類似的排隊我還沒有想好。品位越低，就是跟環(huán)境差不多的溫度的能量最好了。比如我們做制冷的人，就是要用電了之后再來做制冷，這是很不合算的。所以還是應(yīng)該用熱來做制冷，這是最有效的、最好的。如果要在能源方面有突破的話，這就是最好的、最有效的辦法。到現(xiàn)在為止，這個方面會不會有所突破，我覺得是很大的挑戰(zhàn)。剛才金紅光教授講要梯級利用能量，最后要是用好了，是我們最理想的，搞熱學(xué)的人會覺得是最理想的，但是這個難度也比較大。熱能怎樣提高、怎樣利用是關(guān)鍵的。在制冷空調(diào)方面，77%是用電來做制冷的，23%是用熱能來做的。我們要發(fā)展，要用熱能來替代電能，使熱能部分達(dá)到40%甚至是更高，這樣最好了。楊茉: 我提一點小問題，過先生定義[火積]，用的是定容比熱，為什么不用定壓比熱來定義呢? 我們講熱學(xué)的時候有一個閉口系，后來又弄出了一個開口系，在開口的時候用焓就比較方便。剛才過先生講了夾角不方便，就可以用[火積]，這時候有可能還能出來一個新的量，就是類似于我們變成焓的量，就是考慮了外來的流動帶來的能量。這是一點小小的建議。剛才聽了周院士還有金教授講的，好像現(xiàn)在能勢和品位不是一個概念，電的品位是1，那能勢在哪兒呢? 我們講傳輸?shù)臅r候有一個能勢的概念， 比如說講[火積]主要是講傳熱的過程當(dāng)中有一個屬于能勢的概念。電能勢傳輸?shù)臅r候也有高電壓和低電壓，一個是在轉(zhuǎn)換過程當(dāng)中，熱能和[火積]轉(zhuǎn)換; 一個是在傳輸當(dāng)中。這個能勢是不是除了轉(zhuǎn)換的勢以外還有一個傳輸?shù)哪軇?，我就沒有理解好。另外，傳熱和導(dǎo)電中的能勢是不是也有關(guān)系?張娜: 各位老師好! 通過這一天半的報告我感覺學(xué)到了不少東西，特別是過老師的場協(xié)同理論和金老師的能勢理論。我個人也沒有什么深入的研究，只能提出一些粗淺的想法。理論的發(fā)展和我們科研實踐的發(fā)展緊密結(jié)合，因為目前研究的問題深度和廣度不斷地擴(kuò)展，也給我們的研究提出了很多問題。拿能勢來說，從最初的物理能溫度梯級對口應(yīng)用到化學(xué)能和物理能綜合起來利用提出品位的概念，再到可再生能源的引用，這個問題越來越復(fù)雜，現(xiàn)在又進(jìn)一步發(fā)展到能勢的理論。對于太陽能，能勢怎樣評價目前還確實存在很多的爭議，通過用太陽表面的溫度直接計算卡諾的循環(huán)效率來評價是不是合適呢? 還有很多的爭議。還有一個就是對于太陽能，我們通過轉(zhuǎn)化后的溫度來作為評價。這是一個沒有辦法的辦法，中間是什么過程，發(fā)生了什么變化大家都不知道。對這個問題進(jìn)行一個定量的研究特別有意義，有很多問題我也不是很清楚，所以我想提幾個問題，向大家請教一下。聽了陳則韶教授的報告，我在想，能勢和光的頻率是不是函數(shù)關(guān)系呢? 太陽的光是一個復(fù)合光，在這種情況下怎么計算呢? 另外，金老師也說過了，太陽能從太陽表面出發(fā)，對大家都是一樣的，但是到地面上以后各個角落的情況就千差萬別。比如說在北京和在西藏，輻照的強(qiáng)度就差得特別大，我不知道怎樣能把這個差別考慮進(jìn)去。在量化以后有一個更進(jìn)一步的問題，就是怎樣把梯級利用好，中間有一個很大的落差，這個問題怎么解決呢?張寅平: 我覺得品位這個詞基本上是定位在熱能動力工程里面來講的，基本上是從發(fā)電來說的，如果按這個排列的話，機(jī)械功的品位最高到了環(huán)境溫度的熱能就可認(rèn)為是垃圾了。到江老師說的建筑環(huán)境的時候就是另外一個排法了，比如說人待在25℃的環(huán)境溫度里，如果外面都是這個環(huán)境，窗戶打開最好，也不需要加能量，品位最高，高于這個溫度太熱了，低于這個還要加能量。換句話說，品位跟目標(biāo)是密切相關(guān)的，品位是有條件的品位。金老師說的多能源互補(bǔ)，多能源互補(bǔ)里面有很多的能，能勢因子也有這樣的問題，多能源互補(bǔ)的結(jié)果是一個死量，死量是沒有大小的，什么時候才有大小呢?在投影面上或者是投影軸上才有大小，換句話說也要有一個目標(biāo)，希望發(fā)電全部到發(fā)電上來了，希望供熱全部到供熱上去了，也可能有這么一個問題。陳則韶: 張娜老師提的問題非常的好，因為現(xiàn)在涉及太陽的能源是解決我們國家能源短缺的一個重要方面。作為熱利用來說，太陽的光譜里面的優(yōu)勢已經(jīng)沒有了，但是從太陽表面跑到地球大氣層外的時候，一旦進(jìn)行熱作用，等效的溫度只有340多攝氏度，在這個時候無論如何都必須要用聚光的方法。第二個，太陽能里不同頻率的品位在什么地方體現(xiàn)呢? 在光譜作用上面是非常明顯的體現(xiàn)，多級的光譜發(fā)電，不同的頻率的光都拿來發(fā)電的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于今后熱發(fā)電的效率。統(tǒng)一了昨天過院士和金紅光教授提出來的問題，將來能勢可以把你和熱力學(xué)的問題解決，再有一個垃圾的問題實際上是一個很好的基礎(chǔ)，將來建立不同能源之間的品位，用什么尺度做平臺，可能都要用這個公式來轉(zhuǎn)，要不然轉(zhuǎn)不過去。我想在過院士帶領(lǐng)下，我們可以把熱學(xué)的新課題在熱力學(xué)的能勢的統(tǒng)一下都解決。馬重芳: 我想向過教授提一點問題。我理解您做的工作有三個層次，第一個層次是場協(xié)同，這就不說了，非常好的強(qiáng)化傳熱，對傳熱學(xué)的機(jī)理作了重大的貢獻(xiàn)。第二個層次，是在現(xiàn)有熱力學(xué)的理論框架之下提出了一個新的概念， 就是[火積]，來解決傳熱的強(qiáng)化優(yōu)化。第三個層次，是您昨天下午講的夢想，想再重新構(gòu)架熱力學(xué)，跟現(xiàn)代物理學(xué)結(jié)合起來。我覺得第三個層次是過于沉重的任務(wù)，我個人覺得可以適當(dāng)?shù)亟o自己放松一點，這是一個非常大的問題。杜克大學(xué)有一個羅馬尼亞人Bejan也是用熱力學(xué)的概念，用熵產(chǎn)的概念解決熱力學(xué)，我個人覺得[火積]的創(chuàng)造性比他大，因為你有一個新的概念提出來了，但是你的困難也更多，因為你這個概念不是大家公認(rèn)的，我想聽聽這位原籍羅馬尼亞的美國人對您是怎么談的?第二個問題，不是理論性的問題。徐建中教授提出了一個科學(xué)用能的概念，我們在網(wǎng)上反復(fù)的搜怎么科學(xué)用能，當(dāng)然這是一個方向。到現(xiàn)在為止，今天金教授也講到了，還是用吳仲華先生說的溫度對口，梯級利用。如何科學(xué)用能，也是一個很大的問題，這件事情您怎么看呢? 把您的理論怎么和科學(xué)用能結(jié)合起來?最根本的問題是熱功轉(zhuǎn)換，這也是工程熱力學(xué)的一個核心的問題，實際上熱功轉(zhuǎn)換這個任務(wù)是要由工程熱物理來完成的，現(xiàn)在幾乎所有的人都是能源專家，唯獨工程熱物理的人好像不是。我們承擔(dān)了最大的任務(wù)，因為火力發(fā)電80%是要熱能轉(zhuǎn)換的，交通工具99%都是。《科學(xué)時報》在2月8號刊出了一個低碳能源專題，每兩周出四版，在這個刊物上要進(jìn)行辯論，因為也有人不同意這樣的意見，這個我就不說了，這也是一個非常大的問題，我希望我們搞工程任務(wù)的要和各個學(xué)科結(jié)合起來，傳熱學(xué)的尷尬不僅僅是理論上的，最大的尷尬就是你永遠(yuǎn)是配角。我們兩次被人家耍，一次是做超級計算機(jī)，本應(yīng)給我們60萬，給了15萬，他們覺得會了，就讓我們走了，這個研究所是在無錫。還有一個尷尬是南京的十四所，給我們20%的錢就拜拜了。我們決心要提供整體解決方案，這就是能量的傳遞、存儲，還有一定要加上壓縮、膨脹。我們現(xiàn)在做壓縮機(jī)才能提供整體的解決方案，不然的話我們傳熱學(xué)不僅有理論上的尷尬，還有財政上的尷尬。過增元: 下面我講[火積]，我們談[火積]并不是要代替熵或者[火用]，也不是比較熵和[火用]誰好誰不好，而是像剛才羅教授講的是由于優(yōu)化目標(biāo)不同，有不同的用法和標(biāo)準(zhǔn)。局限性有兩個，剛才前面宣校長和張校長都講了，我們要從微觀上面去分析，這是第一點局限性。第二點局限性，楊茉教授講了，我們目前這個[火積]的定義只限于物體導(dǎo)熱，所以這里面沒有體積變化，只有一個C，所以這個是局限性。楊教授剛才講到了現(xiàn)在講的傳熱過程，我們也在嘗試把[火積]用到系統(tǒng)里面，供熱轉(zhuǎn)換，我們講的就是傳熱器，另外一個是轉(zhuǎn)換器，當(dāng)然這個是非常不成熟的。再加上剛才馬老師提的Bejan的問題，他的引用率很高，我們在1999年、2000年初也覺得很好，我們也跟著他走，跟他走不是跟他完全一樣，我們提出的原理跟他差不多，他一看我們的工作很好，引用我們的文章。但是隨著事態(tài)的發(fā)展，我們的觀點有很多的差別，他講熵產(chǎn)最小，我們覺得可以用[火積]，人家就不太高興了，所以逐步到現(xiàn)在就分道揚(yáng)鑣了。剩下的問題科學(xué)用能由金老師回答。金紅光: 背景是這樣的，倒不是說非得從科學(xué)定律來出發(fā)。首先大家對節(jié)能的認(rèn)識不一樣，有很多人比如說社科院的生活方式走路、騎自行車，這是節(jié)約?，F(xiàn)在很多社科院的人說如何提高效率的事情，而我們科學(xué)院的人說如何生活節(jié)約的問題，應(yīng)該說我們熱物理的人通過熱物理學(xué)科解釋真正的高效應(yīng)用節(jié)能，所以把這兩個層面分開了，把節(jié)能分成了節(jié)約和科學(xué)用能，是這個意思。不是像吳教授說的非常宏觀的概括性的科學(xué)問題，很通俗易懂的解釋了第二定律，科學(xué)用能是在這個層面上說的，我不知道你們清楚了沒有。楊立軍: 這兩天大家花很多的時間在考慮[火積]跟熵，討論的過程中有一些新的概念。我們講到熵的時候，說熱力學(xué)第二定律有另外一種表述方法就是孤立系統(tǒng)的熵增原理。昨天聽了梁老師的報告，也做了一個算例，是兩種流體混合之后，產(chǎn)生了一個新的[火積]，我們也可以把它看做是工程系統(tǒng)里面的[火積]， 計算結(jié)果是[火積]減小了。固定系統(tǒng)里面的燒減小是不是也是一個定律?還有一個是暗能量的問題，當(dāng)孤立系統(tǒng)中物質(zhì)流和能量沒有交換的時候，熱質(zhì)能是不是守恒的? 如果不是守恒的，這就跟過老師講的暗能量聯(lián)系上了。我的猜測熱質(zhì)能是守恒的。宋耀祖: 我覺得有一個能勢和品位的問題，還有一個宏觀和微觀的問題。我從物理學(xué)的方面提供一點意見供參考。從物理學(xué)的角度來講，從原子的核能一直到機(jī)械能，我們作為一個宏觀物體量不是跟所謂的汁應(yīng)的微觀粒子有關(guān)系。能要有一個載體，最簡單的能就是機(jī)械能，機(jī)械能的載體就是一些宏觀物體，在物理上叫質(zhì)點。物體都是由分子構(gòu)成的，所以分子層面上產(chǎn)生了能就是熱能，分子的運(yùn)動產(chǎn)生了熱能，分子的平均動能的大小就是溫度的度量。但是分子又是由原子構(gòu)成的，分子轉(zhuǎn)變?yōu)樵拥倪^程中就會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，就是燃燒能。原子又是由電子和原子核構(gòu)成的，電子又分成自由電子和另外一種電子，自由電子的運(yùn)動就產(chǎn)生了電能，核電子產(chǎn)生X射線。原子核大家都知道了，原子核里面有質(zhì)子和中子，從物理學(xué)中分類，告訴我們不同的能量載體是不一樣的，載體越小所產(chǎn)生的能量密度越大，這就是為什么我們?nèi)祟惱显谧肪课⒂^粒子。到分子，一直到原子，到電子，到原子核里面的質(zhì)子、中子。隨著微觀粒子越來越小，能夠產(chǎn)生的能量密度就越來越高了，所以產(chǎn)生光子的作用，物理學(xué)里面大概有這樣的想法。我不知道這樣一種能勢、品位跟金老師提出來的能勢、品位是什么關(guān)聯(lián)。微觀的一些分子運(yùn)動，如果是到電能的時候就是電子的運(yùn)動，分析到光能的時候肯定是跟外層的自由電子有關(guān)系。我就提供這么一個物理背景，供大家參考。楊春: 我是過老師以前的學(xué)生，現(xiàn)在做細(xì)胞生物學(xué)、細(xì)胞力學(xué)的方向，雖然不做傳熱和熱力學(xué)的方向，但是我今天來特別受啟發(fā)，因為聽到很多老師講到能源的綜合利用的問題。我在昨天吃飯的時候也聽大家講過現(xiàn)在的光伏電池轉(zhuǎn)化效應(yīng)比較低，并且制造本身的成本高于了發(fā)電的產(chǎn)出。我覺得其實有一個非常好的能源的轉(zhuǎn)換的方式，就是生物能的轉(zhuǎn)換。剛才有一位老師也提到了葉綠素，從能源轉(zhuǎn)換的角度來說，從光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的過程，化學(xué)能的體積非常的高，無論是電能的存儲還是熱能的釋放都可以百分之百的轉(zhuǎn)化過來。生物方面的能源存儲可能是一件很有意思的事情，我知道原來宋耀祖老師培養(yǎng)一些植物，這個可能是一個很有意思的方向，也很值得發(fā)展。用生物方向固定能量和轉(zhuǎn)化能量是很有意思的方向。這是我從中得到的啟發(fā)。梁新剛: 對開放系統(tǒng)在沒有做功的情況下，[火積]的減少是具有極小值的。張興: 今天的討論結(jié)束，我們沒有閉幕式，整個沙龍到此結(jié)束，謝謝大家。

         
          
         
         
         
                         
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