基本信息
内容简介
电子工业、生物科技、航空工业和能源工业等领域开发出的材料、设备的特征尺寸越来越小，步入纳米级，主导其运行的物理原理正发生着巨大的变化。本书旨在对基本热载流子，包括电子、声子、光子和分子的能量输运过程，建立统一的微观表述，主要内容包括： 基于量子力学和统计力学的能量载流子的能态； 用波和粒子的概念来分析热能传递； 基于玻尔兹曼方程的粒子能量输运，并通过玻尔兹曼方程推导适用于宏观状态的经典定律； 经典尺寸效应； 不同能量载流子间的能量输运； 液体及其界面； 分子动力学模拟等。
本书可作为本科和研究生的教材，同时也可为研究者提供参考。让读者不但能够解决在纳米尺度的热传递及能量转化问题，同时能够与其他领域的工程师及专家一起解决他们所遇到的问题，共同迎接未来对跨学科理论知识要求的挑战。
目录
第1章绪论
1.1小尺度大作为
1.2温度和热量的经典定义
1.3宏观传热理论
1.3.1热传导
1.3.2热对流
1.3.3热辐射
1.3.4能量平衡
1.3.5局部平衡
1.3.6宏观理论下的缩放趋势
1.4热载流子及其输运的微观描述
1.4.1热载流子
1.4.2热载流子的容许能级
1.4.3能量载流子的统计分布
1.4.4简单动理学理论
1.4.5平均自由程
1.5微纳尺度输运现象
1.5.1经典尺寸效应
1.5.2量子尺寸效应
1.5.3快速输运现象
1.1小尺度大作为
1.2温度和热量的经典定义
1.3宏观传热理论
1.3.1热传导
1.3.2热对流
1.3.3热辐射
1.3.4能量平衡
1.3.5局部平衡
1.3.6宏观理论下的缩放趋势
1.4热载流子及其输运的微观描述
1.4.1热载流子
1.4.2热载流子的容许能级
1.4.3能量载流子的统计分布
1.4.4简单动理学理论
1.4.5平均自由程
1.5微纳尺度输运现象
1.5.1经典尺寸效应
1.5.2量子尺寸效应
1.5.3快速输运现象
前言
本书旨在提供热能输运以及从纳米连续变化到宏观尺度的能量转换过程的微观图像。能量转换和输运过程在自然界、工程装置及系统中无所不在。热传递的宏观描述以一些唯象定律为基础，例如热传导的傅里叶定律，剪切应力的牛顿定律和对流冷却的牛顿定律，以及热辐射的斯特藩玻尔兹曼定律。将这些定律与热力学第一定律及第二定律相结合，可以得到决定一个系统的能量转换效率、传热速率及温度场的方程。传统的工程方法很少关注控制宏观能量转换和热量传递现象的微观过程。如果说这种传统的工程方法在过去可以满足大部分技术应用的需要，那么，随着技术的不断发展和新兴技术的出现，尤其是纳米技术、能量直接转换技术、生物技术、微电子学及光子学技术，传统的工程方法显得越来越难以满足需要。
热量传递及能量转换的基本原理包含在多种不同学科的不同专题中，例如量子力学、固体物理、统计力学、动理学及电动力学等。与本书内容最接近的是那些包含动理学理论的著作，它们主要考察的对象是气体。然而，新兴技术需要了解通过其他能量载流子的能量传递： 电子、声子、光子和液体分子。我所面临的艰巨任务是把各方面的内容融入到一本书中，并让学生和研究者都能读懂。只要合适，我在本书中对这些能量载流子采用一种统一处理的方式。
采用这种统一处理方法有如下几种目的。首先，从教学角度上来讲，有些读者可能对某种载流子的能量输运过程较熟悉，他可以通过类比的方法明白其他能量载流子的输运过程。例如，机械工程师可能对通过光子的辐射热传递、通过气体分子的热传导，以及声波传播较为熟悉，而具有物理或电气工程背景的读者可能对电子和电磁波更为熟悉。在本书的撰写过程中，我假定大多数读者只是修了大学物理，而没有广泛地接触现代物理学，因为这是典型机械工程学科课程设置的形式。因此，那些已经学习过量子力学和固态物理学的读者更容易读懂本书的内容。其次，统一处理方法反映了我的理念，即让学生针对他们未来交叉学科工作环境的特点而接受交叉学科的培训。通过统一处理方法，读者可以了解到，各种不同的能量载流子具有相同的理论背景，并且常常用相同的公式来描述。同时可以向读者揭示，关于热传导的傅里叶定律、牛顿剪切应力定律、关于电流流动的欧姆定律都可以从玻尔兹曼方程中导出，并且纳米尺度的热传导与宏观尺度的热辐射具有相似性。通过这些例子及本书中很多其他的例子，我希望读者可以意识到，学科间的界线是很容易跨越的。传统学科在20世纪已经被广泛地研究，相较而言在不同学科之间的交叉领域则有更为广阔的发明创新的空间。纳米技术只是一个不同学科交叉的例子。事实上，并没有单一的纳米技术，而是有很多潜在的以纳米为基础的技术等待着读者去发明和发展。
编写本书的一个目的是作为本科毕业班或研究生层次的关于纳米尺度热传递和能量转换的教科书； 另一个目的是为研究者、专家以及初学者提供一本参考书。本书中的内容及详细的数学描述力求在广度与深度、教学与研究的矛盾要求中寻找一个相对平衡。我尽力让具有机械工程背景的读者能够全面掌握书中的推导过程，并能将本书作为他们研究的出发点； 但对于研究者而言，需要通过查找原始文献和其他参考书目，以获取更为详细的信息。本书中所引用的文献主要为原始论文，但由于本书所讨论的内容涉及面非常广泛，参考文献不可能包含所有纳米和微尺度传热领域的文献。本书内容的选择主要受作者本人的学习和研究经历的影响。
由于本书涵盖的内容比较广泛，对读者的一大挑战就是包含了不同学科的术语。这有时确实令人生畏。我已经在加州大学洛杉矶分校及麻省理工学院教授了本书的部分内容，包括研究生、本科毕业班学生，甚至一些大三的学生，他们大多数有机械工程背景。学生的反馈是非常积极正面的，但显然也让一部分同学感觉很吃力。我的看法是： 没有付出，就没有回报。需要学习的东西很多，但回报也将是巨大的。在阅读过程中，除了阅读纳米尺度传热的文章外，我建议学生要经常浏览最新的学术期刊如Sicence、Nature、Applied Physics Letters，以及关于纳米技术的最新期刊，希望同学们可以从开始懂得论文中所讨论的内容中获得乐趣。当然，真正的乐趣来自于你将从书中所学的知识应用到自己的工作实际中，我很乐意与读者分享这种喜悦，包括对本书的批评。
Gang Chen（陈刚）
Carlisle, Massachusetts
热量传递及能量转换的基本原理包含在多种不同学科的不同专题中，例如量子力学、固体物理、统计力学、动理学及电动力学等。与本书内容最接近的是那些包含动理学理论的著作，它们主要考察的对象是气体。然而，新兴技术需要了解通过其他能量载流子的能量传递： 电子、声子、光子和液体分子。我所面临的艰巨任务是把各方面的内容融入到一本书中，并让学生和研究者都能读懂。只要合适，我在本书中对这些能量载流子采用一种统一处理的方式。
采用这种统一处理方法有如下几种目的。首先，从教学角度上来讲，有些读者可能对某种载流子的能量输运过程较熟悉，他可以通过类比的方法明白其他能量载流子的输运过程。例如，机械工程师可能对通过光子的辐射热传递、通过气体分子的热传导，以及声波传播较为熟悉，而具有物理或电气工程背景的读者可能对电子和电磁波更为熟悉。在本书的撰写过程中，我假定大多数读者只是修了大学物理，而没有广泛地接触现代物理学，因为这是典型机械工程学科课程设置的形式。因此，那些已经学习过量子力学和固态物理学的读者更容易读懂本书的内容。其次，统一处理方法反映了我的理念，即让学生针对他们未来交叉学科工作环境的特点而接受交叉学科的培训。通过统一处理方法，读者可以了解到，各种不同的能量载流子具有相同的理论背景，并且常常用相同的公式来描述。同时可以向读者揭示，关于热传导的傅里叶定律、牛顿剪切应力定律、关于电流流动的欧姆定律都可以从玻尔兹曼方程中导出，并且纳米尺度的热传导与宏观尺度的热辐射具有相似性。通过这些例子及本书中很多其他的例子，我希望读者可以意识到，学科间的界线是很容易跨越的。传统学科在20世纪已经被广泛地研究，相较而言在不同学科之间的交叉领域则有更为广阔的发明创新的空间。纳米技术只是一个不同学科交叉的例子。事实上，并没有单一的纳米技术，而是有很多潜在的以纳米为基础的技术等待着读者去发明和发展。
编写本书的一个目的是作为本科毕业班或研究生层次的关于纳米尺度热传递和能量转换的教科书； 另一个目的是为研究者、专家以及初学者提供一本参考书。本书中的内容及详细的数学描述力求在广度与深度、教学与研究的矛盾要求中寻找一个相对平衡。我尽力让具有机械工程背景的读者能够全面掌握书中的推导过程，并能将本书作为他们研究的出发点； 但对于研究者而言，需要通过查找原始文献和其他参考书目，以获取更为详细的信息。本书中所引用的文献主要为原始论文，但由于本书所讨论的内容涉及面非常广泛，参考文献不可能包含所有纳米和微尺度传热领域的文献。本书内容的选择主要受作者本人的学习和研究经历的影响。
由于本书涵盖的内容比较广泛，对读者的一大挑战就是包含了不同学科的术语。这有时确实令人生畏。我已经在加州大学洛杉矶分校及麻省理工学院教授了本书的部分内容，包括研究生、本科毕业班学生，甚至一些大三的学生，他们大多数有机械工程背景。学生的反馈是非常积极正面的，但显然也让一部分同学感觉很吃力。我的看法是： 没有付出，就没有回报。需要学习的东西很多，但回报也将是巨大的。在阅读过程中，除了阅读纳米尺度传热的文章外，我建议学生要经常浏览最新的学术期刊如Sicence、Nature、Applied Physics Letters，以及关于纳米技术的最新期刊，希望同学们可以从开始懂得论文中所讨论的内容中获得乐趣。当然，真正的乐趣来自于你将从书中所学的知识应用到自己的工作实际中，我很乐意与读者分享这种喜悦，包括对本书的批评。
Gang Chen（陈刚）
Carlisle, Massachusetts
