納米尺度能量輸運和轉換：對電子、分子、聲子和光子的統一處理

前言

本書旨在提供熱能輸運以及從納米連續變化到巨觀尺度的能量轉換過程的微觀圖像。能量轉換和輸運過程在自然界、工程裝置及系統中無所不在。熱傳遞的巨觀描述以一些唯象定律為基礎，例如熱傳導的傅立葉定律，剪下應力的牛頓定律和對流冷卻的牛頓定律，以及熱輻射的斯特藩玻爾茲曼定律。將這些定律與熱力學第一定律及第二定律相結合，可以得到決定一個系統的能量轉換效率、傳熱速率及溫度場的方程。傳統的工程方法很少關注控制巨觀能量轉換和熱量傳遞現象的微觀過程。如果說這種傳統的工程方法在過去可以滿足大部分技術套用的需要，那么，隨著技術的不斷發展和新興技術的出現，尤其是納米技術、能量直接轉換技術、生物技術、微電子學及光子學技術，傳統的工程方法顯得越來越難以滿足需要。
熱量傳遞及能量轉換的基本原理包含在多種不同學科的不同專題中，例如量子力學、固體物理、統計力學、動理學及電動力學等。與本書內容最接近的是那些包含動理學理論的著作，它們主要考察的對象是氣體。然而，新興技術需要了解通過其他能量載流子的能量傳遞：電子、聲子、光子和液體分子。我所面臨的艱巨任務是把各方面的內容融入到一本書中，並讓學生和研究者都能讀懂。只要合適，我在本書中對這些能量載流子採用一種統一處理的方式。
採用這種統一處理方法有如下幾種目的。首先，從教學角度上來講，有些讀者可能對某種載流子的能量輸運過程較熟悉，他可以通過類比的方法明白其他能量載流子的輸運過程。例如，機械工程師可能對通過光子的輻射熱傳遞、通過氣體分子的熱傳導，以及聲波傳播較為熟悉，而具有物理或電氣工程背景的讀者可能對電子和電磁波更為熟悉。在本書的撰寫過程中，我假定大多數讀者只是修了大學物理，而沒有廣泛地接觸現代物理學，因為這是典型機械工程學科課程設定的形式。因此，那些已經學習過量子力學和固態物理學的讀者更容易讀懂本書的內容。其次，統一處理方法反映了我的理念，即讓學生針對他們未來交叉學科工作環境的特點而接受交叉學科的培訓。通過統一處理方法，讀者可以了解到，各種不同的能量載流子具有相同的理論背景，並且常常用相同的公式來描述。同時可以向讀者揭示，關於熱傳導的傅立葉定律、牛頓剪下應力定律、關於電流流動的歐姆定律都可以從玻爾茲曼方程中導出，並且納米尺度的熱傳導與巨觀尺度的熱輻射具有相似性。通過這些例子及本書中很多其他的例子，我希望讀者可以意識到，學科間的界線是很容易跨越的。傳統學科在20世紀已經被廣泛地研究，相較而言在不同學科之間的交叉領域則有更為廣闊的發明創新的空間。納米技術只是一個不同學科交叉的例子。事實上，並沒有單一的納米技術，而是有很多潛在的以納米為基礎的技術等待著讀者去發明和發展。
編寫本書的一個目的是作為本科畢業班或研究生層次的關於納米尺度熱傳遞和能量轉換的教科書；另一個目的是為研究者、專家以及初學者提供一本參考書。本書中的內容及詳細的數學描述力求在廣度與深度、教學與研究的矛盾要求中尋找一個相對平衡。我盡力讓具有機械工程背景的讀者能夠全面掌握書中的推導過程，並能將本書作為他們研究的出發點；但對於研究者而言，需要通過查找原始文獻和其他參考書目，以獲取更為詳細的信息。本書中所引用的文獻主要為原始論文，但由於本書所討論的內容涉及面非常廣泛，參考文獻不可能包含所有納米和微尺度傳熱領域的文獻。本書內容的選擇主要受作者本人的學習和研究經歷的影響。
由於本書涵蓋的內容比較廣泛，對讀者的一大挑戰就是包含了不同學科的術語。這有時確實令人生畏。我已經在加州大學洛杉磯分校及麻省理工學院教授了本書的部分內容，包括研究生、本科畢業班學生，甚至一些大三的學生，他們大多數有機械工程背景。學生的反饋是非常積極正面的，但顯然也讓一部分同學感覺很吃力。我的看法是：沒有付出，就沒有回報。需要學習的東西很多，但回報也將是巨大的。在閱讀過程中，除了閱讀納米尺度傳熱的文章外，我建議學生要經常瀏覽最新的學術期刊如Sicence、Nature、Applied Physics Letters，以及關於納米技術的最新期刊，希望同學們可以從開始懂得論文中所討論的內容中獲得樂趣。當然，真正的樂趣來自於你將從書中所學的知識套用到自己的工作實際中，我很樂意與讀者分享這種喜悅，包括對本書的批評。

納米尺度能量輸運和轉換：對電子、分子、聲子和光子的統一處理

基本介紹

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