熱的本質(zhì)及應(yīng)用講義

熱的本質(zhì)及應(yīng)用Thenatureofheatandapplications作者：羅華林作者單位：陜西省化肥廠退休工人。地址：陜西省渭南市華縣瓜坡鎮(zhèn)陜化家屬區(qū)。郵編：714100摘要：文章通過總結(jié)人們以往對(duì)“熱”的認(rèn)識(shí)和存在的問題。用新的物質(zhì)波與粒子運(yùn)動(dòng)理論，解釋分子運(yùn)動(dòng)是熱產(chǎn)生的過程和熱表現(xiàn)的形式。熱的實(shí)質(zhì)是電磁波(紅外波段)對(duì)物質(zhì)作用的波-粒二態(tài)效應(yīng)。正本清元地說明了熱的本質(zhì)和微觀過程機(jī)理。通過這個(gè)理論可以更廣泛性地說明超導(dǎo)機(jī)理和萬有引力的機(jī)理。從而可以用熱加速粒子和媒介子極化運(yùn)動(dòng)來等效粒子加速器和萬有引力作用，模擬宇宙星體演化過程。同時(shí)也說明了理論與應(yīng)用的互為作用意義。理論可以指導(dǎo)應(yīng)用，應(yīng)用又促進(jìn)理論的發(fā)展。關(guān)件詞：熱，分子運(yùn)動(dòng)，波-粒二態(tài)，(heat,molecularmotion,wave—particletowstates)“熱”是人們最先最早感知的一種物理現(xiàn)象。它普遍地存在于宇宙中，可以說它無處不有，不但生命需要它，宇宙的演化，以及各種物質(zhì)的形態(tài)，物質(zhì)的變化，能量的轉(zhuǎn)換都有它的作用。為了描述熱與物質(zhì)作用關(guān)系。即熱的傳遞作功Q （Q總熱量、 物體的內(nèi)能增加量、A對(duì)外作功）的熱力學(xué)第一定律。在描述氣體熱態(tài)的體積、壓力、分子數(shù)與溫度的關(guān)系，有了pvMRT（P氣體的體積、V氣體的壓力、M氣體的質(zhì)量、氣體的摩爾質(zhì)量、R普適氣體常數(shù)、T開爾文溫度）的氣態(tài)方程式。在描述物體熱量程度時(shí)又有了“熱熔” 。在描述熱作功及熱的傳遞方向用了“熵”這個(gè)物理量，產(chǎn)生了熱力學(xué)第二定律，即不可逆過程與熵增加。通常人們?yōu)榱硕攘繜岬某潭扔昧恕皽囟取边@個(gè)物理量，溫度是一個(gè)宏觀表現(xiàn)統(tǒng)計(jì)量。人們?yōu)榱苏J(rèn)識(shí)熱的本質(zhì)，試圖把熱看成一種獨(dú)立的能量物質(zhì)，曾用“熱質(zhì)流”說法來解釋熱，但人們無法測(cè)到熱質(zhì)和摩擦生熱的原因。后來人們對(duì)氣體和液體用分子運(yùn)動(dòng)、碰撞平均動(dòng)能來說明熱的本質(zhì)。對(duì)于固體物人們用分子平衡態(tài)振動(dòng)來解釋熱，并認(rèn)為熱只能是多分子運(yùn)動(dòng)體系的宏觀統(tǒng)計(jì)現(xiàn)象。沒有微觀的意義。那“熱”是怎樣使分子運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)的呢？如果熱是分子運(yùn)動(dòng)，物體的接觸熱傳導(dǎo)可以成立，是因?yàn)榉肿咏佑|傳遞動(dòng)能，那紅外線傳遞熱能又如何解釋？宏觀物的運(yùn)動(dòng)為什么就沒有熱呢？紅外線是電磁波的一個(gè)頻段，它又如何能使分子運(yùn)動(dòng)呢？原子、電子、基本粒子在物質(zhì)中就沒有熱嗎？就沒有運(yùn)動(dòng)嗎？顯然不是這樣。為什么有熱的物體就會(huì)有紅外線輻射？為什么微波、紅外線、甚至是可見光的紅段都對(duì)物體能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)？既然熱不是 “熱質(zhì)”的作用，那熱又是一種什么能量呢？它能讓分子運(yùn)動(dòng)呢？根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，宇宙中作用力只有四種，即：萬有引力、電磁力、強(qiáng)力、弱力，這四種力包括了現(xiàn)已了解的所有基本粒子作用及物態(tài)結(jié)構(gòu)力和產(chǎn)生的能量。強(qiáng)力和弱力都在核中，電磁力對(duì)電子和帶電粒子起作用也是分子結(jié)合力，萬有引力對(duì)所有物質(zhì)都產(chǎn)生作用，但是它是引力產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)是向心的，不可能使分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)。分子要運(yùn)動(dòng)必須有力的作用才能運(yùn)動(dòng)?！盁帷辈皇橇λ鯓幼尫肿舆\(yùn)動(dòng)呢？從現(xiàn)代物理來看“真空”并不空。如果用“真空”是由各種媒介子密分布所構(gòu)成的物態(tài)區(qū)。而物質(zhì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)架是由媒介子極化態(tài)聯(lián)系其基本粒子所形成的物質(zhì)態(tài)。那就不難解釋熱的本質(zhì)和其微觀作用機(jī)理。可以這樣認(rèn)為熱的起因是粒子運(yùn)動(dòng)的波粒二態(tài)的表現(xiàn)。波與粒子能量相敷相成，所以熱的本質(zhì)就是電磁波在微波、紅外波、可見光紅段對(duì)物體的作用效應(yīng)。電磁波它本就是一種物態(tài)能量形式，它能在真空中傳遞“熱能”又能使粒子、分子發(fā)生加速運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的分子碰撞，減速又會(huì)輻射紅外線，反之用電磁波也能加速分子運(yùn)動(dòng)。因此可以這樣認(rèn)為有波（物質(zhì)波）就有粒子運(yùn)動(dòng)，有運(yùn)動(dòng)就有波。熱能的傳遞既可以是電磁輻射，也可以是物體接觸動(dòng)能和波的傳遞。人們都知道電磁波在不同頻段對(duì)物體的作用效應(yīng)是不一樣的。事實(shí)上電磁波的全頻都有一定的熱效應(yīng)，在低頻段對(duì)物作用以電磁效應(yīng)為主，在微波到可見光的低頻段是以熱效應(yīng)為主，在可見光段以光性為主，表現(xiàn)在物質(zhì)作用為反射、折射或一些物的透射及光電、光化學(xué)作用和幾何光學(xué)性，在x光和r射線對(duì)物以穿透和電離為主。（注：關(guān)于物質(zhì)波和電磁波的作用關(guān)系可參閱“微觀物態(tài)及特性”）電磁波能與電子和帶電粒子發(fā)生作用，產(chǎn)生粒子加速作用。在物質(zhì)的原子中電子易在紅外波段的電磁波獲能，發(fā)生原子軌道上電子躍遷，同時(shí)會(huì)使分子鍵發(fā)生伸長(zhǎng)，當(dāng)電子在高軌回跳時(shí)會(huì)放出能量產(chǎn)生電磁波， 此時(shí)分子鍵會(huì)回縮，這就是分子振動(dòng)的原因。對(duì)于多原子構(gòu)成的多鍵分子及分子與分子的鏈鍵，由于電子與電子之間和核之間的共同作用的捏動(dòng)， 分子鍵也會(huì)產(chǎn)生彎曲振動(dòng)。分子的振動(dòng)會(huì)發(fā)生分子之間的碰撞，對(duì)于氣體和液體來說分子團(tuán)之間距離較大碰撞后會(huì)發(fā)生慣性漂移運(yùn)動(dòng)，就會(huì)有分子平均動(dòng)能的意義了。那為什么熱效應(yīng)光譜都在紅外、遠(yuǎn)紅外和微波段呢？并且不等于原子軌道能量躍遷回跳光譜呢？因?yàn)榉肿邮怯蓛蓚€(gè)以上原子構(gòu)成，分子的成鍵電子是受兩個(gè)核的作用，核對(duì)電子都有引力，電子在分子成鍵后躍遷范圍減小電子躍遷符合分子軌道能級(jí)的范德瓦斯力（分子力）。但這種力的根本還是電磁力。那電子又是怎樣與電磁力作用被加速的呢？現(xiàn)在人們都知道物質(zhì)運(yùn)動(dòng)具有波粒二相性。但在這里要說明物質(zhì)波的波粒二相性不是電磁波的波粒二相性。 電磁波的波粒二相性是指波具有粒子性，是指電磁媒介子有序極化傳能群態(tài)。而物質(zhì)波是指運(yùn)動(dòng)態(tài)粒子由粒子屬性作用的極化和非屬性粒子由運(yùn)動(dòng)碰撞極化的媒介子共同產(chǎn)生的跟隨波，是粒子與波相伴相隨相互能量傳遞態(tài)。物質(zhì)波中包含了電磁波，并且以電磁波方式體現(xiàn)出來。物質(zhì)波是電磁媒介子、強(qiáng)力媒介子和弱力媒介子混合作用，最終以電磁波方式遠(yuǎn)傳。物質(zhì)運(yùn)動(dòng)與物質(zhì)波兩體，它們有各自的平均能量，波長(zhǎng)與粒子速度有關(guān)，波能量mv2hf、波長(zhǎng)—、粒子能量-mv2P 2（m粒子質(zhì)量、p粒子動(dòng)量、v粒子速度、h普朗克常數(shù)、f物質(zhì)波頻率）。粒子運(yùn)動(dòng)和波是相互轉(zhuǎn)換能量的，在很短的時(shí)間內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)是跳躍式運(yùn)動(dòng)，這就是粒子運(yùn)動(dòng)測(cè)不準(zhǔn)的由來。這個(gè)機(jī)理是粒子運(yùn)動(dòng)碰撞媒介子，媒介子獲能極化，粒子失能減速，這時(shí)獲能媒介子因傳能運(yùn)動(dòng)會(huì)碰撞運(yùn)動(dòng)方向垂直面上的媒介子形成波，此時(shí)運(yùn)動(dòng)粒子在置換媒介子前移時(shí)粒子后方成為無能區(qū)，波會(huì)回傳能量并碰撞粒子又使粒子獲能再加速運(yùn)動(dòng)，如果波能增加粒子速度也會(huì)增加，如果粒子碰撞制動(dòng)波則會(huì)輻射。這就是能量轉(zhuǎn)換能量守恒。從上述情況可以看出波能加速粒子運(yùn)動(dòng)，同樣運(yùn)動(dòng)的粒子碰撞制動(dòng)或偏轉(zhuǎn)也會(huì)輻射出波。分子振動(dòng)是原子外層的受能躍遷回跳造成，并不是電子的全制動(dòng)，是電子軌道的變化，是偏折運(yùn)動(dòng)，其放出的能量是分子軌道能量差，這個(gè)能量的波基本都在紅外波段左右。同樣這個(gè)波段的波也易被分子吸收加速電子，發(fā)生分子運(yùn)動(dòng)，這就是熱效應(yīng)。（關(guān)于物質(zhì)波與輻射可參看“微觀物態(tài)及特性”文章）既然物質(zhì)波與電磁波不是同種波，為什么最后又能是電磁波的紅外輻射，并產(chǎn)生熱效應(yīng)呢？因?yàn)闊o論是電磁媒介子、強(qiáng)力媒介子還是弱力媒介子，雖然它們的屬性作用力不一樣，但它們都是實(shí)體粒子，粒子的機(jī)械力運(yùn)動(dòng)碰撞都可以使媒介子發(fā)生分離極化。因?yàn)樗械拿浇樽佣际歉髯詫傩粤Ｗ拥恼⒎戳Ｗ拥膹?fù)合體。電磁媒介子是體積最大的媒介子。最終會(huì)以電磁媒介子極化成為電磁波外傳。事實(shí)上做物質(zhì)波衍射實(shí)驗(yàn)是感光片得到的效應(yīng)結(jié)果，所以這個(gè)波就是電磁波。物質(zhì)波本是基本粒子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生，但在一般物質(zhì)中粒子運(yùn)動(dòng)受物質(zhì)結(jié)構(gòu)制約，由于分子、多分子化合物或晶體，它們的結(jié)合鍵能不一樣，所以分子振動(dòng)產(chǎn)生的波不是單一譜線。再由于物體內(nèi)外有熱差別，物體上能量分布不均勻，電磁輻射頻譜不是一個(gè)單頻或幾個(gè)單線譜而是連續(xù)分布有一定帶寬，其帶中心是一個(gè)峰頻的頻譜帶。并且這個(gè)峰分布近似正態(tài)分布。到此我們了解熱的實(shí)質(zhì)及微觀作用機(jī)理，當(dāng)然也就明確了溫度、色溫、亮度的關(guān)系了。溫度的意義是一定的電磁波輻射量和一個(gè)波段頻譜分布的平均能量數(shù)，或稱之為一定分子數(shù)的平均動(dòng)能值。當(dāng)溫度升高，標(biāo)志著物體內(nèi)能量增加，其輻射波頻帶也上移波量也增加（波能流密度）。同時(shí)波譜帶也反映出光色，波譜帶上移也就是色溫蘭移，也就是溫度增高，同時(shí)波量增加，亮度也增加，也反映出溫度的特征。反之溫度下降色溫紅移，甚至到遠(yuǎn)紅外波段。那為什么有絕對(duì)零度呢？絕對(duì)零度時(shí)電子就不運(yùn)動(dòng)了嗎？可以說基本粒子靜止態(tài)是沒有熱也就是沒有溫度，它不向外輻射電磁波，（不包括自旋和靜場(chǎng)）只要運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞就會(huì)發(fā)生輻射就有熱。所以基本粒子的群體是有相互運(yùn)動(dòng)碰撞當(dāng)然有熱，宏觀物體的摩擦生熱實(shí)際是物體界面上的分子運(yùn)動(dòng)碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能與波效應(yīng)。至于運(yùn)動(dòng)的單粒子沒有碰撞也就沒有熱。那原子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)與核作用為什么不輻射電磁波就沒有熱呢？原子內(nèi)電子與核碰撞是核與電子電力加、減速作用。其波能在原子中自平衡不向外輻射電磁能也就沒有溫度（電力的加、減速不輻射電磁能）。只有電子躍遷反跳才有電磁輻射也就有了熱表現(xiàn)。這實(shí)際是電子的變軌偏折運(yùn)動(dòng)。所以通常人們定義物質(zhì)內(nèi)沒有分子運(yùn)動(dòng)，也就是沒有電磁輻射時(shí)為絕對(duì)零度。但這不等于物質(zhì)內(nèi)沒有運(yùn)動(dòng)和能量，原子內(nèi)電子和核內(nèi)粒子仍在運(yùn)動(dòng)只是沒有電磁輻射罷了。至于“熵”高溫?zé)嵩聪虻蜏責(zé)嵩磦鬟f作功，低溫?zé)嵩吹撵卦黾幼罱K導(dǎo)致宇宙“熱寂”這是不可能的。這是把熱看成一種獨(dú)立的能量和物質(zhì)孤立運(yùn)動(dòng)態(tài)，并且在一個(gè)封閉的系統(tǒng)。熱實(shí)際是電磁作用的波粒效應(yīng)。對(duì)于一個(gè)宇宙它有足夠的物質(zhì)量在引力的作用下將物態(tài)轉(zhuǎn)變，當(dāng)物質(zhì)聚集成為黑洞時(shí)，也就是星體內(nèi)核被壓擠成為無媒介子體時(shí)，所有的內(nèi)物質(zhì)都將成為基本粒子的形態(tài)而拋出（超新星爆炸）。這就是能量的轉(zhuǎn)換。不會(huì)有一個(gè)沒有“熱”交換的世界。這就是物到極至?xí)r相互的轉(zhuǎn)換。到此，我們已了解熱的宏觀表現(xiàn)和微觀機(jī)理。宇宙中無處不存在熱的作用，宇宙背景也有40的電磁波輻射，也正是它的存在反映了宇宙中被極化的媒介子的運(yùn)動(dòng)態(tài)，正是這個(gè)運(yùn)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生了萬有引力的跟本。宇宙的星體演化無不是從粒子的聚積、升溫、核反應(yīng)、再聚積升溫爆炸。最終物質(zhì)被積聚擠壓失去媒介子形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)架再成為基本粒子發(fā)生爆炸，這樣分散再重新聚積輪回演化。其過程的根本就是能量、物態(tài)的轉(zhuǎn)化守恒。正是這樣人們可以用加“熱”也就是用電磁波來加速粒子的運(yùn)動(dòng)碰撞粒子，實(shí)現(xiàn)與電場(chǎng)加速粒子的同等效果。同時(shí)也可以用“波”的動(dòng)量沖擊物質(zhì)也就是萬有引力的本質(zhì)，產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力模擬星體演化。這樣人們完全可以得到宇宙的真實(shí)演化態(tài)。并真正制造出微型的黑洞。從現(xiàn)有的物理理論和實(shí)驗(yàn)來看，通常的粒子加速器是不可能制造出所謂的黑洞。第一相對(duì)論是否成立并不確定。如果相對(duì)論質(zhì)能、質(zhì)速關(guān)系成立，則不需要粒子碰撞，只要把粒子加速到足夠的速度，讓粒子的質(zhì)量與半徑滿足西瓦茲條件就可以成為黑洞。但目前來看沒有發(fā)現(xiàn)粒子加速時(shí)能量增加而態(tài)變。第二既就是認(rèn)為黑洞是真真空區(qū)域，由于通常粒子加速器粒子束流密度很小不能形成密集無縫隙區(qū)對(duì)撞粒子不可能形成無媒介子的真空區(qū)成為黑洞。若用宏觀體系物質(zhì)用加熱方式也就是電磁波沖擊粒子，可以使粒子高度向內(nèi)中心聚攏（也就是向心力），粒子積聚達(dá)到無縫隙程度，物質(zhì)間的結(jié)構(gòu)構(gòu)架媒介子被擠出，粒子失去了支持力粒子間的斥力碰撞，首先是電力作用媒介子（光子）被擠出發(fā)生類超新星爆炸，形成有強(qiáng)力弱力作用的中子星體，如果沖擊力再?gòu)?qiáng)會(huì)把強(qiáng)力媒介子和弱力媒介子全部擠出此時(shí)的爆炸后就產(chǎn)生了無任何粒子的真真空區(qū)即黑洞。事實(shí)上人們正在用的電磁加熱的熱核反應(yīng)就是這個(gè)原理。電磁說的熱機(jī)理也能很好地解釋超導(dǎo)機(jī)理。物質(zhì)在常態(tài)由于分子有熱運(yùn)動(dòng)，使內(nèi)結(jié)構(gòu)不能形成有效的固定空間通道。當(dāng)外電場(chǎng)作用與導(dǎo)體時(shí)，自由電子的定向運(yùn)動(dòng)會(huì)與物體中的分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生熱效應(yīng)，同時(shí)消耗電子動(dòng)能形成宏觀的電阻效應(yīng)。當(dāng)溫度降到一定程度時(shí)物質(zhì)中的分子運(yùn)動(dòng)降低或停止形成有固定位的晶格結(jié)構(gòu)，使得在物體結(jié)構(gòu)中形成有一定寬度的無粒子的真空通道，這個(gè)通道也是一個(gè)波導(dǎo)管，電子在這個(gè)管道內(nèi)被電場(chǎng)作用，將無阻礙地運(yùn)動(dòng)，即就是撤去電場(chǎng)（線段端電壓）電子仍可以繼續(xù)無阻礙地慣性運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然物體內(nèi)的通道數(shù)是多條的但也有限，容納電子密度也有限，物體內(nèi)原子的電子受外能干