热的本质及应用

1热的本质及应用Thenatureofheatandapplications作者：罗华林作者单位：陕西省化肥厂退休工人。地址：陕西省渭南市华县瓜坡镇陕化家属区。邮编：714100摘要：文章通过总结人们以往对“热”的认识和存在的问题。用新的物质波与粒子运动理论，解释分子运动是热产生的过程和热表现的形式。热的实质是电磁波（红外波段）对物质作用的波-粒二态效应。正本清元地说明了热的本质和微观过程机理。通过这个理论可以更广泛性地说明超导机理和万有引力的机理。从而可以用热加速粒子和媒介子极化运动来等效粒子加速器和万有引力作用，模拟宇宙星体演化过程。同时也说明了理论与应用的互为作用意义。理论可以指导应用，应用又促进理论的发展。关件词：热，分子运动，波-粒二态，(heat,molecularmotion,wave—particletowstates)“热”是人们最先最早感知的一种物理现象。它普遍地存在于宇宙中，可以说它无处不有，不但生命需要它，宇宙的演化，以及各种物质的形态，物质的变化，能量的转换都有它的作用。为了描述热与2物质作用关系。即热的传递作功Q（Q总热量、物体的内能增加量、A对外作功）的热力学第一定律。在描述气体热态的体积、压力、分子数与温度的关系，有了RTMPV（P气体的体积、V气体的压力、M气体的质量、气体的摩尔质量、R普适气体常数、T开尔文温度）的气态方程式。在描述物体热量程度时又有了“热熔”。在描述热作功及热的传递方向用了“熵”这个物理量，产生了热力学第二定律，即不可逆过程与熵增加。通常人们为了度量热的程度用了“温度”这个物理量，温度是一个宏观表现统计量。人们为了认识热的本质，试图把热看成一种独立的能量物质，曾用“热质流”说法来解释热，但人们无法测到热质和摩擦生热的原因。后来人们对气体和液体用分子运动、碰撞平均动能来说明热的本质。对于固体物人们用分子平衡态振动来解释热，并认为热只能是多分子运动体系的宏观统计现象。没有微观的意义。那“热”是怎样使分子运动和振动的呢？如果热是分子运动，物体的接触热传导可以成立，是因为分子接触传递动能，那红外线传递热能又如何解释？宏观物的运动为什么就没有热呢？红外线是电磁波的一个频段，它又如何能使分子运动呢？原子、电子、基本粒子在物质中就没有热吗？就没有运动吗？显然不是这样。为什么有热的物体就会有红外线辐射？为什么微波、红外线、甚至是可见光的红段都对物体能产生显著的热效应？既然热不是“热质”的作用，那热又是一种什么能量呢？它能让分子运动呢？根据现代物理学认为，宇宙中作用力只有四种，即：万有引力、电磁力、强力、弱力，这四种力包括了现已了解的所有基本粒子作用及物态结构3力和产生的能量。强力和弱力都在核中，电磁力对电子和带电粒子起作用也是分子结合力，万有引力对所有物质都产生作用，但是它是引力产生的运动是向心的，不可能使分子不规则运动和振动。分子要运动必须有力的作用才能运动。“热”不是力它怎样让分子运动呢？从现代物理来看“真空”并不空。如果用“真空”是由各种媒介子密分布所构成的物态区。而物质的结构构架是由媒介子极化态联系其基本粒子所形成的物质态。那就不难解释热的本质和其微观作用机理。可以这样认为热的起因是粒子运动的波粒二态的表现。波与粒子能量相敷相成，所以热的本质就是电磁波在微波、红外波、可见光红段对物体的作用效应。电磁波它本就是一种物态能量形式，它能在真空中传递“热能”又能使粒子、分子发生加速运动，在运动的分子碰撞，减速又会辐射红外线，反之用电磁波也能加速分子运动。因此可以这样认为有波（物质波）就有粒子运动，有运动就有波。热能的传递既可以是电磁辐射，也可以是物体接触动能和波的传递。人们都知道电磁波在不同频段对物体的作用效应是不一样的。事实上电磁波的全频都有一定的热效应，在低频段对物作用以电磁效应为主，在微波到可见光的低频段是以热效应为主，在可见光段以光性为主，表现在物质作用为反射、折射或一些物的透射及光电、光化学作用和几何光学性，在x光和r射线对物以穿透和电离为主。（注：关于物质波和电磁波的作用关系可参阅“微观物态及特性”）电磁波能与电子和带电粒子发生作用，产生粒子加速作用。在物质的原子中电子易在红外波段的电磁波获能，发生原子轨道上电子跃迁，同时会使分子键发生伸长，4当电子在高轨回跳时会放出能量产生电磁波，此时分子键会回缩，这就是分子振动的原因。对于多原子构成的多键分子及分子与分子的链键，由于电子与电子之间和核之间的共同作用的捏动，分子键也会产生弯曲振动。分子的振动会发生分子之间的碰撞，对于气体和液体来说分子团之间距离较大碰撞后会发生惯性漂移运动，就会有分子平均动能的意义了。那为什么热效应光谱都在红外、远红外和微波段呢？并且不等于原子轨道能量跃迁回跳光谱呢？因为分子是由两个以上原子构成，分子的成键电子是受两个核的作用，核对电子都有引力，电子在分子成键后跃迁范围减小电子跃迁符合分子轨道能级的范德瓦斯力（分子力）。但这种力的根本还是电磁力。那电子又是怎样与电磁力作用被加速的呢？现在人们都知道物质运动具有波粒二相性。但在这里要说明物质波的波粒二相性不是电磁波的波粒二相性。电磁波的波粒二相性是指波具有粒子性，是指电磁媒介子有序极化传能群态。而物质波是指运动态粒子由粒子属性作用的极化和非属性粒子由运动碰撞极化的媒介子共同产生的跟随波，是粒子与波相伴相随相互能量传递态。物质波中包含了电磁波，并且以电磁波方式体现出来。物质波是电磁媒介子、强力媒介子和弱力媒介子混合作用，最终以电磁波方式远传。物质运动与物质波两体，它们有各自的平均能量，波长与粒子速度有关，波能量hfmv2、波长ph、粒子能量221mv（m粒子质量、p粒子动量、v粒子速度、h普朗克常数、f物质波频率）。粒子运动和波是相互转换能量的，在很短的时间内粒子运动是跳跃式运动，这就是粒子运动测不准的由来。这个机理是粒子运动碰5撞媒介子，媒介子获能极化，粒子失能减速，这时获能媒介子因传能运动会碰撞运动方向垂直面上的媒介子形成波，此时运动粒子在置换媒介子前移时粒子后方成为无能区，波会回传能量并碰撞粒子又使粒子获能再加速运动，如果波能增加粒子速度也会增加，如果粒子碰撞制动波则会辐射。这就是能量转换能量守恒。从上述情况可以看出波能加速粒子运动，同样运动的粒子碰撞制动或偏转也会辐射出波。分子振动是原子外层的受能跃迁回跳造成，并不是电子的全制动，是电子轨道的变化，是偏折运动，其放出的能量是分子轨道能量差，这个能量的波基本都在红外波段左右。同样这个波段的波也易被分子吸收加速电子，发生分子运动，这就是热效应。（关于物质波与辐射可参看“微观物态及特性”文章）既然物质波与电磁波不是同种波，为什么最后又能是电磁波的红外辐射，并产生热效应呢？因为无论是电磁媒介子、强力媒介子还是弱力媒介子，虽然它们的属性作用力不一样，但它们都是实体粒子，粒子的机械力运动碰撞都可以使媒介子发生分离极化。因为所有的媒介子都是各自属性粒子的正、反粒子的复合体。电磁媒介子是体积最大的媒介子。最终会以电磁媒介子极化成为电磁波外传。事实上做物质波衍射实验是感光片得到的效应结果，所以这个波就是电磁波。物质波本是基本粒子运动所产生，但在一般物质中粒子运动受物质结构制约，由于分子、多分子化合物或晶体，它们的结合键能不一样，所以分子振动产生的波不是单一谱线。再由于物体内外有热差别，物体上能量分布不均匀，电磁辐射频谱不是一个单频或几个单线谱而是连续分布有一定带宽，其带中心是一个峰频的频谱6带。并且这个峰分布近似正态分布。到此我们了解热的实质及微观作用机理，当然也就明确了温度、色温、亮度的关系了。温度的意义是一定的电磁波辐射量和一个波段频谱分布的平均能量数，或称之为一定分子数的平均动能值。当温度升高，标志着物体内能量增加，其辐射波频带也上移波量也增加（波能流密度）。同时波谱带也反映出光色，波谱带上移也就是色温兰移，也就是温度增高，同时波量增加，亮度也增加，也反映出温度的特征。反之温度下降色温红移，甚至到远红外波段。那为什么有绝对零度呢？绝对零度时电子就不运动了吗？可以说基本粒子静止态是没有热也就是没有温度，它不向外辐射电磁波，（不包括自旋和静场）只要运动发生碰撞就会发生辐射就有热。所以基本粒子的群体是有相互运动碰撞当然有热，宏观物体的摩擦生热实际是物体界面上的分子运动碰撞产生的动能与波效应。至于运动的单粒子没有碰撞也就没有热。那原子内电子运动与核作用为什么不辐射电磁波就没有热呢？原子内电子与核碰撞是核与电子电力加、减速作用。其波能在原子中自平衡不向外辐射电磁能也就没有温度（电力的加、减速不辐射电磁能）。只有电子跃迁反跳才有电磁辐射也就有了热表现。这实际是电子的变轨偏折运动。所以通常人们定义物质内没有分子运动，也就是没有电磁辐射时为绝对零度。但这不等于物质内没有运动和能量，原子内电子和核内粒子仍在运动只是没有电磁辐射罢了。至于“熵”高温热源向低温热源传递作功，低温热源的熵增加最终导致宇宙“热寂”这是不可能的。这是把热看成一种独立的能量和物质孤立运动态，并且在一个封闭的系统。热实际是电7磁作用的波粒效应。对于一个宇宙它有足够的物质量在引力的作用下将物态转变，当物质聚集成为黑洞时，也就是星体内核被压挤成为无媒介子体时，所有的内物质都将成为基本粒子的形态而抛出（超新星爆炸）。这就是能量的转换。不会有一个没有“热”交换的世界。这就是物到极至时相互的转换。到此，我们已了解热的宏观表现和微观机理。宇宙中无处不存在热的作用，宇宙背景也有40的电磁波辐射，也正是它的存在反映了宇宙中被极化的媒介子的运动态，正是这个运动态产生了万有引力的跟本。宇宙的星体演化无不是从粒子的聚积、升温、核反应、再聚积升温爆炸。最终物质被积聚挤压失去媒介子形成的结构构架再成为基本粒子发生爆炸，这样分散再重新聚积轮回演化。其过程的根本就是能量、物态的转化守恒。正是这样人们可以用加“热”也就是用电磁波来加速粒子的运动碰撞粒子，实现与电场加速粒子的同等效果。同时也可以用“波”的动量冲击物质也就是万有引力的本质，产生强大的压力模拟星体演化。这样人们完全可以得到宇宙的真实演化态。并真正制造出微型的黑洞。从现有的物理理论和实验来看，通常的粒子加速器是不可能制造出所谓的黑洞。第一相对论是否成立并不确定。如果相对论质能、质速关系成立，则不需要粒子碰撞，只要把粒子加速到足够的速度，让粒子的质量与半径满足西瓦兹条件就可以成为黑洞。但目前来看没有发现粒子加速时能量增加而态变。第二既就是认为黑洞是真真空区域，由于通常粒子加速器粒子束流密度很小不能形成密集无缝隙区对撞粒子不可能形成无媒介子的真空区成为黑洞。若用宏观体系物质用加热方式也就是电磁波冲8击粒子，可以使粒子高度向内中心聚拢（也就是向心力），粒子积聚达到无缝隙程度，物质间的结构构架媒介子被挤出，粒子失去了支持力粒子间的斥力碰撞，首先是电力作用媒介子（光子）被挤出发生类超新星爆炸，形成有强力弱力作用的中子星体，如果冲击力再强会把强力媒介子和弱力媒介子全部挤出此时的爆炸后就产生了无任何粒子的真真空区即黑洞。事实上人们正在用的电磁加热的热核反应就是这个原理。电磁说的热机理也能很好地解释超导机理。物质在常态由于分子有热运动，使内结构不能形成有效的固定空间通道。当外电场作用与导体时，自由电子的定向运动会与物体中的分子发生碰撞产生热效应，同时消耗电子动能形成宏观的电阻效应。当温度降到一定程度时物质中的分子运动降低或停止形成有固定位的晶格结构，使得在物体结构中形成有一定宽度的无粒子的真空通道，这个通道也是一个波导管，电子在这个管道内被电场作用，将无阻碍地运动，即就是撤去电场（线段端电压）电子仍可以继续无阻碍地惯性运动。当然物体内的通道数是多条的但也有限，容纳电子密度也有限，物体内原子的电子受外能干扰也是有限的，所以外磁场的干扰和导线载流（电子流）都有限，超过一定量值将失去超导性。新的理论产生，将指导应用的发展。除了能推进常规应用的进步，同时也使新的应用得以实现。同时它也对照出旧理论的问题，这也是科学