传导 机理：当物体的内部或两个直接接触的物体之间存在着温度的差异时， 物体中温度较高的部分的分子因振动而与相邻分子碰撞，并将能量的 一部分传给后着，热能就从物体的较高部分传给温度教低的部分或从 一个温度教高的物体传递给直接接触的温度较低的物体。 特点：物体的分子或质点不发生宏观的相对位移。 1、金属固体中，导热起主要作用的是自由电子的扩散运动； 2、不良导体的固体和大部分的液体中，导热是通过振动能从一个分 子传递到另一个分子； 3、在气体中，导热则是由于分子的不规则运动而引起的。
雷诺数（Reynolds number）
• 雷诺数（Reynolds number）一种可用来 表征流体流动情况的无量纲数，以Re表 示，Re=ρvr/η，其中v、ρ、η分别为流体 的流速、密度与黏性系数，r为一特征线 度。例如流体流过圆形管道，则r为管道 半径。利用雷诺数可区分流体的流动是 层流或湍流，也可用来确定物体在流体 中流动所受到的阻力。
导热：固体中 热传递的主要方式
液体中 并不显著
对流传热 1、机理：由于流体中质点发生相对位移和混合，而将热能由一处传 递到另一处。 2、分类 自然对流：流体质点的相对运动是因流体内部各处温度不同而引起的 局部密度差异所致。
强制对流：用机械能（如搅拌流体〕使流体发生对流运动。
3、实质：流体的质点携带着热能在不断的流动中，把热能给出或吸 入的过程。
Physical Fundamentals of Crystal Growth 晶体生长的物理基础
Dr. Prof. Y.L. Du (杜宇雷)
yldu@
2013年秋季学期
晶体生长中的输运理论
晶体生长发展的基础是相平衡理论，但生长的实际过程却 是非平衡态过程。 存在不同模式的输运过程、这些输运过程主要包括：
2 湍流：流动体的迹线是紊乱而瞬变的，其流动速度是在某 一平均值附近作规则地脉动着，称这种流动为湍流。
层流
Re
湍流
输运过程
贝纳德对流
T2
T1
T2 T1
T T2 T1 不大
有热传递，整个液体仍保持静止。
当继续加热使温度差超过一定限度时，即T TC ， 热传导变为热对流。
当表征温度引起的浮力与液体黏性 力竞争的瑞利数达到某一临界值时， 一种规则的图案自动出现在浑然一 体的液体内，液面呈现出许多六角 形对流元胞，如图所示。液流 从每个元胞的中心涌起，从它们的边缘下沉，这对应着 一种很高程度的分子组织状态，并且是在一种失稳的背 景下出现的，这种图像叫做贝纳德对流。 这种从“无序”产生“有序”的现象，在日常生活 中也可以看到，如大气中的对流，海洋中 的“洋流”， 天空中一块块整齐规则的云彩等。
• 雷诺数小，意味着流体流动时各质点间 的粘性力占主要地位，流体各质点平行 于管路内壁有规则地流动，呈层流流动 状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要 地位，流体呈紊流流动状态
湍流和强迫对流
1 层流：在速度边界层内，流体速率随着接近界面而连续减 小，距界面距离相同的流体薄层内，流体的流速是相同的 各流体簿层间作相对滑动，这种流动称作层流。
• 雷诺数表示作用于流体微团的惯性力与粘性力 之比。两个几何相似流场的雷诺数相等，则对 应微团的惯性力与粘性力之比相等。雷诺数越 小意味着粘性力影响越显著，越大则惯性力影 响越显著。雷诺数很小的流动（如润滑膜内的 流动），其粘性影响遍及全流场。雷诺数很大 的流动（如一般飞行器绕流），其粘性影响仅 在物面附近的边界层或尾迹中才是重要的。
溶液生长涉及质量输运：两种输运模式
扩散：通过分子运动来实现。其驱动力来源于溶液浓度 梯度。 对流：溶解于流体的物质质点在流体宏观运动过程中被 流体带动而被输运。
动量输运：对流（自然对流、强迫对流）
自然对流：完全由重力场引起的流体流动为自然对流热 对流和溶质对流（温度梯度与浓度梯度） 由瑞利数表征（浮力与粘滞力之比）—临界状态：浮力与 粘滞力相抵销超过临界值后，熔体失稳，不稳定的热对 流导致熔体的温度振荡，干扰晶体生长界面的稳定性，产 生生长条纹，影响晶体的光学均匀性。 强迫对流：生长晶体时，由于晶体带动旋转导致流体的旋转， 产生强迫对流。 由雷诺数表征（惯性力与粘滞力之比）：超过临界值，则熔体 失稳。
热量
动量
输运的原因
质量Βιβλιοθήκη 输运的结果 非平衡平衡状态
系统内各部分的“输运势”不相等
热量输运、质量输运、动量输运
热量输运：从熔体中生长晶体，主要靠热量输运来实 现。晶体生长靠体系中的温度梯度所造成的局部过冷 来驱动，只要体系中存在温度梯度，就会产生热量输 运。 控制热量输运，提供一个合适而稳定的温场，使来自 熔体的热量与结晶潜热从固液界面处连续不断的输运 出去，从而保证单晶能够稳定而正常生长。
流体中的不稳定性
1900年，法国科学家贝纳德(E.Benard)做了一个著名的对流实验。 在一水平容器中放一薄层液体， 从底部徐徐均匀地加热，开始 液体没有任何宏观的运动。当 上下温差达到一定的程度，液 体中突然出现规则的六边形对 流图案。这是现代用硅油做实 验拍摄的照片。照片中每个小 六角形中心较暗处液块向上浮， 边缘较暗处液块向下沉，在二 者之间较明亮的环状区域里液 块作水平运动。 当上下温差加大时，为什么 对流不积微渐著，而是突然从 无到有地产生?
对流传热的同时，伴随着流体质点间的热传导，一般讨论对流传热多 指热由流体传到固体的壁面（或反之〕的传热过程。
辐射
特点：不仅产生能量的转移，而且伴随着能量形式的转换，热辐
射不需要媒介。
高温物体之间的主要传热形式。 上述三种传热的基本方式，很少单独存在，往往是互相伴随着出现。
热量输运的三种方式 辐射、传导和对流
热量输运的三种方式
辐射、传导和对流
传热即热量传递，凡是有温度差存在的地方，必然有热的传递，传热是极为普 遍的一种能量 传递过程，化学工业与传热的关系尤为密切。 传热在化工生产中的应用：
1、物料的加热、冷却或者冷凝、蒸发过程。
2 、化工设备和管道的保温，以减少热损失。 3 、生产中热能的合理利用，废热回收。 一、传热的基本方式 热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。当无外功输入时， 根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分， 或是温度较高的物体传给温度教低的物体。 根据传热机理的不同，传热的基本 方式有热传导、对流和辐射三种。 1 、热传导 2 、对流 3、热辐射