热的本质

2022-09-11

1 热与可见光的对比分析

我们的眼睛对可见光有光感, 对热没有, 但我们可以通过热成像仪看到热影像;我们的皮肤能感受到光的热度, 同样也能感受到热的热度。热成像仪也叫红外线成像仪, 从以上分析可以看出, 从物理学意义上来说, 热其实就是红外光, 和可见光一样, 其本质是电磁波。

既然热是红外光, 那么, 只要了解光的本质, 自然也就解开了热的本质。那么, 光的本质是什么呢?光是粒子的内部振动通过以太媒质向外传播的电磁波。

当前公认的热本质理论是热的运动说, 认为热是运动, 热现象产生于物质内部大量分子无规则运动。现在我们可以对热的本质做更精确的描述, 热的本质———热产生于粒子内部振动向外辐射的电磁波。

2 摩擦生热的过程

热运动说源于对摩擦生热的研究, 基于对热本质的重新认识, 我们可以更清楚的了解摩擦生热的整个过程。

摩擦或敲打物体时, 加剧了物体内部的原子核等粒子的振动, 粒子振动引起以太媒质振动, 向外辐射电磁波, 这个电磁波就是我们所说的热。这个过程和声波的产生过程是一样的, 当我们敲锣时, 引起锣振动, 然后这种振动通过空气向外传播形成声音, 声音的本质就是空气振动形成的机械波。

3 热学定律与压缩空气生热

热学定律认为, 热传导只能从温度高的物体向温度低的物体传递, 真的是这样吗?现在我们已经知道热是红外光, 是电磁波, 而电磁波是和声波一样的机械波。声波、电磁波有一个共同特点, 两个声源或电磁波源之间的波是相互传递又相互吸收的。热既然是电磁波, 那么, 热就不可能只从温度高的物体向温度低的物体传导, 而是两物体间无论温度高低, 均存在相互传递和吸收热的过程。温度高的物体向外辐射的热能高于从外界吸收到的热能, 温度会降低;温度低的物体向外辐射的热能低于从外界吸收到的热能, 温度会升高;当温度相同时, 说明向外传递和吸收的热能达到平衡, 相到抵消。

热能的传递和吸收都是通过电磁波进行的。物体温度升高一般来说是因为物体内部粒子获得了更多的振动能量, 粒子振动加剧;物体温度低于环境温度时, 其向外辐射的振动能量小于从外界获得的振动能量。不过, 也有例外, 譬如压缩空气生热。

我们知道, 当空气被压缩时, 压力升高, 会产生热, 压力降低时, 温度又降低, 这是为什么呢?当空气温度相同时, 每个分子的平均振动能量是相同的, 当空气被压缩后, 空气密度增加, 单位体积内挤进了更多的空气分子, 虽然每个分子的振动能量没有变化, 但单位体积的物体向外辐射热能电磁波的强度增加了, 因为向外辐射的总热量是单位体积内所有分子振动能量的总和, 故空气密度增加会造成温度升高, 反之温度下降。空气被压缩后温度升高, 此时, 其外向传递的热能大于从外部吸收的热能, 温度就会下降, 只到与外界温度一致才达到新的平衡。当压缩空气的温度与外界相同时, 我们降低压缩空气的压力, 其温度会下降到低于环境温度, 这又是为什么呢?这是因为压缩空气温度升高外向传递热能的过程, 其实是其内部粒子的振动能量损失的过程, 这会造成压缩空气的分子的平均振动能量小于外部空气分子的振动能量, 当压缩空气的压力被释放, 与外部压力相同时, 其密度变小并基本与外部持平, 由于在此前损失热能的过程中其每个分子的振动能量下降, 造成其单位体积向外辐射热能的强度低于外部向其传递的热能, 表现为温度下降, 这个时候, 其吸收热能的过程, 是分子振动能量升高的过程。

从以上分析, 我们可以看出, 热能并不是只从温度高的物体向温度低的物体传导, 我们需要重新定义热学定律。

热能传递定律———温度不同的物体之间会相互传递热能, 一个物体外向传递的热能大于从外部吸收的热能时表现为温度降低, 反之表现为温度升高, 达到平衡时与外界温度持平。

关于温度, 热运动说认为, 温度反应了物体内的分子热运动强弱, 反应了物体的内能强弱, 这是错误的, 温度其实反应了物体外向传播热能电磁波的强弱, 譬如当空气被压缩时, 其内能并未增加, 温度却升高了, 这是因为空气被压缩后, 单位体积的物体向外传递的热能电磁波增加了。当我们用温度计测量温度时, 并不是测量物体内部分子的振动强弱, 而是测量物体向温度计传递的热能电磁波的强弱, 故温度只反应物体外向传递的热能水平, 而不能反应物体内部的热能水平。