熱的本質(zhì)及應用講義

熱的本質(zhì)及應用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：文章通過總結人們以往對“熱”的認識和存在的問題。用新的物質(zhì)波與粒子運動理論，解釋分子運動是熱產(chǎn)生的過程和熱表現(xiàn)的形式。熱的實質(zhì)是電磁波(紅外波段)對物質(zhì)作用的波-粒二態(tài)效應。正本清元地說明了熱的本質(zhì)和微觀過程機理。通過這個理論可以更廣泛性地說明超導機理和萬有引力的機理。從而可以用熱加速粒子和媒介子極化運動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。同時也說明了理論與應用的互為作用意義。理論可以指導應用，應用又促進理論的發(fā)展。關件詞：熱，分子運動，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，能量的轉換都有它的作用。為了描述熱與物質(zhì)作用關系。即熱的傳遞作功Q （Q總熱量、 物體的內(nèi)能增加量、A對外作功）的熱力學第一定律。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又有了“熱熔” 。在描述熱作功及熱的傳遞方向用了“熵”這個物理量，產(chǎn)生了熱力學第二定律，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@個物理量，溫度是一個宏觀表現(xiàn)統(tǒng)計量。人們?yōu)榱苏J識熱的本質(zhì)，試圖把熱看成一種獨立的能量物質(zhì)，曾用“熱質(zhì)流”說法來解釋熱，但人們無法測到熱質(zhì)和摩擦生熱的原因。后來人們對氣體和液體用分子運動、碰撞平均動能來說明熱的本質(zhì)。對于固體物人們用分子平衡態(tài)振動來解釋熱，并認為熱只能是多分子運動體系的宏觀統(tǒng)計現(xiàn)象。沒有微觀的意義。那“熱”是怎樣使分子運動和振動的呢？如果熱是分子運動，物體的接觸熱傳導可以成立，是因為分子接觸傳遞動能，那紅外線傳遞熱能又如何解釋？宏觀物的運動為什么就沒有熱呢？紅外線是電磁波的一個頻段，它又如何能使分子運動呢？原子、電子、基本粒子在物質(zhì)中就沒有熱嗎？就沒有運動嗎？顯然不是這樣。為什么有熱的物體就會有紅外線輻射？為什么微波、紅外線、甚至是可見光的紅段都對物體能產(chǎn)生顯著的熱效應？既然熱不是 “熱質(zhì)”的作用，那熱又是一種什么能量呢？它能讓分子運動呢？根據(jù)現(xiàn)代物理學認為，宇宙中作用力只有四種，即：萬有引力、電磁力、強力、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)結構力和產(chǎn)生的能量。強力和弱力都在核中，電磁力對電子和帶電粒子起作用也是分子結合力，萬有引力對所有物質(zhì)都產(chǎn)生作用，但是它是引力產(chǎn)生的運動是向心的，不可能使分子不規(guī)則運動和振動。分子要運動必須有力的作用才能運動?！盁帷辈皇橇λ鯓幼尫肿舆\動呢？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成的物態(tài)區(qū)。而物質(zhì)的結構構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)和其微觀作用機理?？梢赃@樣認為熱的起因是粒子運動的波粒二態(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、可見光紅段對物體的作用效應。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)生加速運動，在運動的分子碰撞，減速又會輻射紅外線，反之用電磁波也能加速分子運動。因此可以這樣認為有波（物質(zhì)波）就有粒子運動，有運動就有波。熱能的傳遞既可以是電磁輻射，也可以是物體接觸動能和波的傳遞。人們都知道電磁波在不同頻段對物體的作用效應是不一樣的。事實上電磁波的全頻都有一定的熱效應，在低頻段對物作用以電磁效應為主，在微波到可見光的低頻段是以熱效應為主，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、光化學作用和幾何光學性，在x光和r射線對物以穿透和電離為主。（注：關于物質(zhì)波和電磁波的作用關系可參閱“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，同時會使分子鍵發(fā)生伸長，當電子在高軌回跳時會放出能量產(chǎn)生電磁波， 此時分子鍵會回縮，這就是分子振動的原因。對于多原子構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， 分子鍵也會產(chǎn)生彎曲振動。分子的振動會發(fā)生分子之間的碰撞，對于氣體和液體來說分子團之間距離較大碰撞后會發(fā)生慣性漂移運動，就會有分子平均動能的意義了。那為什么熱效應光譜都在紅外、遠紅外和微波段呢？并且不等于原子軌道能量躍遷回跳光譜呢？因為分子是由兩個以上原子構成，分子的成鍵電子是受兩個核的作用，核對電子都有引力，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)運動具有波粒二相性。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)波是指運動態(tài)粒子由粒子屬性作用的極化和非屬性粒子由運動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、強力媒介子和弱力媒介子混合作用，最終以電磁波方式遠傳。物質(zhì)運動與物質(zhì)波兩體，它們有各自的平均能量，波長與粒子速度有關，波能量mv2hf、波長—、粒子能量-mv2P 2（m粒子質(zhì)量、p粒子動量、v粒子速度、h普朗克常數(shù)、f物質(zhì)波頻率）。粒子運動和波是相互轉換能量的，在很短的時間內(nèi)粒子運動是跳躍式運動，這就是粒子運動測不準的由來。這個機理是粒子運動碰撞媒介子，媒介子獲能極化，粒子失能減速，這時獲能媒介子因傳能運動會碰撞運動方向垂直面上的媒介子形成波，此時運動粒子在置換媒介子前移時粒子后方成為無能區(qū)，波會回傳能量并碰撞粒子又使粒子獲能再加速運動，如果波能增加粒子速度也會增加，如果粒子碰撞制動波則會輻射。這就是能量轉換能量守恒。從上述情況可以看出波能加速粒子運動，同樣運動的粒子碰撞制動或偏轉也會輻射出波。分子振動是原子外層的受能躍遷回跳造成，并不是電子的全制動，是電子軌道的變化，是偏折運動，其放出的能量是分子軌道能量差，這個能量的波基本都在紅外波段左右。同樣這個波段的波也易被分子吸收加速電子，發(fā)生分子運動，這就是熱效應。（關于物質(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)生熱效應呢？因為無論是電磁媒介子、強力媒介子還是弱力媒介子，雖然它們的屬性作用力不一樣，但它們都是實體粒子，粒子的機械力運動碰撞都可以使媒介子發(fā)生分離極化。因為所有的媒介子都是各自屬性粒子的正、反粒子的復合體。電磁媒介子是體積最大的媒介子。最終會以電磁媒介子極化成為電磁波外傳。事實上做物質(zhì)波衍射實驗是感光片得到的效應結果，所以這個波就是電磁波。物質(zhì)波本是基本粒子運動所產(chǎn)生，但在一般物質(zhì)中粒子運動受物質(zhì)結構制約，由于分子、多分子化合物或晶體，它們的結合鍵能不一樣，所以分子振動產(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單頻或幾個單線譜而是連續(xù)分布有一定帶寬，其帶中心是一個峰頻的頻譜帶。并且這個峰分布近似正態(tài)分布。到此我們了解熱的實質(zhì)及微觀作用機理，當然也就明確了溫度、色溫、亮度的關系了。溫度的意義是一定的電磁波輻射量和一個波段頻譜分布的平均能量數(shù)，或稱之為一定分子數(shù)的平均動能值。當溫度升高，標志著物體內(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，甚至到遠紅外波段。那為什么有絕對零度呢？絕對零度時電子就不運動了嗎？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）只要運動發(fā)生碰撞就會發(fā)生輻射就有熱。所以基本粒子的群體是有相互運動碰撞當然有熱，宏觀物體的摩擦生熱實際是物體界面上的分子運動碰撞產(chǎn)生的動能與波效應。至于運動的單粒子沒有碰撞也就沒有熱。那原子內(nèi)電子運動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)。這實際是電子的變軌偏折運動。所以通常人們定義物質(zhì)內(nèi)沒有分子運動，也就是沒有電磁輻射時為絕對零度。但這不等于物質(zhì)內(nèi)沒有運動和能量，原子內(nèi)電子和核內(nèi)粒子仍在運動只是沒有電磁輻射罷了。至于“熵”高溫熱源向低溫熱源傳遞作功，低溫熱源的熵增加最終導致宇宙“熱寂”這是不可能的。這是把熱看成一種獨立的能量和物質(zhì)孤立運動態(tài)，并且在一個封閉的系統(tǒng)。熱實際是電磁作用的波粒效應。對于一個宇宙它有足夠的物質(zhì)量在引力的作用下將物態(tài)轉變，當物質(zhì)聚集成為黑洞時，也就是星體內(nèi)核被壓擠成為無媒介子體時，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）。這就是能量的轉換。不會有一個沒有“熱”交換的世界。這就是物到極至時相互的轉換。到此，我們已了解熱的宏觀表現(xiàn)和微觀機理。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動態(tài)，正是這個運動態(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、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構構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動碰撞粒子，實現(xiàn)與電場加速粒子的同等效果。同時也可以用“波”的動量沖擊物質(zhì)也就是萬有引力的本質(zhì)，產(chǎn)生強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)有的物理理論和實驗來看，通常的粒子加速器是不可能制造出所謂的黑洞。第一相對論是否成立并不確定。如果相對論質(zhì)能、質(zhì)速關系成立，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)粒子加速時能量增加而態(tài)變。第二既就是認為黑洞是真真空區(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），粒子積聚達到無縫隙程度，物質(zhì)間的結構構架媒介子被擠出，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，形成有強力弱力作用的中子星體，如果沖擊力再強會把強力媒介子和弱力媒介子全部擠出此時的爆炸后就產(chǎn)生了無任何粒子的真真空區(qū)即黑洞。事實上人們正在用的電磁加熱的熱核反應就是這個原理。電磁說的熱機理也能很好地解釋超導機理。物質(zhì)在常態(tài)由于分子有熱運動，使內(nèi)結構不能形成有效的固定空間通道。當外電場作用與導體時，自由電子的定向運動會與物體中的分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生熱效應，同時消耗電子動能形成宏觀的電阻效應。當溫度降到一定程度時物質(zhì)中的分子運動降低或停止形成有固定位的晶格結構，使得在物體結構中形成有一定寬度的無粒子的真空通道，這個通道也是一個波導管，電子在這個管道內(nèi)被電場作用，將無阻礙地運動，即就是撤去電場（線段端電壓）電子仍可以繼續(xù)無阻礙地慣性運動。當然物體內(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