微納尺度傳熱

《微納尺度傳熱》是2016年清華大學出版社出版的圖書，作者是Zhuomin M. Zhang(張卓敏)、程強、王志超、張險、周懷春。

基本介紹

• 書名：微納尺度傳熱
• 作者：(美)Zhuomin M. Zhang(張卓敏)、程強、王志超、張險、周懷春
• ISBN：9787302418757
• 定價：68
• 出版社：清華大學出版社
• 出版時間：2016.01.01

內容簡介

《微納尺度傳熱》本書的主要內容包括：巨觀熱力學、傳熱學和流體力學的基礎理論；理想氣體的熱性質及量子力學的簡明介紹；玻耳茲曼輸運方程，從連續流到自由分子流的熱傳遞和微觀流動區域；經典和量子尺寸效應對比熱容和熱導率的影響；固態理論；納米結構中瞬態和非穩態的能量傳輸過程；從電磁波的基本知識及巨觀熱輻射入手，介紹了各種材料的電介質性質以及具有特異性能的超材料；薄膜和多層膜的干涉效應、光子晶體的能帶結構、光柵的衍射、粗糙表面的散射，以及這些現象對於熱輻射的影響；近場能量傳遞中的衰逝波和耦合現象，並總結了納米光子學和納米尺度輻射熱傳遞的最新進展。

本書可作為研究生或高年級本科生教材，也可供相關領域的工程師和研究人員閱讀參考。

作者簡介

張卓敏現任美國喬治亞理工學院教授。從1978年至1985年就讀於中國科學技術大學，於1982年在工程熱物理系(現熱科學和能源工程系)大學畢業獲理學學士學位，之後在葛新石和王義方兩位教授的指導下讀研並於1985年獲工學碩士學位。1989年他被美國麻省理工學院錄取攻博並於1992年在機械工程系獲得博士學位。他的博士後研究是在美國國家標準與技術研究院和馬里蘭大學完成的。從1995年至2002年任教於美國佛羅里達大學。
張卓敏教授是國際知名的微納米尺度傳熱的主要專家之一，美國機械工程師學會資深會員、美國物理學會資深會員及美國科學促進會資深會員，主要從事微納米傳熱學基礎、微納米輻射傳熱、輻射測溫、微納米結構的熱物理特性、超材料等方面的前沿研究。他在以下方面做了開創性的研究： 對摻雜矽及矽鍺在高溫下近場熱輻射，負折射率材料的光子隧道效應，近場熱光伏，表面粗糙度對輻射性能及高溫熱加工中輻射測溫的影響，超材料在近場熱輻射下的套用，利用微納結構來改變熱輻射特性等。他的研究成果對於能量轉換、熱力學測量、光電子、半導體製造等方面的套用具有廣泛的意義。他已發表150餘篇論文，獲得兩項美國專利，著書一本，合編專著一本，另在6部著作中撰寫章節。曾多次主持舉辦國際會議及應邀作會議主題報告，還應邀作過150多次研討和講座報告，以及多達160次的學術報告。
張卓敏教授曾多次榮獲優秀教師和科研成果獎，包括1997年Pi Tau Sigma最佳教師獎，1999年Sigma Xi青年教師科研獎，1999年美國青年科學家和工程師總統獎，2000年美國機械工程師學會傳熱分會最佳論文獎，2005年美國航空航天學會熱物理學最佳論文獎，2010年國際傳熱傳質中心哈奈特歐文獎，2015年美國機械工程師學會傳熱學紀念獎。他的學生曾多次獲得最佳博士、碩士論文獎，學術會議上的最佳海報獎； 並在中國大陸和台灣地區及韓國、美國等著名大學任教。張卓敏教授擔任過美國機械工程師學會《Journal of Heat Transfer》、《Joural of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer》和《International Journal of Thermophysics》的副主編,並任《能源前沿》、《新興材料研究》等雜誌的編委，以及《中國航空學報》(英文版)的國際編委。
張卓敏教授於1962年出生於河南省嵩縣，與妻子王靈運育有兩個女兒和一個兒子，現定居於美國喬治亞州。

前言

這本書已出版八年了，被世界各地許多大學採用作為教材或參考書，我也因此應邀到許多國家和地區做報告、講座，以及講授短期課程，尤其是在中國大陸的許多高校。很多學生和老師常常問起這本書有沒有中文翻譯版，希望用母語閱讀，以有更直觀和更深入的理解。我非常高興這本書被選入“熱輻射經典譯叢”並與其他兩部經典的輻射換熱教材及另一部著名的微納米能量傳遞專著一起被翻譯成中文。我對周懷春教授發起組織並完成了這套書的翻譯表示熱烈的祝賀，也要感謝程強等人為翻譯這本書所付出的辛勤勞動。

在小尺度、短時間條件下，傳統熱分析中的連續性假設及局部平衡方法可能不再適用。理解微小尺度及時間條件下傳熱的機理、掌握微納傳熱的分析方法需要多學科的背景知識，如統計熱力學、量子力學、固態物理學、電磁波理論。正如英文版序中所述，寫這本書的基本理念是以一種相對容易理解的方式把熱能工程和熱物理中的傳統知識與近年來發展起來的理論進行整合，本書附有大量的例題和課後習題。本書的第一個特點就是以讀者為主，每章都儘量採用合乎思維邏輯的、循序漸進的方法導入並展開，儘量把基礎理論解釋清楚，並給出具體的適用條件、計算方法與表達式。本書的另一個特點是在第4章之後每章的最後幾節都用許多近年來發表的文獻來介紹這個領域裡的最新研究結果。雖然已時過8年，微納米傳熱這個領域的研究已有了很大的突破與發展，但本書中所述的基本理論與所引用的參考文獻仍然可以作為了解並進入微納米傳熱領域的出發點。

本書真正的亮點是在第8章之後，因為這部分內容是我與學生這些年研究工作的焦點。近十多年來，微納米尺度下的熱輻射已經在理論及實驗研究方面有了迅速的發展，成為一個跨學科的研究領域。微納米尺度下的熱輻射包括用微、納米結構改變固體和液體的光譜和定向輻射特性以及超近距物體在真空中通過電磁波的近場輻射傳熱。本書的最後三章從電磁波的基本知識及巨觀熱輻射入手，比較全面地講述了各種材料的電介質性質，包括超導材料及具有特異性能的超材料，描述了薄膜和多層膜的干涉效應、光子晶體的能帶結構、光柵的衍射、粗糙表面的散射，以及這些現象對於熱輻射的影響。第10章介紹了近場能量傳遞中的衰逝波和耦合現象，光子隧道效應及其在能源利用中的套用。

我非常願意與讀者交流、一起探討學術問題，希望讀者多提寶貴意見。有興趣的讀者也可以訪問我們納米熱輻射實驗室的網頁。

美國喬治亞理工學院張卓敏

2015年3月

目錄

第1章導論

1.1巨觀公式的局限

1.2長度尺度

1.3從古代哲學到現代技術

1.3.1微電子與信息技術

1.3.2雷射、光電子和納米光子學

1.3.3微加工和納米加工

1.3.4微小結構的探測和控制

1.3.5能量轉換器件

1.3.6生物分子影像學和分子電子學

1.4本書的目的與結構

參考文獻

第2章巨觀熱科學概論

2.1熱力學基礎

2.1.1熱力學第一定律

2.1.2熱力學平衡和第二定律

2.1.3熱力學第三定律

2.2熱力學函式和性質

2.2.1熱力學關係式

2.2.2吉布斯相律

2.2.3比熱容

2.3理想氣體和理想不可壓縮模型

2.3.1理想氣體

2.3.2不可壓縮固體和液體

2.4傳熱基礎

2.4.1熱傳導

2.4.2對流

2.4.3輻射

2.5小結

參考文獻

習題

第3章統計熱力學和量子理論的基本原理

3.1獨立粒子的統計力學

3.1.1巨觀態與微觀態

3.1.2相空間

3.1.3量子力學考慮

3.1.4不同統計方法的平衡分布

3.2熱力學關係式

3.2.1熱量和功

3.2.2熵

3.2.3拉格朗日乘子

3.2.4絕對零度時的熵

3.2.5關於配分函式的巨觀參數

3.3理想分子氣體

3.3.1單原子理想氣體

3.3.2麥克斯韋速度分布

3.3.3雙原子和多原子理想氣體

3.4統計系綜與波動

3.5基本量子力學

3.5.1薛丁格方程

3.5.2勢阱或箱子裡的粒子

3.5.3剛性轉子

3.5.4原子發射和玻爾半徑

3.5.5諧振子

3.6分子或原子的光子發射和吸收

3.7相對論中的能量、質量和動量

3.8小結

參考文獻

習題

第4章動力學理論和微納米流體力學

4.1稀薄氣體的動力學描述

4.1.1局部平均和通量

4.1.2平均自由程

4.2輸運方程與理想氣體性質

4.2.1剪下力和粘度

4.2.2熱擴散

4.2.3質量擴散

4.2.4分子間作用力

4.3玻耳茲曼輸運方程

4.3.1流體動力學方程

4.3.2傅立葉定律和熱導率

4.4微納米流體力學及傳熱

4.4.1克努森數和流動區域

4.4.2速度滑移和溫度跳躍

4.4.3氣體導熱——從連續流到自由分子區

4.5小結

參考文獻

習題

第5章固體的熱物性及尺度效應

5.1固體比熱容

5.1.1固體晶格振動：聲子氣

5.1.2德拜比熱模型

5.1.3金屬中的自由電子氣

5.2比熱容的量子尺寸效應

5.2.1周期性邊界條件

5.2.2晶格比熱容的一般表達式

5.2.3維數

5.2.4含量子阱的薄膜

5.2.5納米晶體和碳納米管

5.3固體的電導率和熱導率

5.3.1電導率

5.3.2金屬的熱導率

5.3.3從BTE推導電導率

5.3.4絕緣體的熱導率

5.4熱電學

5.4.1澤貝克效應和熱電勢

5.4.2佩爾捷效應和湯姆遜效應

5.4.3熱電發電和致冷

5.4.4昂薩格定理和不可逆熱力學

5.5經典尺寸效應對電導率和熱導率以及量子傳導的影響

5.5.1基於幾何因子的經典尺寸效應

5.5.2基於BTE的經典尺寸效應

5.5.3量子傳導

5.6小結

參考文獻

習題

第6章電子與聲子傳輸

6.1霍爾效應

6.2固體的一般分類

6.2.1原子中的電子

6.2.2絕緣體、導體和半導體

6.2.3固體中的原子結合

6.3晶體結構

6.3.1布拉伐格子

6.3.2原始向量與原胞

6.3.3兩個或更多原子的基元

6.4電子能帶結構

6.4.1倒易格子和第一布里淵區

6.4.2布洛赫定理

6.4.3金屬和半導體的能帶結構

6.5聲子色散和散射

6.5.1一維雙原子鏈

6.5.2實際晶體的色散關係

6.5.3聲子散射

6.6電子發射和隧穿

6.6.1光電效應

6.6.2熱電子發射

6.6.3場發射和電子隧穿

6.7半導體器件中的電輸運

6.7.1數密度、遷移率和霍爾效應

6.7.2生成和複合

6.7.3pn結

6.7.4光電套用

6.8小結

參考文獻

習題

第7章納米材料非平衡態的能量傳遞

7.1唯象理論

7.1.1雙曲熱傳導方程

7.1.2雙相滯後模型

7.1.3雙溫度模型

7.2分層結構中的熱傳導

7.2.1聲子輻射傳遞方程

7.2.2EPRT的求解

7.2.3邊界熱阻

7.3熱傳導範疇

7.4小結

參考文獻

習題

第8章熱輻射基礎知識

8.1電磁波

8.1.1麥克斯韋方程組

8.1.2波動方程

8.1.3偏振

8.1.4能量通量和能量密度

8.1.5介電函式

8.1.6傳播波和衰逝波

8.2黑體輻射：光子氣

8.2.1普朗克定律

8.2.2輻射測溫

8.2.3熵和輻射壓強

8.2.4普朗克定律的局限性

8.3半無限大介質的輻射特性

8.3.1平面波的反射和折射

8.3.2發射率

8.3.3雙向反射

8.4介電函式模型

8.4.1KramersKronig色散關係式

8.4.2自由載流子的德魯德模型

8.4.3晶格吸收的洛倫茲振子模型

8.4.4半導體

8.4.5超導體

8.4.6超材料的磁回響

8.5小結

參考文獻

習題

第9章納米材料的輻射特性

9.1單層結構的輻射特性

9.1.1厚層中的射線蹤跡法

9.1.2薄膜

9.1.3部分相干

9.1.4表面散射的影響

9.2多層結構的輻射特性

9.2.1兩層或三層薄膜

9.2.2矩陣方程

9.2.3厚基底上薄膜的輻射特性

9.2.4局部能量密度和吸收分布

9.3光子晶體

9.4周期性光柵

9.4.1嚴格耦合波分析

9.4.2有效介質理論

9.5雙向反射率分布函式

9.5.1分析模型

9.5.2蒙特卡羅法

9.5.3表面特徵

9.5.4BRDF測量

9.5.5模擬與測量結果的比較

9.6小結

參考文獻

習題

第10章近場能量傳遞

10.1全內反射、導波和光子隧穿

10.1.1古斯漢欣位移

10.1.2波導和光纖

10.1.3耦合衰逝波的光子隧穿

10.1.4近距離放置的電介質之間的熱能傳遞

10.1.5通過周期性電介質層的共振隧穿

10.1.6負折射率材料的光子隧穿

10.2極化激元或表面電磁波

10.2.1表面電漿與聲子極化激元

10.2.2耦合的表面極化激元和體極化激元

10.2.3層狀結構的極化增強透射

10.2.4通過納米結構的輻射傳輸

10.2.5用於完美成像和能量流線的超透鏡

10.3熱輻射的光譜和方向控制

10.3.1光柵和微腔

10.3.2超材料

10.3.3為相干熱輻射而改性的光子晶體

10.4在納米距離的輻射傳熱

10.4.1波動電動力學

10.4.2平行平板間的傳熱

10.4.3近似表達式

10.4.4摻雜矽之間的納米尺度輻射傳熱

10.5小結

參考文獻

習題

附錄A物理常數，轉換因子，以及國際單位制(SI)詞頭

附錄B數學背景知識

B.1一些有用的公式

B.1.1級數和積分

B.1.2誤差函式

B.1.3斯特林公式

B.2拉格朗日乘數法

B.3排列組合

B.4事件和機率

B.5分布函式和機率密度函式

B.6複變函數

B.7平面波求解方法

B.8索末菲展開式

索引

譯者後記