沸腾传热研究历史、现状及发展方向的哲学思考——（注：国家自然科学基金资助项目（编号59586004和59625612）。），本文主要内容关键词为：发展方向论文,现状及论文,国家自然科学基金论文,哲学论文,编号论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
现代科学的发展状况和基本趋势，提出了大量的哲学问题特别是认识论问题，迫切需要用马克思主义哲学的基本观点来研究这些问题。任何科学研究活动都必须运用理论思维[1]。一切理论思维过程——不管从事理论思维的科学家们愿意与否、承认与否、自觉与否——都要受到他们的世界观、认识论和方法论的影响。推动了现代科学发展的科学家们，从爱因斯坦、海森堡、薛定谔、玻尔、玻恩到贝塔朗菲、普里高津，都十分重视哲学的作用。哲学影响着科学技术工作者的科学研究方向。
能源的转换和利用是人类文明的重要支柱，是发展国民经济、科学技术的基础。哪个国家能在这方面遥遥领先，它就会在现代科技竞争中掌握主动权。
对效率最高的换热方式之一的沸腾传热的研究，既有着悠久的历史，又是当今最热门的前沿之一，一场激烈的国际竞争正在进行。沸腾传热学的发展和兴起，得益于生产实践的需要，在理论上又与传热学、热力学和流体力学等基础理论的发展密切相关。作为能源利用的一个前沿的沸腾传热学，其发展又丰富了人们对自然规律的认识，因此研究近百年来沸腾传热学的发展，会使人们更具体更生动地认识马克思主义哲学的许多基本问题，从而推动更自觉地应用马克思主义认识论武器去探索自然的奥妙。本文拟从历史的、哲学的以及未来的观点对迄今为止的沸腾传热研究作一评述并展望它的未来。|1 实验观察和理论思维在沸腾传热研究中的作用
在古希腊哲学史上有两座高峰：柏拉图哲学与亚里士多德哲学。亚里士多德教给我们观察自然，从观察中得到科学结论；而柏拉图认为我们是通过单纯的理性思维来获得科学知识的[2]。他们代表了两种不同的思维模式。举一个例子来说明：柏拉图通过演绎的方法得出地球是圆的。他推理，太阳是圆的，月亮是圆的，我们生活在相同的天体中，因此，地球肯定也是圆的。而亚里士多德是通过直接观察的方法得出相同的结论的，他发现当船驶向地平线时，船底部总是先消失，这是由于地球的曲率遮住了船的底部，因此，地球是圆的。16世纪晚期，当意大利科学家伽利略还是小孩的时候，就开始学习绘画。他在学习绘画中培养了对外部世界的观察的兴趣，那是他走向科学之路的钥匙。但是他的观点是：科学不是由观察得出的，而是从头脑中产生的。从伽利略对他的著名的比萨斜塔实验描述中，我们可以发觉，他好像是在描述一个仅存在于他的脑子里的实验。他的言谈是柏拉图式的。但是我们知道伽利略密切关注着身边的世界，确实做过那个实验。因此，他的言谈是柏拉图式的，而他的行为却是亚里士多德式的。他对此用了一个绝妙的词：要用想象的眼睛(Eye of the Mind)想，但又要用前额的眼睛(Eye of theForehead)看事物。
自然辩证法告诉我们，观察和理论思维是相辅相承的，理论思维在观察中既起着“定向”作用，引导观察者有选择地接受外界消息；又起着“加工”改造作用，帮助观察者理解观察到的究竟是什么[1]。反过来，理论思维又需要实验的检验，需要在实验中进一步完善和发展。
在池沸腾研究领域，我们心痛地发觉人们曾一度忽略了观察和理论思维的相辅相承关系。我们应该翻开历史，从中寻求启迪。通常认为沸腾传热的历史开始于1756年Leidenfrost的著名的实验：在高温金属板上水滴蒸发时间反而比在较低温度金属板上的蒸发时间要长[3]。沸腾是日常生活中很早就为人们所熟知的物理现象，人们很早就学会了煮熟食物的方法。公元300年，阿基米德就提出了利用水的沸腾建造蒸汽机的设想。作为13世纪最主要的科学推动力的炼金术更是把沸腾传热的应用推向了高潮，它是研究如何用加热、冷却、加湿、干燥的方法实现物质之间的转换。炼金术已经很深入地涉及到沸腾传热的应用。因为加热、冷却、加湿、干燥是炼金术的基本过程，蒸馏和凝结是炼金术的最主要的工具。那么为什么人们对沸腾传热机理研究的兴趣从250年前才开始呢？原因是在Leidenfrost之前，柏拉图的纯理论思维模式控制着沸腾传热这一领域发展。炼金术士用的是亚里士多德的科学实验方法，但他们忽略了他的从对自然的观察中得到真理的方法。实际上他们是纯粹的柏拉图主义者。
15世纪到17世纪是人类文明史发生重大转变的时期。一个全新的亚里士多德式对外部世界观察的概念开始于艺术的兴起。1642年后，亚里士多德模式变成学术界主要工具。在化学领域，柏拉图式炼金术的消亡要相对慢一些。1627～1692年，Robert boyle在英国发起了一场对炼金术的猛烈攻击。Boerhaave是Boyle在欧洲的追随者。起初，Boerhaave并没有攻击炼金术，而是不断提高蒸馏工艺，期望能有所改变。在多次失败之后，他将其归结为柏拉图式基本观念的失败。到此为止，炼金术的“想象之眼睛”已走到了尽头。当时科学家们用一幅幅人体解剖图来清楚地说明研究方法由单纯柏拉图式的理论思维向注意外部观察的转变。在这幅图中，没有任何神秘，只是对人体结构的纯粹观察。这种转变是很重要的，它标志着经验主义科学家的出现。他们不再单纯推演化学过程将发生什么，而是转向关心是如何发生的[2]。
这就可以看出为什么Boerhaave最后将眼光放在了相变过程机理上。实验观察表明，炼金术中的沸腾过程，实实在在发生了由液体到气体的相变。他描述了高温金属板上酒精液滴在气泡上浮动。24年后，Leiden-frost定量地做了这个实验，测量了水与酒精液滴分别在高温板上停留的时间。他批评Boerhaave没有将自己完全同炼金术思想脱离开。尽管Lei-denfrost没给出任何解释为什么液滴在高温下停留的时间要长，但是这却标志着沸腾传热科学研究的开始。由此我们看出，实验观察在沸腾传热学的形成过程中起了十分重要的作用。
实验观察不仅使人们认识到了沸腾现象的本质是相变，而且在以后沸腾传热的发展中起了十分重要的作用。我们在工程计算中采用的都是实验总结出的经验关联式[3]。
我们在强调实验在沸腾传热研究中重要性的同时，也不应忽略建立在实验基础上的理论思维之重要性，尽管面对沸腾这样一个极复杂的研究对象，理论的发展是很艰难的，翻开任何一本沸腾传热学的教材，我们发现的是大量的经验公式、图表和近似的计算方法，而较系统的理论，严密的数学公式和推导则寥若晨星。但是沸腾传热学家们根据实验观察，通过理论思维所建立的为数不多的理论在沸腾传热的发展史上还是起了里程碑式的作用。可以说是实验观察和理论思维相结合促进了沸腾传热的发展。
沸腾传热发展史上的两位重要人物J.Wetwater和Y.P.Chang分别以实验沸腾传热学家和理论沸腾传热学家著称。Westwater精于向我们提供单纯的实验观察照片，他尽量让自然直接告诉人们客观世界的真理。而Chang是擅长理论思维的典型代表，他根据前人的实验观察结果，注意到膜沸腾气液界面的形状，得出这是失稳的结果，首先提出了泰勒和哈姆霍兹的不稳定波对沸腾表面上气泡脱离过程有重要作用，并通过对无限大水平平板自然对流分析为划时代的沸腾流体力学理论奠定了基础，接着他用热力波长与膜沸腾界面波长的相似性证明了这一点[4]。Chang的理论在当时没有引起重视，可30年后，我们仍在使用这个理论。Chang根据前人的实验，凭着理论思维创造了这个伟大的理论。我们看到，人们这时候的理论思维已经同几个世纪以前炼金术中的纯柏拉图式的理论思维有着本质的区别。建立在实验基础上的理论思维给沸腾传热科学研究领域带来巨大的变革。
对哲学家们的研究发现，在我们的人群中有75%的人更倾向于亚里士多德式的思考，这个数字意味着更多的人期望从测量、照片、计算机等来研究沸腾，只有25%的人从头脑中思考真理。回顾沸腾的六十多年传热学发展史，沸腾传热学可以说是一门实验科学。沸腾传热领域中的大多数人都期望外部世界能提供问题的答案，他们相信实验观察照片，相信测量出的温度，相信计算机，他们寻求知识可以说是亚里士多德式的。根据辩证唯物主义的观点，我们应该用两只眼睛看待我们的沸腾问题(Eye of the Mind和Eye of the Forehead)。历史一次又一次地告诉我们，实验观察和理论思维是统一的，哪一面都不能忽略，科学领域中的任何变革性的进展都是通过大量的实验观察和创造性的理论思维而取得的。所有变革性的思想来源于而又超越人们所观察到的外部世界。
目前，在沸腾方面的研究，已有大量的实验数据和实验观察，然而，现有工作的失败之处是很难将理论思考和他人的实验工作结合起来，很少有人关心现有工作的自相矛盾之处。因此尽管有足够的实验观察结果，但自70年代以来，沸腾传热的研究并没有实质性的进展。这就迫切需要基于而又超越于人们所观察到的实验结果的变革性的思想，需要建立在实验基础上的创造性理论思维。
总之，实验观察与理论思维并不是对立的，离开了实验观察的理论思维是无本之木，而独立于理论思维之外的实验观察往往是一些零散的、乃至自相矛盾的现象。沸腾领域的变革性进展需要大量实验观察和创造性理论思维的结合。|2 从科学发展模式理论看沸腾传热的发展史
辩证唯物主义认识论认为，人的认知活动是在实践和认识的矛盾中展开的。自然科学作为特定的认识活动也不例外。早期的自然科学主要以生产实践为认识的源泉，到了近代，科学实践兴起并脱离生产实践而成为独立的社会实践，自然科学便越来越依靠科学实验作为认识的主要源泉。因此，近代自然科学是科学实验和科学理论的矛盾统一体。理论是在实验提供的经验材料基础上进行科学抽象的结果，实验是在理论的指导下，在问题的启发下，有目的寻求验证和发现的实践活动。理论和实验是相互联系、相互渗透、相互统一的。而这种统一不是绝对的，而是相对的、可变动的。有时理论比实践超前些，有时又落后些，需要不断调整，以保持和谐一致，这表现为科学的进化过程。但当新的实践发现和原有理论框架发生尖锐矛盾时，预示着科学理论将有新的突破，这就表现为科学革命[1]。
科学革命模式是关于科学发展的规律性、主要特征和内在机理的概括和描述。在Chang将沸腾过程与流体力学不稳态性理论结合起来之后不久，库恩提出一种科学发展史的新理论——科学革命模式：前科学→常规科学（形成范式）→反常→危机→科学革命（新范式战胜旧范式）→新常规科学[5]。他说，科学的进步是更新与革命，而不是知识的积累。从伽利略开始的现代科学历史就是一连串的新理论代替旧理论。他系统地分析了科学发展史，发现在常规情况下，科学家很少对新思想有兴趣，他们通常是利用已有科学工具来解决难题。我们在传热方面不断地用我们学过的知识来解决传热问题，例如解导热方程、测量气泡增长速率等等。只有当科学家们发现用已有的工具解决不了问题时，他们才开始注意寻找反常。例如当瑞利和维恩在预测辐射能的光谱都失败时，普朗克提出了一些新奇的想法，他假定能量的值是不连续的，这种假定在当时被认为是不合理的也是不正确的，然而，它却给物理学带来永远的改变。库恩说，当反常现象大量出现，并成为常规科学无法解决的难题时，就进入了危机阶段。他为我们指出了危机形成、发展直至解决这一过程的一些特征[5]：
(1)我们没有意识到即将到来的危机，只是看到了一些细小的、看起来微不足道的反常，我们还没有想到如何将它归并到我们的常规理论中去。
(2)当我们解释不了那些细节，我们企图通过改进我们的工具，提高测量精度，期望与常规理论吻合。
(3)所做努力失败后，我们给定理加上附录和例外，试图使它们与事实相符。
(4)我们分别去寻找各种各样的思考方法。
(5)最后，一些被我们认为是我们专业的“门外汉”的人提供了一个新的理论或方法。
(6)如果这套理论没有什么明显的不符，最后，它们代替了旧的思考方式，新的常规科学的范式就诞生了。
沸腾传热的发展，既有库恩提出的科学革命论模式的一面，又有不完全符合的一面，我们应结合库恩提出的科学革命论模式和马克思主义的基本观点来分析。
目前，从人们在沸腾领域的研究状况来看，在膜态沸腾和膜状凝结方面的问题虽然很严重，但它仍然是常规理论和现有实验工具可以解决的，仍处于常规科学阶段。而在核态沸腾、过渡沸腾和临界热负荷方面，大量证据显示，它们很适合用库恩提出的科学革命论模式理论和自然辩证法的基本观点来分析。接下来我们谈一谈池沸腾领域的发展状况。
早在1941年，Bonilla and Perry就是提出了沸腾流体动力学的思想，特别是临界热负荷现象与流动不稳定现象的类比，这实际上拉开了沸腾流体力学理论的序幕，但这时，该理论仍处于前科学阶段，并没有引起人们的足够重视，注意到该理论的科学家给予更多的只是批评。直到1948年，Kutateladze进一步发展了该思想，到1957年Chang明确地提出了该理论，1958年N.Zuber完成他的博士论文《沸腾中的流体力学》，此后沸腾的流体动力学理论开始引起人们的注意，从而揭开沸腾研究的新篇章。当然任何一个新的理论都不可能在所有的细节方面完全正确。Zuber的公式也存在着一些问题，例如，他假定过渡区液体与固体不相接触；在平板上应用Taylor一维波动方程而没有用二维的；他不正确地用平均理论建立膜沸腾过程中气泡脱离模型；他应用Rayleigh波长计算脱离射流在大多数情况下也是错误的。Zuber是用简单方法解决复杂问题的典范。沸腾的动力学理论是当时沸腾研究领域最成功的理论，奠定了今后50年沸腾研究发展的基础，可以说自Zuber以后，沸腾的流体动力学理论就进入了常规科学阶段。当前，沸腾的流体动力学理论又遇到了新的挑战，该理论的缺点也越来越明显，其中最突出的是，由该理论所发展起来的临界热负荷模型独立于核态沸腾之外，而显而易见的事实是，临界热负荷现象应是核态沸腾现象的自然发展结果。另外，该理论处理的实际上只是液相和气相的相互作用，而实际情况是沸腾现象是固、液和气三相相互作用的结果。当前已有很多理论试图取而代之，尽管还没有出现得到大家公认的理论，但已标志着该理论进入了危机阶段，一场新范式战胜旧范式的科学革命即将爆发。
Nukiyama在1934年精确做了Leidenfrost的实验，得到了热量随过热度变化的沸腾曲线，通常我们将此看成现代沸腾传热学研究的开端。其实，在1919年Piling和Lynch就已经得到过冷却速度随温差变化的曲线，但是他们的成果并没有引起人们的注意，因此没有得到人们的承认，这说明了该事物在那时仍处于前科学阶段。而自1934年以后，Nukiyama的沸腾曲线就成为了常规科学的范式，在此后的近50年里，人们都认为沸腾现象从自然对流到核态沸腾，再经过渡沸腾进入模态沸腾，确实是由Nukiyama所阐述的S形的单一连续曲线。直到1985年J.H.Lienhard在研究中发现过渡沸腾阶段的曲线不是连续的，而是有一个突变，并且存在明显的滞后特性[6]。此后，人们的很多实验都证实了这一点。这就标志着Nukiyama沸腾曲线理论进入了危机阶段，一场新范式战胜旧范式的科学革命即将爆发。
总之，沸腾传热的发展，可以用库恩提出的科学革命论模式和马克思主义的基本观点来分析。根据科学革命论模式理论及本文第一部分的阐述，我们认为沸腾传热的研究正面临着革命性的变革，我们需要抓住当前沸腾传热学中的矛盾，特别是矛盾的实验现象，进行创造性思维，发展一套全新的沸腾传热理论，这是我们第三部分要阐述的内容。|3 系统科学与沸腾传热学研究的结合是今后发展的方向
系统科学是正在形成和发展的一们新兴基础学科。人们把系统作为研究对象至今已有半个多世纪。40年代出现了系统工程，这是系统科学的早期工作，主要解决工程中的自动控制问题。60年代以后，自然科学有了飞跃发展，系统的复杂行为的探索一度成为前沿课题，耗散结构理论、协同学理论、突变论、分形论和混沌论等应运而生。目前系统科学已成为最有影响的一们综合性基础学科。这个理论涉及到自然科学和社会科学的各个领域，它的应用范围研究渗透到工业、农业、国防、科学技术等各个部门。
在沸腾领域，尽管人们已做了很多工作，但却没有人声称他已经完全了解了沸腾的物理机理。由于沸腾现象的复杂性和多变性，以及一定程度上的随机行为，使得无论是在基本理论还是在实验技术上，沸腾现象都还没有像常规的导热、单相对流和热辐射那样成熟，有待于更为广泛深入的认识。沸腾现象具有复杂性、不确定性，过程涉及到热力学、传热学和复杂的两相流体力学。另外，表面的不确定性以及壁面附近液体或蒸汽的湍流特性，常常使得定量的纯解析研究无法进行。可以说，直到现在，国际和国内的绝大多数学者对沸腾的研究仍以实验为主。根据对现象本质的理解，建立过程的物理和数学模型，把局部的非稳态过程代之以整体的稳态过程，通过分析，并用实验确定经验常数，发展半径验半理论的计算式，是目前进行沸腾研究的主要途径。此外为了减少研究工作的复杂性，常常把各种因素孤立起来进行分析和实验，以弄清它们各自对过程发展的影响和作用机制。
根据前面的分析，我们知道，今天的沸腾领域已经是矛盾错综，现有的理论都已不足以解释这些矛盾。仔细分析，不难发现当前理论的致命局限。沸腾是一种不平衡的、动态的、非线性的、随机的复杂现象，而当前几乎所有的理论和分析方法都是建立在平衡的、线性的、确定性的理论基础上。这就不可避免地使沸腾传热的研究走向了危机阶段。我们迫切地需要一个崭新的理论来指导今后的研究。我们对沸腾现象的新观点如下：
(1)沸腾是一个气、固、液三相相互作用的复杂系统，复杂系统问题需要探索复杂性的理论来解决，而传统沸腾传热的研究的起点往往是从局部出发，建立一种经验或半经验的关联式。但是局部的认识不可能全面地、确切地解释整体的沸腾现象和过程，因此，我们现有的对沸腾传热的认识及建立的各种模型就对沸腾系统本身来说是十分不够的，我们必须建立沸腾系统的观念，进行全面深入的研究。引入系统科学理论，特别是非线性科学理论，会对沸腾传热的研究带来巨大的突破。这将成为未来沸腾传热学研究的重要方向。
(2)沸腾系统不是静态平衡的，而是动态演化的。沸腾形态的转变是通过分岔和突变来实现的。突变和非平衡特性在沸腾形态的转变中的地位不容忽视。
(3)经典的沸腾传热理论以传热学、热力学和流体力学等理论为基础，而现代的沸腾传热理论将以非线性科学理论为基础。新旧理论之间是继承和发展的关系，体现了相对真理向绝对真理的不断接近。
(4)在复杂的沸腾传热现象面前，当前的工作需要辩证唯物主义的指导，从而作出更全面、更深刻、更正确的哲学思考。|4 结论
1944年爱因斯坦曾指出，“物理学的当前困难，迫使物理学家比其前辈更深入地去掌握哲学问题”。这个观点对于从事自然科学一切人都是对的，我们应更自觉地掌握、运用辩证唯物主义的认识论去指导科学工作，少走弯路，多出成果。
本文通过对池沸腾传热研究历史的回顾，从哲学的角度分析了实验观察和理论思维在沸腾传热发展历史中的作用。从自然科学发展模式的角度考察了沸腾传热研究的历史、现状和未来。进一步重视和发挥哲学的指导作用，对促进沸腾传热发展和把握发展方向有着十分重要的意义。