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1、 第17卷 第66期大 自 然 探 索Vol117 , Sum No166 1998年 第4期EXPLORATION OF NATURENo14 , 1998 沸 腾 传 热 研 究 历 史 、 现 状 及 发 展 方 向 的 哲 学 思 考 柴立和 彭晓峰 (清华大学热能工程系,北京100084) 摘 要 本文通过对沸腾传热历史的回顾,从哲学上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。认为系统 科学,特别是非线性科学与沸腾传热学的结合是未来沸腾传热学发展的重要方向 。 关键词 沸腾传热,实验观察,科学发展模式,非线性
2、科学 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
3、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
4、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。 5 国家自
5、然科学基金资助项目(编号5 586和5 6 56)。 01 90049 212 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 the Forehea
6、d)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
7、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
8、 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。66年, Ry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
9、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,Leidenfrost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
10、Leidenfrost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
11、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 6 大 自 然 探 索 1998年第4期
12、(总第66期) 1 271 92 obert bo le 01 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
13、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 的告诉我们,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
14、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
15、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
16、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 科学革命论模 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
