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从古老的热学研究到年轻的热学超构材料研究
热度 7 jphuang 2015-11-25 10:24
从古老的热学研究到年轻的热学超构材料研究 ------ 非平衡传热系统新奇热现象 摘要:热学是一门古老的物理学子学科,当它与今天先进的理论工具和实验手段相结合时,这个古老的学科开始取得突破进展,无论是微观尺度,还是宏观尺度。本文主要介绍热学在宏观超构材料领域的新发展。 物理学里有不少子学科,例如力学、光学、电磁学、量子力学、热学、统计力学等。在这些子学科中,热学最奇特,它的奇特体现在哪里呢?它与其它子学科有一点很不一样——热学的正式诞生并不是因为物理学家的贡献,而是因为工程师们的贡献,例如法国的工程师卡诺( 1796-1832 )就是热学的创始人之一。这个历史也映衬了另一个事实:热学是个与应用密切相关的学科,也正因为如此,工程师们才会“近水楼台先得月”地研究它、创造它。其实,就是当今,物理学家们对热学的关注度还远远不够,例如今天中国高校物理系里几乎没有传热学这个方向。那么,传热学这个方向在哪些院系呢?在 机械与能源工程学院 等与工科相关的学院。为什么?因为今天的传热学更多的研究是关心与应用直接相关的问题,而不是基础问题——要知道,物理系的研究多是关注基础问题,这是由物理学本身的特点决定的,因为物理学是自然科学的基础。 当初热学诞生之后,物理学家们才恍然发现,这里其实还是有很多基础问题有待解决的。于是玻尔兹曼 (1844-1906) 等物理学家横空出世,在热学的基础上,创立了统计力学。如今的统计力学已经成为物理学家们开展与其他学科(含经济金融等社会学科)交叉研究的有力武器。这固然很好,然而有点令今天的物理学家们尴尬的是,玻尔兹曼等物理学大牛们创立了统计力学之后,物理学家们在热学方面的研究固然取得重要的突破进展(例如:完善了热力学定律等),但是,这些突破进展都是几十年前取得的,今天的物理学家对热学发展鲜有突破进展。当然,我这里说“鲜有突破进展”的意思并非完全没有,事实上,今天物理学家对热学的突破贡献通常体现在与其它学科的交叉方面,例如与材料学的交叉研究。下面举例介绍相关进展。 随着电子器件的不断小型化,散热问题自然也就成为制约器件小型化的瓶颈。所以,如何在纳米尺度提高散热效率自然变成了一个很受关注的基础问题。诸如此类的问题,物理学家们最近十几年已经从机制上取得重要突破,例如:透彻研究纳米尺度的反常热输运机理、并基于其实现单方向导热等类似电子二极管现象的纳米热学二极管、等等 。显然,这些是非常可喜的事情。 但是,让我们回顾一下热学诞生的当年:在那个年代,卡诺等人关注的是宏观层面的传热现象。为什么呢?因为宏观传热与人类生活息息相关。当今的物理学家基于先进的理论工具和实验手段自然可以在纳米尺度的传热方面取得突破进展,那么,这里也就可以提一个问题了:在宏观尺度,物理学家们还能不能有新的突破呢? 答案无疑是肯定的——“能”! 首先让我们假想一个非常简单的场景(这里仅仅是假想,既然是假想,那么,我在表述时就可以忽略很多因素——例如热损耗,而仅仅保留我最想介绍的内容):有一束热流在均匀铜片(或其它任何均匀材料)中流动,按照我们的日常经验,想象得出来,铜片内的热流会沿直线传播 ,这时,我们假设热流和铜片都突然被“冻结”在一起,然后,我们扭曲或挤压一下铜片(假设铜片允许我们任意扭曲、挤压),可以想象,这时热流在铜片里面也得相应地被扭曲、不再沿直线传播了 ;此时热流的非直线传播现象并不影响我们继续使用描述宏观传热的热传导方程,只是此时铜片不再均匀,其材料性质(例如用于描述热传导的热导率)发生了变化而已。换言之,如果下次我们直接让同样的一束热流以同样的角度流进这个扭曲或挤压之后的铜片,这束热流的路径必然与先前的非直线路径一致。这个现象看起来有点显然,然而其中却蕴含一个科学原理,它就是“热传导方程的形式不变性”,即:热传导方程既适用于扭曲或挤压之前的均匀空间 ,也适用于扭曲或挤压之后的非均匀空间 。这个原理给物理学家的启发就是,人们可以基于这个原理,设计材料的结构,使得热流能够绕过某个特定的区域后,继续传播、并不改变原先的传播方向,从而使得该特定区域内的物体不影响区域外的热流分布——也就是说,这个物体实现热隐身 (thermal cloak) 了(图 2) 。 图 1 : (a) 热流(用带箭头的直线表示)在均匀铜片中直线传播; (b) 该铜片被扭曲或挤压后热流在其中的传播路径。 图 2 :热学隐身衣的温度分布(有限元模拟结果) :箭头代表热流方向;颜色代表温度大小。此图呈现两个特点: (1) 内圈里面温度均匀分布 ;(2) 外圈之外的温度分布不受内外圈之间的材料的影响。这两个特点直接导致,当内圈里面存在一个物体时,外圈外面的观察者将无法通过探测外圈外面的温度分布而测得内圈里面的物体,所以,把内外圈之间的材料叫做热隐身衣。 这个“热隐身”是个全新的物理概念,它是 2008 年提出的理论预言 。自 2012 年起,很多实验验证了这个热隐身的理论预言。例如:在文献 中,有研究人员实验制备了一种多层结构,用于实现热隐身。后来,有学者进一步简化,他们实验上用双层结构就能实现这样的热隐身效果了 。 之前的这些热隐身衣固然能够去除器件内部物体对外部温度场的干扰,从而达到热隐身效果,但是,这些隐身衣并不具有开关功能,从实用性角度看,还有缺陷。为此,最近有研究人员提出一个新理论,该理论可以用于设计能够自动开启或关闭的热隐身衣:当环境温度上升到某个阈值之后,A型隐身衣将关闭隐身效果,而B型隐身衣则会开启隐身功能。并且,此过程完全是材料自发完成的,不需要提供额外的能量。利用A、B型隐身衣可以实现宏观热流二极管: 与电子二极管对电流的单向整流作用类似,这种热流二极管只允许热流单方向通过;他们的实验也成功显示了这样的整流效果(图3)。该器件有望成为热计算的基础元件,例如,通过其与传统电子计算机的杂化,人们未来也许能够使用计算产生的废热进行二次计算从而提高能源的利用率并提高运算效率。无疑,这是一个值得期待的美好愿景。 图 3 :宏观热流二极管: (a,b) 示意图; (c,d) 实验测试结果; (a,c) 热流不能从右向左流; (b,d) 热流能够从左向右流。图中(b,d)入选PRL封面,即: 以上介绍的热隐身新材料,是基于热传导方程的形式不变性理论由人工设计并实验实现的。由于这类材料热学性质是由材料结构(例如尺寸、大小等几何参数)决定的,而非材料本身物理性质决定的,所以,现在的文献也把这类材料叫做热学超构材料 (thermal metamaterial) ,以便彰显结构在其中的关键作用。 事实上,这些热学超构材料除了可以实现热隐身,还可以实现许多新奇性质,例如高效聚集热流、热流反转(即热流表观上从低温流向高温)、热流的任意旋转、热幻像等。其中,热幻像是指通过设计材料结构,使得I物体(例如一个士兵)周围的温度斑图呈现出与II物体(例如一棵树)一样的分布,这样人们在通过红外探测温度斑图时会把物体I(士兵)误以为物体II(树)。 可见,针对这类热学超构材料,除了上面提及的与宏观热流二极管有关的应用之外,还可以有很多实际应用,例如:通过设计热学隐身衣,可以使得人类居室四季如春,不受寒暑交替的影响(“保温”);这种材料还可以用于计算机芯片的高效散热,从而提高计算性能(“散热”);在军工方面也有潜在应用,例如可以用于实现热幻像,以便迷惑敌方的红外检测器(“幻像”)。 热学,今天的物理学家也可以贡献更多,无论是微观,还是宏观! 参考文献 N.Li, J. Ren, L. Wang, G. Zhang, P. Hanggi, and B. Li, Phononics: Manipulating heat flow with electronic analogs and beyond, Reviews of Modern Physics 84, 1045 (2012). C.Z. Fan, Y. Gao, and J.P. Huang, Shaped graded materials with an apparent negative thermal conductivity, Applied Physics Letters 92, 251907 (2008). J.Y. Li, Y. Gao, and J.P. Huang, A bifunctional cloak using transformation media, Journal of Applied Physics 108, 074504 (2010). S.Narayana and Y. Sato, Heat flux manipulation with engineered thermal materials, Physical Review Letters 108, 214303 (2012). T.Han, X. Bai, D. Gao, J. T. L. Thong, B. Li, and C.-W. Qiu, Experimental demonstration of a bilayer thermal cloak, Physical Review Letters 112, 054302 (2014). Y.Li, X. Y. Shen, Z. H. Wu, J. Y. Huang, Y. X. Chen, Y. S. Ni, and J. P. Huang, Temperature-dependent transformation thermotics: From switchable thermal cloaks to macroscopic thermal diodes , Physical Review Letters 115, 195503 (2015). 【 PRL 封面论文】 关键词:热学 热学超构材料 宏观热流二极管 传热 注:本文应邀为上海科学技术出版社的《科学》杂志撰写,标题:从古老的热学研究到年轻的热学超构材料研究。
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大学回忆(四)热学
热度 1 qianlivan 2013-12-26 20:56
事实上,中学时学的那点关于温度、热量和比热的知识算不上是真正的热学。中学时也就是算一下烧水要多少能量。大学时的热学课虽然也讲温度,但是要细致、深入得多。 教科书上温标的定义以及对各种温度计性能的介绍让我比较意外,因为我一直认为温度计里液体的膨胀是线性。而事实上,不同温度范围,膨胀和温度变化的关系是不同的,而且通常不是线性的。一种温度计的制作是在很多研究的基础上完成的。所以看似简单的事情,是有很多东西值得研究的。 而最令我惊奇的还是热力学三定律,尤其是第二定律,这应该是物理学家最不愿意违反的定律( http://blog.sciencenet.cn/blog-117333-490074.html )。但是当时确实无法理解如何协调微观的可逆与宏观的不可逆。关于麦克斯韦妖,当时的教科书上也有一个解释,其中的关键就是为了探测粒子的状态,是需要对粒子施加影响的,而这就改变了系统的热力学状态。 热学课的另一个收获就是认识到了偏导数在物理学中的应用。这比光在高等数学课里看些理论要有意思得多。
个人分类: 总结|2840 次阅读|4 个评论
《热学》这门课程的名称应该改称《热力学》
热度 1 wliming 2012-10-7 12:23
所谓“热学”(thermology),是对热现象的描述,如温度,热平衡,热容量,热传递,物态及物态变化,等等。一些材料类的工科专业可能对这样的纯粹的“热学”比较感兴趣。然而,我们现在的《热学》课程,都以热力学两大定律为主线,从温度,气体动理论,热力学第一定律,热力学第二定律到熵增加原理,完全是热力学的内容。所以,这门课程应该改称《热力学》(thermodynamics)。
个人分类: 物理学|1374 次阅读|6 个评论
《中学物理奥赛辅导:热学·光学·近代物理学(第2版)》崔宏滨
热度 3 ustcpress 2012-6-13 15:01
《中学物理奥赛辅导:热学·光学·近代物理学(第2版)》崔宏滨
出版日期:2018年11月 第2版第10次印刷 字数:890千 出版社:中国科学技术大学出版社 书号(ISBN):978-7-312-04466-3 定价:88.00元 页码:556(16开) 编辑邮箱:edit@ustc.edu.cn 微信号:18130468313 出版社天猫旗舰店: https://zgkxjsdxcbs.tmall.com 本书购买链接: https://weidian.com/item.html?itemID=359950662015097368253wfr=cifr=itemdetail 《热学·光学·近代物理》第2版试读.pdf 【内容简介】 本书是为高中生参加全国中学生物理竞赛而编写的一本辅导教材,内容包括热学、光学、狭义相对论、原子物理及核物理。为了便于学生自学,一方面,对每一部分内容都从实验和理论方面进行了详细的论述;另一方面,列举了大量的习题,并进行了详细的解答,特别是对历年的竞赛题目,都采用与参考答案不同的方法进行了讲解,并对部分试题加以点评。这样做的目的是使读者学有所得,能对光学、热学和近代物理学的基础内容有较全面和正确的认识,使自己已有的物理知识得到进一步深化,从而具备坚实的物理基础,能够处理较复杂的物理问题。本书采用高中阶段的数学知识处理所涉及的问题,例如,对于光的干涉、衍射,用振幅矢量法进行讲解,从而避免了复数和积分的运算;对于波粒二象性的内容,则从相关的实验中总结出相应的结论;等等。本书既便于学生自学,也可供中学教师作为参考资料使用。 【作者简介】 崔宏滨博士, 1982 年考入中国科学技术大学,现任教于中国科学技术大学物理学院,承担“光学与原子物理”“力学与热学”“固体物理学”等核心课程的本科教学工作,是学校重点培养的教学骨干,教学成果显著,曾获中国科学技术大学第六届“困学守望”杰出教学奖、中国科学技术大学校友基金会优秀教学奖、中国科学技术大学华为奖教金。崔宏滨博士在中学物理教学方面造诣颇深,连续十多年为参加物理竞赛的中学生讲授光学、热学和近代物理学。 【第2版与第1版的区别】 ( 1 )篇幅增加 30% ,每章后面增加了习题和解答,供读者巩固提高。 ( 2 )全书做了细致的修订,局部做了微调,尤其第八章“波动光学”几乎重写。 ( 3 )更换责任编辑,对第 1 版及新增内容逐字逐句通读、演算。第 2 版的责任编辑曾责编《中学物理数学方法讲座》《电磁学问题讨论》以及程稼夫《中学奥林匹克竞赛物理讲座(第 2 版)》等畅销书。 【图书特色】 ( 1 )热学、光学和近代物理学方面销量最高的物竞教程,第 1 版 9 次印刷,热销 5 万册; ( 2 )在知识内容上,与程稼夫的《力学篇》《电磁学篇》形成体系; ( 3 )编写风格与程稼夫的《力学篇》《电磁学篇》一脉相承; ( 4 )作者常年为物竞生授课,经验丰富; ( 5 )本书涉及的知识点在奥赛中约占 35% 的比例; ( 6 )采用高中阶段的数学知识处理所涉及的问题。 【图书目录】 第 2 版前言 前言 第 1 章 热现象及其微观机制 1.1 描述热现象的物理参量 1.2 热平衡 1.3 理想气体的状态方程 1.4 分子的热运动 1.5 系统的内能 1.6 热与功 1.7 气体分子运动论基础 1.8 实际气体的状态方程 1.9 热量的测量 1.10 热传递的各种形式 习题 参考答案 第 2 章 物态及物态变化 2.1 固态 2.2 液态 2.3 熔化与凝固 2.4 升华与凝华 2.5 汽化与液化 2.6 三相图 习题 参考答案 第 3 章 准静态过程与热力学第一定律 3.1 准静态热力学过程 3.2 功 3.3 热量 3.4 内能 3.5 热力学第一定律 3.6 热力学第一定律对理想气体的应用 习题 参考答案 第 4 章 热力学循环与热力学第二定律 4.1 循环过程 4.2 热机循环 4.3 制冷机循环 4.4 热过程的不可逆性 4.5 热力学第二定律 4.6 卡诺定理与热力学温标 4.7 熵与熵变 4.8 熵增加原理 (132) 习题 参考答案 第 5 章 几何光学的物理基础 5.1 光线与几何光学的实验定律 5.2 费马原理 5.3 光在平面上的反射 5.4 光在平面上的折射 5.5 变折射率光学 习题 参考答案 第 6 章 透镜与透镜组的成像 6.1 成像的基本概念 6.2 傍轴光线经球面折射成像 6.3 傍轴光线经球面反射成像 6.4 傍轴光线经薄透镜成像 6.5 光具组成像 6.6 焦距的实验测量 6.7 非傍轴光成像 习题 参考答案 第 7 章 光学成像仪器 7.1 眼睛 7.2 目镜 7.3 物镜 7.4 显微镜 7.5 望远镜 7.6 照相机 习题 参考答案 第 8 章 波动光学基础 8.1 光波产生的微观机制 8.2 光波的数学表示 8.3 接收屏上的波函数 8.4 光波的复振幅 8.5 光波的叠加 8.6 光波的叠加方法 8.7 光波叠加的强度 8.8 波包与群速度 8.9 光波的偏振 8.10 利用波片改变光的偏振态 8.11 偏振光的干涉 8.12 光与物质的相互作用 习题 参考答案 第 9 章 光的干涉 9.1 光的干涉装置概述 9.2 杨氏干涉 9.3 两列平面波的干涉 9.4 其他分波前的干涉装置 9.5 薄膜干涉 9.6 分振幅的干涉装置 9.7 光的空间相干性与时间相干性 习题 参考答案 第 10 章 光的衍射 10.1 惠更斯菲涅耳原理 10.2 夫琅禾费单缝和矩孔衍射 10.3 夫琅禾费圆孔衍射 习题 参考答案 第 11 章 狭义相对论 11.1 物理规律与参考系 11.2 光速不变与相对性原理 11.3 洛伦兹变换 11.4 相对论多普勒效应 11.5 相对论力学 习题 参考答案 第 12 章 原子的结构与能级 12.1 汤姆孙的原子模型 12.2 卢瑟福的原子模型 12.3 氢原子的光谱 12.4 玻尔的氢原子模型 12.5 类氢离子的光谱 12.6 弗兰克赫兹实验 习题 参考答案 第 13 章 量子力学初步 13.1 量子论的实验依据 13.2 物质的波粒二象性 13.3 波粒二象性的必然结果——量子态 13.4 不确定关系 13.5 波函数及其统计解释 习题 参考答案 第 14 章 原子核物理概论 14.1 原子核的基本情况 14.2 核力 14.3 放射性核衰变 14.4 核反应 14.5 核裂变 14.6 核聚变 习题 参考答案 参考文献
个人分类: 中学教辅|15812 次阅读|7 个评论
可怕的应试教育
boxcar 2010-8-15 22:26
这两天回了趟老家,按照惯例,给正要升入高三的外甥补了一天多的课(高中物理)。几个问题探讨下来,我已经被雷到了,深感现在一切为了高考的应试教育之可怕。 俺外甥是个在一所省重点高中读书的普通中等生,算是一个比较懂事和听话的乖男孩。老师强调的重点他肯定认真学习,老师说不用学的非重点知识他也不认为自己有责任去学习和掌握,正是因为如此,我才得以在今天,在无意之中发现了现在重点高中教学中存在的 2 个巨大问题: 1、 有些教科书上有的内容严重不被重视,已经被选择掉了。例如,在帮他分析一张物理试卷时,我惊奇地发现他们居然还没有学高中物理的热学部分的知识,不知道理想气体状态方程的有关知识和公式。据他说热学相关的这部分内容是要被放弃掉的,目前还没学,高三即使学也不会作为重点去学,因为高考题有一部分是可以选作的,可以不选热学题来做。事实上,如果高中物理的力学、电磁学、振动与波动、光学、近现代物理和热学等几部分内容当中的任何一部分没有学到,或许在参加高考时可以通过不选择这部分题目而成功地规避麻烦,到了大学阶段他们在学习大学物理时将在一个非常可怜的低起点上开始,这将对其物理基础课的学习非常不利,可能根本无法在有限的时间里掌握好相关的知识,甚至会进一步影响更多的理工科专业课的学习。 2、 高中 2 年之中,居然还没自己动手做过物理实验和化学实验。按理说,他就读的高中已经是在俺们省内有点儿名气的省重点了,校舍很宽敞气派(早上我恰好和老爸去那里转了一圈,顺便拍了一下该校的高考光荣榜),不但有到位的政府教育经费投入,更有招学生时收取的名目繁多的巨额费用,还有像田家炳这样热衷教育事业的富翁的捐助,肯定早已经不差钱了,相信有足够的钱可以用来采买并不昂贵的物理教学实验仪器。但是,虽然有这样好的条件,他们这些高中生并没有开设多少像样的实验课,由学生自己动手去做物理实验和化学实验,而仅仅是在课堂上看到过老师做演示实验。这样一来,在做与实验有关的试题时,他们只能靠自己的想象力去构想实验装置时什么样子,却没法利用自己亲自动手实验所取得的感性认识做出一些最基本的判断,更不要说去自己设计实验了。之所以出现这样的现象,原因仍然是高考不可能考动手的实验,考卷上可能出现的各种实验类的题目都可以靠平时大量做题来应对,于是学校就几乎放弃了实验课教学,专攻理论课的学习。这种偏执的做法后果是什么,大家可想而知。如果学生在中学阶段没有做过像样的实验,他们的动手能力和实践经验会从何而来?又哪里会有对自然问题探索和研究的兴趣?此种模式下培养出来的大多数学生,在将来还能有多强大的科学与技术创新能力? 一部分知识点不讲或少讲,该安排的实验课却不安排,理由是这些东西在高考当中不重要,这种现象说到底都是在应试教育大环境下采取的偷工减料策略。应试教育已经把学生搞到只关心分数,却不关心知识的完整性和知识的长期应用价值;还让老师的教学目的仅为了让学生们能顺利地应对高考这一张卷子,真是太可怕了!
个人分类: 教育|5895 次阅读|24 个评论
Emerald《国际热学与流体流数值方法杂志》发文统计与投稿指南
wanyuehua 2010-7-30 11:41
Emerald《国际热学与流体流数值方法杂志》发文统计与投稿指南
万跃华 International Journal of Numerical Methods for Heat Fluid Flow 《国际热学与流体流数值方法杂志》英国 ISSN: 0961-5539,1992年创刊,全年8期,英国Emerald出版社(EMERALD GROUP PUBLISHING LIMITED, HOWARD HOUSE, WAGON LANE, BINGLEY, ENGLAND, W YORKSHIRE, BD16 1WA)出版, SCI 、 EI 收录期刊, 1995 年入选 Web of Science 的 Science Citation Index Expanded ,目前在SCI数据库可以检索到该期刊1995年的第5卷到2010年的第20卷第2期共754篇论文。 该刊 SCI 2005 年影响因子 0.436 , 2006 年影响因子 0.478 , 2007 年影响因子 0.304 , 2008 年影响因子 0.685 , 2009 年影响因子 0.790, 2009 年 5 年期影响因子 0.970 。 2009 年 JCR 机械工程学科排名 82 位( 123 种),热力学学科排名 32 位( 49 种) 该刊是 EI 收录期刊, EI 从 1993 年开始收录, EI 共收录了该刊 1993-2010 年 995 篇论文。 EI 2009 年收录 52 篇。 SCI收录该刊的754篇文章包括学术论文699篇、会议论文29篇、社论22篇、更正4篇等。 754 篇文章的作者涉及62个国家与地区,主要国家分布:美国123篇(16.3130 %)、英格兰64篇(8.4881 %)、印度61篇(8.0902 %)、加拿大46篇(6.1008 %)、法国43篇(5.7029 %)、威尔士40篇(5.3050 %)、意大利37篇(4.9072 %)、中国台湾地区29篇(3.8462 %)、伊朗27篇(3.5809 %)、沙特阿拉伯26篇(3.4483 %)、 中国 23 篇( 3.0504 % ) 、新加坡23篇(3.0504 %)、日本21篇(2.7851 %)、德国18篇(2.3873 %)等。 中国学者以通讯作者单位在《国际热学与流体流数值方法杂志》( International Journal of Numerical Methods for Heat Fluid Flow )期刊上发表论文的主要单位有西安交通大学(Xian Jiaotong Univ)4篇、北京工业大学(Beijing Univ Technol or Beijing Polytech Univ)2篇、大连理工大学(Dalian Univ Technol)1篇、昆明理工大学(Kunming Univ Sci Technol)1篇、中国科技大学(Univ Sci Technol China)1篇、哈尔滨工业大学(Harbin Inst Technol)1篇、华东理工大学(E China Univ Sci Technol)1篇、清华大学(Tsing Hua Univ)1篇、香港中文大学(Chinese Univ Hong Kong)1篇、中山大学(Zhongshan Univ)1篇、中国科学院(Chinese Acad Sci)1篇、上海 铁道大学 (Shanghai Tiedao Univ)1篇、嘉兴学院(Jiangsu Univ)1篇。 754 篇文章的作者单位涉及555个研究机构,在该刊发表论文最多的研究机构为威尔士斯旺西大学(UNIV COLL SWANSEA)26篇(3.4483 %)、印度理工学院(INDIAN INST TECHNOL)22篇(2.9178 %)、沙特法赫德国王石油矿产大学(KING FAHD UNIV PETR MINERALS)18 篇(2.3873 %)、新加坡国立大学(NATL UNIV SINGAPORE)18篇(2.3873 %)、美国克利夫兰州立大学(CLEVELAND STATE UNIV)16篇(2.1220 %)、约旦科技大学(JORDAN UNIV SCI TECHNOL)12篇(1.5915 %)、科威特大学(KUWAIT UNIV)10篇(1.3263 %)、加拿大谢布克大学(UNIV SHERBROOKE)10篇(1.3263 %)等。 754 篇文章涉及1294个作者,其中 发文最多的作者为美国克利夫兰州立大学的 Gorla RSR 15 篇。 754 篇文章共被引用2817次(其中2006年被引用236次、2007年被引用268次、2008年被引用350次,2009年被引用553次,2010年被引用233次),平均引用3.74次,年均引用次数176.06,H指数为17(有17篇文章每篇最少被引用17次)。 中国学者23篇文章共被引用77次,平均引用3.35次,年均引用次数5.50,H指数为6。 中国台湾地区学者29篇文章共被引用88次,平均引用3.03次,年均引用次数5.50,H指数为5。 美国学者123篇文章共被引用520次,平均引用4.23次,年均引用次数32.50,H指数为11。 统计该刊1993-2010年826篇文章的参考文献发现,826篇文章共引用了24621篇参考文献,其中下面刊物被该刊引用最多International Journal of Heat and Mass Transfer(835)篇、Journal of Fluid Mechanics(452)篇、Journal of Heat Transfer(342)篇、Journal of Computational Physics(303)篇、International Journal for Numerical Methods in Fluids(262)篇、International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow(235)篇(自引)、Numerical Heat Transfer Part A Applications(186)篇、AIAA Journal(185)篇、Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering(182)篇、International Journal for Numerical Methods in Engineering(180)篇、Physics of Fluids(137)篇、International Journal of Heat and Fluid Flow(135)篇。 统计该刊1993-2010年826篇文章的被引情况发现,826篇文章共被2900篇文献他引,其中下面刊物引用该刊论文最多International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow(183)篇、International Journal of Heat and Mass Transfer(174)篇、Numerical Heat Transfer Part A Applications(116)篇、International Journal for Numerical Methods in Fluids(89)篇、International Journal of Thermal Sciences(60)篇、International Communications in Heat and Mass Transfer(56)篇、International Journal of Heat and Fluid Flow(55)篇、Journal of Computational Physics(55)篇、International Journal for Numerical Methods in Engineering(50)篇、Heat and Mass Transfer Waerme Und Stoffuebertragung(45)篇、Numerical Heat Transfer Part B Fundamentals(42)篇等。 统计该刊1993-2010年826篇文章的关键词发现,826篇文章主要关键词为Heat transfer (326) 篇、Mathematical models (242)篇、Computer simulation (229)篇、Convection (175)篇、Flow (158)篇、Finite element method (156)篇、Numerical analysis (154)篇、Numerical methods (139)篇、Reynolds number (137)篇、Heat convection (127)篇、Natural convection (117)篇、Flow of fluids (113)篇、Finite difference method (112)篇、Laminar flow (110)篇、Algorithms (109) 篇、Boundary conditions (108)篇、Nusselt number (105)篇、Navier Stokes equations (103)篇、Design/methodology/approach (91)篇、Heat flux (91)篇、Viscosity (90)篇、Turbulence (89)篇、Turbulent flow (88)篇、Prandtl number (85)篇、Computational fluid dynamics (83)篇、Problem solving (80)篇、Finite volume method (79)篇、Thermal conductivity (78)篇、Mathematical analysis (77)篇、Porous materials (77)篇、Approximation theory (75)篇、Finite element analysis (74)篇、Fluid flow (72)篇、Fluid dynamics (69)篇、Heat conduction (69)篇、 Heat exchangers (66)篇、Boundary layers (65)篇、Diffusion (62)篇、Simulation (57)篇、Thermal effects (55)篇、Incompressible flow (54)篇、Differential equations (50)篇。 《国际热学与流体流数值方法杂志》( International Journal of Numerical Methods for Heat Fluid Flow )投稿指南: 该刊由威尔士斯旺西大学机械工程系的Roland W Lewis教授担任主编,从工程和环境角度,研究计算机数值技术在解决热与流体流问题中的发展与应用,主要刊登研究论文、会议论文、社论。选题范围包括:生物医学工程、燃烧过程和火势蔓延、传导,自由和强制对流、计算机辅助设计,计算机辅助工程和计算机辅助管理中的数值模拟、复合材料,陶瓷,塑胶等材料中的热传递、创新运算方法的发展及其在热学与流体学中的应用、层流和紊流、低速流,跨音速流及高超音速流、软件的审定,基准和质量保证等。 网址: http://www.emeraldinsight.com/products/journals/journals.htm?id=hff 编委会: http://www.emeraldinsight.com/products/journals/editorial_team.htm?id=hff 作者指南: http://www.emeraldinsight.com/products/journals/author_guidelines.htm?id=hff 在线投稿: http://mc.manuscriptcentral.com/hff 该刊在 SCI 数据库被引最多的 10 篇论文: 1.标题: THE NIRVANA SCHEME APPLIED TO ONE-DIMENSIONAL ADVECTION 作者: LEONARD BP, LOCK AP, MACVEAN MK 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 5 期: 4 页: 341-377 出版年: MAY 1995 被引频次: 46 2.标题: Analysis and optimization of the thermal performance of microchannel heat sinks 作者: Liu D, Garimella SV 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 15 期: 1 页: 7-26 出版年: 2005 被引频次: 37 3.标题: A LOCALLY MODIFIED 2ND-ORDER UPWIND SCHEME FOR CONVECTION TERMS DISCRETIZATION 作者: PAPADAKIS G, BERGELES G 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 5 期: 1 页: 49-62 出版年: JAN 1995 被引频次: 34 4.标题: Natural convection in enclosures with localized heating from below and symmetrical cooling from sides 作者: Aydin O, Yang WJ 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 10 期: 5-6 页: 518-529 出版年: 2000 被引频次: 32 5.标题: Heat transfer enhancement in turbulent tube flow using Al2O3 nanoparticle suspension 作者: Maiga SE, Nguyen CT, Galanis N, et al. 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 16 期: 2-3 页: 275-292 出版年: 2006 被引频次: 29 6.标题: Characteristic-based-split (CBS) algorithm for incompressible flow problems with heat transfer 作者: Massarotti N, Nithiarasu P, Zienkiewicz OC 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 8 期: 8 页: 969-+ 出版年: 1998 被引频次: 29 7.标题: Radiation effects on mhd free convection flow of a gas past a semi-infinite vertical plate 作者: Takhar HS, Gorla RSR, Soundalgekar VM 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 6 期: 2 页: 77-83 出版年: MAR 1996 被引频次: 29 8.标题: NUMERICAL EXPERIMENTS IN TURBULENT NATURAL AND MIXED CONVECTION IN INTERNAL FLOWS 作者: PEREZSEGARRA CD, OLIVA A, COSTA M, et al. 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 5 期: 1 页: 13-33 出版年: JAN 1995 被引频次: 29 9.标题: BEM/FVM conjugate heat transfer analysis of a three-dimensional film cooled turbine blade 作者: Kassab A, Divo E, Heidmann J, et al. 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 13 期: 5-6 页: 581-610 出版年: 2003 被引频次: 25 10.标题: Numerical study of laminar natural convection in tilted enclosure with transverse magnetic field 作者: Al-Najem NM, Khanafer KM, El-Refaee MM 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 8 期: 5-6 页: 651-+ 出版年: 1998 被引频次: 24 中国学者为通讯作者在该刊发表论文被引最多的 5 篇论文 : 1.标题: Molecular dynamics simulation of micro-Poiseuille flow the liquid argon in nanoscale 作者: Xu JL, Zhou ZQ, Xu XD 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 14 期: 5-6 页: 664-688 出版年: 2004 被引频次: 8 Xu, JL (通讯作者), Chinese Acad Sci, Guangzhou Inst Energy Convers, Guangzhou, Peoples R China 2.标题: Numerical analysis on heat transfer and fluid flow for arrays of non-uniform plate length aligned at angles to the flow direction 作者: Wang LB, Tao WQ 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 7 期: 5-6 页: 479- 出版年: 1997 被引频次: 8 Wang, LB (通讯作者), XIAN JIAOTONG UNIV, SCH ENERGY POWER ENGN, XIAN 710049, SHAANXI PEOPLES R CHINA 3.标题: Numerical simulation of two-dimensional laminar mixed-convection in a lid-driven cavity using the mixed finite element consistent splitting scheme 作者: Wong JCF 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 17 期: 1 页: 46-93 出版年: 2007 被引频次: 6 Wong, JCF (通讯作者), Chinese Univ Hong Kong, Dept Math, Hong Kong, Peoples R China 4.标题: Numerical study of periodically turbulent flow and heat transfer in a channel with transverse fin arrays 作者: Yuan ZX 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 10 期: 8 页: 842-861 出版年: 2000 被引频次: 6 Yuan, ZX (通讯作者), Beijing Polytech Univ, Coll Environm Energy Engn, Beijing 100022, Peoples R China 5.标题: Numerical simulation of unsteady flow in natural and thermosolutal convection using boundary-fitted coordinate system 作者: Zhan JM, Li YS 来源出版物: INTERNATIONAL JOURNAL OF NUMERICAL METHODS FOR HEAT FLUID FLOW 卷: 13 期: 8 页: 1031-1056 出版年: 2003 被引频次: 5 Zhan, JM (通讯作者), Zhongshan Univ, Dept Appl Mech Engn, Guangzhou, Peoples R China 《国际热学与流体流数值方法杂志》(International Journal of Numerical Methods for Heat Fluid Flow)每年出版地文献数 《国际热学与流体流数值方法杂志》(International Journal of Numerical Methods for Heat Fluid Flow)每年的引文
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计算熵变三部曲
wliming 2009-11-19 17:37
搞不懂热学的人很多,反对熵的人也有。我曾经看过一本书,好像是北京工业大学的一位生态学博士写的,书名是《熵和无序:两大科学谬误》。现在又出了个张树风反熵变。我觉得这些人都没搞懂熵。这也不奇怪,教这门课之前我也跟他们一样。做教师就有这个好处,可以把一些物理概念扣死,而不会一知半解。 我在这里重申:熵变完全由初态末态的状态参量确定。 我们计算熵变有个三部曲:1. 根据实际的过程确定初态和末态; 2. 在初态和末态之间假设一个可逆过程; 3. 沿着假设的可逆过程做积分 . 三部曲的说明: 积分中的dQ 是假设的可逆过程的吸热,而不是真实过程的吸热(因为真实过程不可逆)。 只要你遵守我这个三部曲,你就对熵变有了准确的把握。否则,你就随便玩,玩走了火怨不得我。
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[原创]物质运动与能量辐射—光子尺寸计算
热度 1 lixie6110532 2008-6-29 09:57
物质运动与能量辐射光子尺寸计算 成都飞机设计研究所 李 燮 宇宙中存在着物质,一切物质都在永恒地运动,运动的物质又在不断地辐射能量。物质、运动、能量辐射隐含着千变万化、玄妙莫测的宇宙机理。 在物质宇宙中,任何物质实体在任何温度下都在发射各种波长的光子波(电磁波连续波谱)。由于物质宇宙中任何物质实体的尺度比起浩瀚无边的空间尺度来说都是可以忽略不计的,因此物质宇宙中的辐射能可以处理成在绝对真空中传播。按照两重宇宙大循环原理,真空中传播的光子全部都属于光子宇宙,光子所具有的能量不属于物质宇宙。那么假如物质宇宙的辐射总功率为 N ,就意味着单位时间内物质宇宙失去能量 N 。按照能量守恒定律,失去的能量必然以能量- N 的形式作用于物质宇宙。比照现代物理学的动量守恒定律,我研究发现其作用规律就是:物质宇宙的辐射总功率等于辐射体的绝对运动总动量。或者说任何物体的辐射功率等于该物体的绝对运动动量。这条规律本文称为宇宙动量定律,它揭示出能量辐射是物质运动的真正动力。 这里所说的绝对运动是指辐射体相对于引力子坐标系的运动,关于绝对速度的论述请见后续论文。 按照本文的宇宙动量定律,物质绝对运动速度加快,其辐射功率必然加大;物质绝对运动速度减慢,其辐射功率必然减小;物质绝对运动速度保持匀速,其辐射功率必然保持恒定。反之亦然,物质辐射功率加大,其绝对运动速度必然加快;物质辐射功率减小,其绝对运动速度必然减慢;物质辐射功率保持恒定,其绝对运动速度必然保持匀速。 宇宙动量定律如何以数学形式表达呢?假设辐射体的辐射功率为 N ,质量为 M ,相对于引力子坐标系的绝对运动速度为 V ,那么宇宙动量定律的数学表达式为 N = M V 又假设辐射体的法向辐射面积为 S ,辐射强度在 S 上均匀分布,按照描述黑体辐射的斯忒蕃玻尔兹曼定律,辐射体的辐射功率为 N = S T 4 即 M V = S T 4 式中,是斯忒蕃恒量,= 5.71 10 - 8 瓦 / (米 2 开 4 ) T 是绝对温度值,代表辐射体的表面温度,单位:开 M 是辐射体的质量,单位:千克 V 是辐射体的绝对运动速度,单位:米 / 秒 单位统一后得 M V = S T 4 /g ------------ (1) 式中, g 是重力加速度,地球上 g = 9.8 米 / 秒 2 。再把描述黑体辐射的维恩位移定律 m T = b 代入( 1 )式,得 M V = S b 4 /( g m 4 ) ------------ (2) 式中, b = 2.897 10 - 3 米开 m 是辐射体最大单色发射本领所对应的波长,单位:米 式( 1 )、( 2 )揭示出引力子坐标系中辐射体的绝对运动与能量辐射之间的内在关系,本文称为物质运动方程。物质运动方程对于物质宇宙中大到任何天体、小到任何粒子都是适用的。 下面就运用物质运动方程,对光波进行计算。同时也是检验物质运动方程是否正确。 光波的速度是物质宇宙的极限速度,而且永恒不变。按照本文的宇宙动量定律,光子是物质宇宙中唯一的恒定功率辐射体,本文称为理想辐射体。 对于波长为的光波来说,方程( 2 )中的速度 V = C (也只有光速是可以确定的绝对运动速度),峰值波长 m =,假设光子的质量为 M ,即得光子的运动方程为 M C = S b 4 /( g 4 ) 式中, C 是真空中的光速, C = 3 10 8 米 / 秒。 根据爱因斯坦的光量子理论,光子的动量与其波长之间的关系为 M C = h/ 式中, h 为普朗克恒量, h = 6.626 10 - 34 焦耳秒。 再假设光子是半径为 R 米,质量密度为千克 / 米 3 的球体,求解上述两式,并代入所有常数项,计算得 M = 2.21 10 - 42 - 1 ---------- (3) R = 1.134 10 - 8 3/2 ---------- (4) = 3.64 10 - 19 - 11/2 --------- (5) 式( 3 )、( 4 )、( 5 )即是光子质量、半径和质量密度三项物理参数的计算公式。 式( 3 )源于爱因斯坦的光子理论,其正确性不用怀疑,式( 4 )、( 5 )的正确性如何呢?只能通过进一步计算后再作分析。 我们知道,可见光的波长为 4000 埃到 7000 埃,根据公式( 3 )、( 4 )、( 5 )计算后,得出可见光的三项物理参数取值范围是 M =( 2.908 ~ 5.525 ) 10 - 36 (千克) R =( 2.869 ~ 7.513 ) 10 - 18 (米) =( 0.165 ~ 5.620 ) 10 16 (千克 / 米 3 ) 计算结果表明,单个可见光的质量很小很小,量级是 10 - 33 克,光子半径也很小很小,量级是10 - 3 飞米;可质量密度却大的惊人,达到每立方厘米几千万吨的量级。 光子这样的几何尺寸和质量密度计算结果是否正确呢?虽然人类目前还不能测量光子的几何尺寸和质量密度,但是只要将光子的几何尺寸和质量密度计算结果与氢原子的对应参数进行比较分析,不难发现,尽管光子的质量密度大得惊人,却只有氢原子核质量密度的百分之一。也就是说,光子打在氢原子核上,相当于松软的棉花打在铅球上,这个比较结果正好解决了我的疑问如果光子的质量密度太大,原子、分子及其构成的整个物质宇宙势必被光子砸得粉碎。正是由于光子的质量密度只有氢原子核质量密度的百分之一,才使得物质宇宙不至于遭到极速光子的破坏。因此,客观存在的物质宇宙,就是光子的质量密度计算结果正确的定性佐证。光子物理参数计算结果的正确性又间接佐证物质运动方程的正确性。 业余研究,水平有限,本着百花齐放,百家争鸣的原则,不管两重宇宙大循环的宇宙模型是对是错,我都恭敬地欢迎各位老师指教,恭敬地期待各位老师点评。 成都飞机设计研究所 李 燮 1998 年 7 月 26 日 第 3 稿 2008 年 6 月 29 日 第 4 稿
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