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热是怎样传递热的?

晏成和

在中学,我们就学习了热传递的三个途径,即热传递的三要素——热对流、热传导、热辐射。三要素中有两个要素的理论有问题。

热对流很好理解,就是热从温度较高的物质、如热的液体、气体流向了温度较低的区域,也把自身的热带到了新的地方。当然也可以说是冷的液体、气体流向了温度较高的区域,也把自身的低温带到了新的地方。

热传导  人们早就注意到,物质内部,不同的物体其导热能力大不相同,当固体物质局部受到高温时,金属物质传热快,而非金属及化合物传热缓慢,为什么会有这样大的差异,不是因为金属内有什么“自由电子”。

我在《热的本质是什么》已经用实验论证:热是核外电子绕核运转速率、是整个原子才会有的现象,也就是说只有原子才会有温度,电子自身根本就不携带温度、世上没有热的电子、冷电子,所以自然界也根本不存在自由电子传热。金属靠自由电子传热是个流传百年的错误。

热是核外电子绕核运转速率、是一种运动状态,那么,传热就是牵动和影响、加快或降低邻近电子的速率、改变核外电子运动状态。如何改变电子运动状态、弄清楚物体导热原理,先要回顾物质的微观构成,探讨电子的运转在此构造中如何牵动、传导。

在《 晶体形成的物理原因》说到:原子有几个价电子,就能构成几个结构元,价电子大于、等于4的元素,能够形成空间价和结构。如Ⅳ族元素碳、硅,就形成了金刚石结构(见图2-1左)。同样,Ⅴ族元素,形成了菱方结构的晶格。

价和结构                        电磁力结构

图2-1

价电子数等于或小于3的金属物质,如金、银、铜原子只有1个价电子,两个原子结合起来只能建立1个结构元, 当金属的价和电子高速运转时,在旋转平面椭圆焦点产生着南北向的磁场,磁场力南北极相互吸引,把结构元相互紧紧吸引在相对固定的位置。图2-1右图为金属物体的结构示意。核外电子的规律运动,既形成晶体结构也携带物体的温度。

物体的传热是:当物体局部受热时,物体内的某局部热量增加,该局部的核外电子速率增加,而且牵动、影响到邻近结构元的核外电子使其速率增加,从而把热传递到邻近的地方。

金属物质传热快,不是因为金属内有什么“自由电子”。而是因为金属内各个结构元由电磁力维持其相对位置,每个结构元内的价和电子的速率相对独立,与其他价和电子的速率没有直接牵连,不受其他结构元的价和电子的直接影响。(图2-2右)

金属受热时,价和电子速率立即升高,使得电磁力增加,增大的电磁力对邻近的结构元产生影响,邻近的结构元的价和电子因而立即增加速率,以维持电磁力的平衡。这样,金属内局部的升温,由于电磁力的增大而较为迅速地在金属内传播、扩展,从而导致了金属良好的导热性能。

我们看到:物体的导热不是热的搬运、移动,而是物质内相邻结构元电子运动状态的逐步传递。因此相对于导电的神速,物体的导热是缓慢的。那种金属由自由电子导热是流传百年的错误。

非金属(硅)                                     金属

图2—2 非金属与金属结构示意图

再回答非金属的导热,非金属的导热更缓慢,因为非金属体价电子数较多,如硅结构示意图(图2—2左),每个核心周围有4 个或更多的价和轨道的环绕,而每个轨道的另一端连着另一核心,另一核心又环绕着许多轨道,如此有序连续地构成(充满)了整个物体。每个结构元的价和电子的速率都是相互牵制的,它们的速率必须相对同步。当物体局部受热时,价和电子的速率加快受到周围结构元的制约,只能逐步协调缓慢增加,因而热量也得不到较快的扩散、传播,故非金属物体的导热性能很差。

化合物是由金属与非金属结合而成,每个核心周围有4 个或更多的价和轨道的环绕,其导热情形与价和晶体相同。

当非金属物体局部突然受热(冷)时,局部的价和电子的速率升高(降低)或是有升降的趋势,而未受热的部位的价和电子仍维持其原有的速率,于是在冷热交界处价和电子的速率紊乱,拥挤、移位,导致了结构元的损坏,由于其结构元之间是互相牵连的,结构元的损坏使得这一局部的价和电子更加混乱,导致结构元纷纷解体,于是物体就炸裂了。如:冷玻璃杯中突然注入开水,热的砂锅置于冷水时,它们的炸裂都是这个原因。

在中学,我们学习到:热总是由高温物质向低温物质传播。有的同学就想,热为什么就不能由低温物质向高温物质传播呢?这是因为热是物质核外的电子的运动现象,高温物质电子速率高,低温物质电子速率低。当一组高速的价和电子与一组低速的价和电子靠近时,两组价和电子相互影响,快的减慢,慢的加快,即高温的物质降温,低温的物质升温,这也是热力学第二定律,热只能由高温物质向低温物质传播(传导)的原因。

热辐射  热辐射是不存在的,我们在热学(一)已经用5个实验论证:热是核外电子绕核运转速率、是原子整体才会有的现象,这种现象是不能辐射的。高温物质辐射的不是热,实实在在辐射的是电磁波、是红外线,所以应该叫做电磁波辐射。

核外电子绕着核心旋转着,电子运转伴生着电磁波,运转速率就是物质温度。当外界的温度较低,高速运转的核外电子发生跃迁,降低自身的速率同时向外辐射电磁波;当外界温度较高,处在温度较低的原子就吸收外界辐射的电磁波,加快自身的核外电子运转速率,即提升了自身的温度。

自然界所有原子都是在这样不断地辐射、接收着电磁波,与外界进行着交流,维持着一个动态的相对平衡。这样,从传热到辐射都成就了“热总是由高温物质向低温物质传播”的热力学第二定律。物质就是这样与外界通过辐射或接收辐射与外界进行热交流(辐射传递)。

人们晒太阳、烤火,接收着热源辐射过来的电磁波,随即提升了自身物质的核外电子的速率,提升了自身的温度,感觉温暖,于是把电磁辐射叫做热辐射。

作旋转运动的带电物体(电子)会不会断地发射电磁波,并不断的损失能量。那么,电子会不会把能量辐射殆尽,直至愈来愈慢,陷落到原子核内?

不会的,核外电子运转所产生的辐射不是单向的,原子不会把自身的温度辐射殆尽,物质不会是孤立的,总是会处在一定的温度环境之中,温度较低的物质可以接受较热物质的电磁波辐射,使自身的电子运转速率增加,温度升高。这就是所谓的热辐射,实际上是电磁波的辐射。所以人们就在篝火边、在阳光下取暖。

阳光问题  “温暖的阳光照耀着大地。”这是许多文学作品常用的一句话。然而,这句话是错的!至少是不确切的。因为阳光不是温暖的。

“阳光怎么不温暖?我们在阳光下,冬天暖、夏天热。”是的,这是事实,这是因为在这里除了阳光,还有你,还有周围的物质。

阳光是太阳辐射出的许多不同频率的电磁波,纯粹的电磁波是没有温度的。不信?几千米的高山上的皑皑白雪就是证明:如果你在夏天的中午登上峨嵋山,此时你离太阳更近,应该感到更热,然而事实是山顶的温度比山下还低十几度,所以山上出租棉大衣的生意十分兴隆。这是因为高山上空气稀薄、物质较少,由于只有较少的物质接受电磁波,因而温度也较低。

有物质才有温度,故而,高处不胜寒。在太空中没有物质也就没有温度(接近绝对零度),在高空航行的飞机,也有一个防冻的问题。

阳光(电磁波)只有照射在物质上,使原子核外的电子加速运转,物质的温度才得以升高。而且不同的电磁波的频率对不同的物质作用不尽相同。红外波的升温效果最明显,紫外波则不显什么热量。这说明,一般物质的电子运转频率与红外波的频率相近。

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