第1章 绪论
近年来随着自然科学及工程技术对于微型化的深入研究，微尺度器件在微电机、微生物工程、微电子工程、航空航天、材料处理等领域的应用越来越广泛。微尺度下流动与传热问题研究的工程背景来源于20世纪80年代对于高密度微电子器件的散热需求。由著名的摩尔定律可知：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。举例来说，芯片上的晶体管数量从1971年英特尔公司**款CPU的2300个到其产品Intel Core i7系列的11.7亿个，三十七年间增加了约51万倍。然而在高集成度的电子信息技术高速发展的同时，电子产品的热设计发展相对滞后，一定程度上又制约了前者的发展。因此高集成度电子器件的散热问题引起越来越多学者的关注。
现有的研究表明，电子器件工作的可靠性与温度密切相关，当工作温度达到70～80℃时，每升高1℃，将导致电子器件的可靠性下降5%。因此，设计高性能的电子器件冷却散热装置，使电子器件的工作温度保持在允许范围内，成为一个亟需解决的问题。促使微尺度下流动与传热问题广泛深入研究的另一个原因在于：人们对于传统尺度上的物理现象及其规律已得到较为充分的认识，然而这些已有的认识或规律并不能完全适用于微尺度条件。尤其是当微电子机械系统（MEMS）快速发展，MEMS产业以其卓越的性能、低廉的价格和巨大的市场前景对世人产生了不可阻挡的诱惑力，更极大地推动了这一研究的热潮。
本书的第2章主要介绍微观传热学所需要的热学理论基础知识。对这些知识有一定的认识，是理解本书之后相关内容的必要条件。因此，读者需要深入学习本章的内容。此外，本章中的大部分知识都较为基础，除了本书以外，基本上绝大部分涉及热学的相关书籍都会针对其有所介绍，读者也可以广泛阅读相关书籍，进一步掌握微观传热学基础知识。这不仅会更好地帮助读者理解本书之后的内容，更会使得读者在从事微观传热学相关的研究或工作时如虎添翼。本书第2章主要介绍以下几个部分，*先介绍热力学的相关内容，它是所有热学理论的发源所在。其内容主要包括热力学的三大基本定律、热力学关系式、比热容等；之后介绍一些传统传热学**理论的相关知识，包括温度场、傅里叶导热定律、*立粒子的统计力学等内容；随后简要介绍热能传导的三种形式，理解和掌握这部分内容可以很好地帮助读者在分析微观传热学相关问题时更准确、更迅速地构建物理模型；*后介绍传热界面与材料相关的理论知识，主要包括导热系数、导热材料的一般分类、定解条件等内容。
第3章固体导热部分深入探讨了固体材料中的热传导机制，这是热力学和材料科学中的核心问题。固体导热主要通过三种机制进行：晶格导热、电子导热和界面导热。晶格导热是固体中*主要的导热方式，涉及原子或离子在晶格中的振动。电子导热在导电固体中尤为重要，自由电子的移动是热量传递的关键。界面导热则关注相邻固体表面接触区域的热能传递，这一过程在材料接合和热界面管理中具有实际意义。本章还详细分析了晶体内部结构的认识，特别是X射线衍射技术的应用，它揭示了晶体内部的规则排布和周期性。晶格振动的描述，包括简正振动和振动模，以及声学波和光学波的概念，为理解固体的热传导行为提供了微观基础。热容的概念及其来源，包括晶格比热容和电子比热容，也被深入讨论。杜隆-珀蒂定律作为联系原子振动和热容量的重要规律，虽然在低温下存在偏差，但仍然是固体热容研究的重要参考。爱因斯坦和德拜理论为低温下固体热容的描述提供了量子力学的视角。爱因斯坦理论通过假设晶格内各原子的振动相互*立且具有相同的频率，简化了热容的计算。而德拜理论则考虑了晶格振动的连续性和弹性波的概念，为固体热容的计算提供了更为精确的方法。这些理论的发展，不仅丰富了我们对固体热传导机制的理解，也为实际应用中的热管理、材料设计和工程优化提供了理论支持。在固体导热建模方面，本章介绍了有限差分法、有限元法和边界元法等数值方法。这些方法通过数学建模和计算机模拟，帮助我们理解和预测固体中的热传导行为。在热管理、材料设计和工程优化等领域，这些数值方法的应用价值尤为显著。
第4章流固耦合则聚焦于流体力学和固体力学的交叉领域，即流固耦合力学。这一领域研究流体和固体之间的相互作用及其对流场行为的影响。流固耦合问题在工程实践中具有广泛应用，如水锤效应、结构振动和声音与结构的相互作用。本章*先介绍了流体动力学的基础知识，包括流体动力学的重要性、Navier-Stokes方程的求解阶段，以及不可压缩流体和可压缩流体的流动性质。流体动力学的核心问题是其基本方程没有一般的解析解，数值求解具有挑战性。计算流体动力学（CFD）在流体动力学研究中发挥着重要作用，它通过数值模拟提供了对复杂流场的深入理解。纳米流体动力学作为微流体力学的一个重要分支，涉及微型器件中的流体流动。在微纳米尺度下，流体分子的平均自由程可能与特征尺寸相当，导致连续性假设不再成立。克努森数作为纳米流体动力学中的关键参数，用于描述气体分子在纳米尺度下的运动。斯托克斯-爱因斯坦方程和阻力修正公式等，为纳米颗粒在流体中的运动和传热行为提供了理论基础。理想气体模型和理想不可压缩模型在流体动力学中的应用也被讨论。理想气体模型基于玻意耳定律、盖-吕萨克定律和查理定律，为气体的宏观行为提供了描述。而理想不可压缩模型则简化了流体运动的复杂性，使得在某些情况下可以忽略密度的变化，从而简化了问题的求解。流固耦合的求解方法，包括强耦合和弱耦合方法，是本章的重点。强耦合方法通过整合流体动力学与固体力学的控制方程，提供了直接的求解途径。弱耦合方法则通过分别求解流体和固体的控制方程，并通过流固耦合交界面进行数据传递，实现了流体和固体之间的信息交流和能量传递。这些方法在实际问题中的应用，如纳米流体传热、微通道传热分析和纳米尺度热浸润分析，展示了流固耦合分析在微纳尺度传热领域的广泛应用。
第5章考虑了固体表面周围的液-气、两相流和传热（包括蒸发/冷凝相变）。液相和气相允许温度和速度不均匀，并且所有三相均处于热非平衡状态。热量流经相界面，并在液-气界面上发生传质（蒸发/冷凝）。液体和气体可以是多组分混合物。在一些应用中，只有一种流体相与固体接触，并且液-气界面是连续的，如在蒸气或液膜中。在其他情况下，液体和气体都与表面接触，如表面气泡和液滴成核以及液滴撞击加热表面。
第6章主要介绍了显微观测光学基础。详细阐述了显微镜的组成及其光学原理，包括显微镜的成像原理、显微镜的组成及镜头要求、显微镜的光瞳光阑设置、视场调节和景深及其原理等内容。此外，本章还探讨了分辨率和有效放大率，包括衍射现象能量分布、分辨能力评判标准、分辨率和有效放大率等概念。还介绍了显微镜物镜，包括物镜的光学特性和基本物镜的几种类型。*后，本章还讨论了光照系统组成，包括基于不同观测物体的照明方法、基于暗场的照明系统和聚光效应及应用等内容。
第7章主要介绍了超分辨显微技术。详细阐述了超衍射极限近场显微法，包括基于超衍射极限近场的观测方法概述、传统光学显微镜概述、近场光学显微镜原理和近场光学显微镜的成像原理及结构等内容。此外，本章还探讨了近场扫描光学显微镜（NSOM），包括基于近场的显微结构及观测原理和纳米级探针的制作等内容。*后，本章还讨论了基于远场的超高分辨观测技术，包括远场超高分辨率显微观测简介、超分辨成像技术前沿、4Pi显微镜、3D随机光学重建显微镜（stochastic optical reconstruction microscope，STORM）和选择性平面照明显微镜（selective plane illumination microscope，SPIM）基本原理等内容。超显微技术是一种能够观察到亚微米级别物体的技术。它通过使用特殊的仪器和方法来增强物体的分辨率和对比度，从而使我们能够看到更加细小的细节。超分辨率成像技术是超显微技术中一个重要分支。它指分辨率打破了传统光学显微镜分辨率极限（200nm）的显微技术。超分辨率成像技术主要有非接触、无损伤等优点，长期以来是生物医学研究的重要工具。自1873年以来，人们一直认为，光学显微镜的分辨率极限约为200 nm，无法用于清晰观察尺寸在200 nm以内的生物结构。超分辨光学成像（super-resolution optical imaging）是21世纪光学显微成像领域*重大的突破，打破了光学显微镜的分辨率极限（换言之，超越了光学显微镜的分辨率极限，因此被称为超分辨光学成像），为生命科学研究提供了前所未有的工具。
第8章主要介绍微观传热学相关的光谱分析。这是研究微观传热学必不可少的研究手段。自20世纪70年代初以来，光谱分析的方法得到了蓬勃发展。通过光谱分析，我们可以从不一样的角度，对微观传热领域进行更深入的研究，如可以通过光谱分析，研究液体、观察微流道的过程，或者观察气泡产生的过程，此外还能通过结合不同的观测手段，对微观器件进行更全面的观测，包括其结构变化、内部性质改变等。总而言之，通过光谱分析，我们能够更好地进行微观传热学相关的研究，其能极大地帮助研究人员理解微观传热中出现的各种现象，帮助人们更好地分析事件中的机理。此外，还可以帮助人们捕捉难以用常规手段发现或者感知到的异常。因此本章将详细介绍两种在微观传热领域应用较为广泛的光谱分析工具。*先介绍拉曼光谱技术，包括原理、测温方式、仪器组成和应用，拉曼光谱技术以其灵敏性、快速性以及操作方便等优点，在微观传热学领域得到了快速发展和广泛应用。之后重点介绍近红外光谱分析的发展历程、原理、分析流程和相关应用。近红外光谱分析技术是一种自20世纪90年代以来发展极其迅速的光谱数据分析信息技术，吸引了众多的关注。该技术相对于其他无损检测技术，有着许多优点，如分析速度快、无污染样品不需预处理、操作简单，可以同时测定多种成分和指标，可以实现实时在线检测，因此得到了广泛的应用，在微观传热领域也有着重要的意义。
第9章主要介绍暗场光学显微镜。暗场显微镜（DFM）采用无背景成像方法，可提供高灵敏度和大信噪比。它可应用于纳米级检测、生物物理学和生物传感、粒子跟踪、单分子光谱学、X射线成像和材料失效分析。自1830年发明以来，DFM因在成像背景和可见度之间的平衡而具有成为强大光学工具的潜力。与明场显微镜相比，DFM在降低成像背景方面具有先天优势，这是灵敏传感的关键。现代DFM的大部分重大发展和广泛应用发生在2000年以后，其特征是获得了高质量的彩色照片和相应的单个纳米粒子水平的散射光谱。磷光生物和化学发光物体等自发光物质是在DFM下观察的理想样品。在这种情况下，不需要外源光源，但应用范围相当有限。DFM的基本工作模型是将被摄体在倾斜照明焦平面上的散射光传递到物镜或电荷耦合器件（CCD）相机中。虽然可以获得深色背景，但收集到的光散射强度仍然必须足够高。到目前为止，已经鉴定出一些具有高散射效率的优秀成像探针，如贵金属纳米粒子和有机分子的有序组装体。这些探针都是光散射光谱分析（光谱散射仪）发展的里程碑，并已迅速转移到暗场显微成像（iDFM）分析领域。
第10章主要介绍微观传热学的单相对流传热。单相对流传热在微观传热学中具有核心地位，它阐释了热量如何通过流体分子的微观热运动与宏观流动相结合的方式进行传递。在这一过程中，微观层面的分子碰撞与能量转移共同构成了对流换热的基础，而在宏观上则表现为流体因温差导致的密度变化引起的流动，从而实现了能量从高温区向低温区的有效迁移。对单相对流传热的深入研究，不仅揭示了热量传递内在规律，还促成了适用于不同工程场景的准则关联式和相似理论的发展，这些理论工具简化了复杂传热问题的解决流程。此外，微观传热学对单相对流换热的探索进一步指导了对流传热增强技术的研发，如通过调整流场结构、表面性质等手段优化微观传热性能，这对于提升换热器、制冷系统等工程设备的效能至关重要。本章*先简要介绍了单相对流换热的相关基础概念，并详细阐述管内受迫对流换热、外掠圆管对流换热、自然对流传热、混合对流传热等**
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