熱量的能、質二象性的理論與實驗研究

《熱量的能、質二象性的理論與實驗研究》是依託清華大學，由過增元擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：熱量的能、質二象性的理論與實驗研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：過增元
• 項目類別：重點項目

項目摘要

目前以飛秒雷射和納米系統（時間、空間微納尺度）為代表的高新技術領域中傅立葉導熱定律不再成立，尚無可替代的成熟的導熱理論。本項目以提出熱量的能、質二象說和建立普適導熱定律為核心目標，基於愛因斯坦質能關係式揭示在傳遞過程中熱量具有質量屬性，給出熱質的定義式，闡釋熱量傳遞實質上就是熱質流體在介質中的運動，並闡明可用牛頓力學描述其規律，從巨觀和微觀的第一性原理導出普適導熱定律，它在不同的簡化條件下可蛻化為傅立葉導熱定律、CV熱波模型等溫度梯度與熱流的本構關係，闡釋傅立葉導熱本構關係的物理本質，同時通過納米金屬薄膜和單根碳納米管導熱的實驗測試和熱子氣（聲子氣）運動的動力學數值模擬對普適導熱定律進行驗證，並揭示極端條件下熱壅塞、熱激波等新物理現象。本項目的研究可套用於超快速和納米尺度等極端傳熱條件的熱設計和熱分析。

結題摘要

項目圍繞熱質理論及其套用的主題開展了系統研究，熱質理論是清華大學過增元教授團隊創立的新熱學理論，從重新審視熱量的本質出發，提出熱的“能、質”二象性學說，一方面認為傳統熱學中熱具有能量的屬性，另一方面根據愛因斯坦質能關係式定義了“熱質”，即熱的質量，熱量在傳遞時同時具有質量的屬性，因此，可以採用力學分析方法（包括牛頓力學和分析力學）研究熱量的傳遞規律。建立了熱質流體的狀態方程和守恆方程，建立了亦適用於高熱流密度和超快速導熱等極端條件的普適導熱定律，它在不同的條件下可退化為傅立葉導熱定律和CV熱波模型等導熱模型，預測了在高熱流密度和納米尺度條件下產生的熱擁塞和熱激波新現象，基於普適導熱理論對納米尺度導熱和超快速導熱進行了熱分析。實驗測量了不同厚度金、鉑等金屬納米薄膜和碳納米管在不同的電導率和熱導率，發現納米薄膜和碳納米管的熱導率體現出顯著的尺度效應，在大熱流密度下金屬薄膜的傳熱特性和傅立葉導熱定律有所差別，表明熱質慣性力作用不能被忽略。搭建了飛秒雷射熱反射實驗系統，在室溫、400 fs 脈寬雷射加熱的條件下，金屬薄膜中的瞬態導熱測量結果沒有發現熱波，而測量得到溫度波的波速可以接近電子費米速度，與理論預測相符合。採用拉曼光譜法研究了懸架碳納米管的導熱特性，在最大溫升為90~300 K範圍內，儘管熱流密度大幅度增加，但沿長度方向溫升仍呈現拋物線分布，並且在邊界上並沒有出現明顯的溫度跳躍，項目後續將繼續探索極低溫和高熱流密度時單根碳納米管的傳熱特性。項目執行期間發表SCI論文共84篇，其中國際期刊論文70篇，發表EI檢索的論文12篇，受邀在國際會議上作大會主旨報告9次。項目負責人過增元教授獲2014和2015年度連續兩次獲得湯森路透全球最高被引科學家獎。