热本质是什么

1、热的本质是什么？阳光本身并不是热的，有人吸收才有了热！2014-12-09晏成和众缘和合热的本质是什么？热学百年迷茫（一）晏成和2014年11月26日提要：用实验证明了流传了一百年的金属中靠自由电子传热的理论是臆造的。通过火光综合实验，说明核外电子的运动是随温度有规律地变化的，温度=核外电子的速率。热是最普遍的自然现象，是物理学的一个专门分支。热的本质究竟是什么？今天的热力学仍然沿袭百年前的理论：“热现象是大量分子无规则振动的表现”，写在教科书并制造了“焓”“熵”这样貌似高深又不能自圆其说的新名词。热是怎么传递的？教科书说：“金属是由其内部自由电子传热导电”。在此，我们只是做几个简单的实验，请

2、大家关注实验细节，然后思考热究竟是什么。【实验1】金属是能够传热导电，但传热缓慢导电神速。拿一根40厘米长的铁丝在炉火上烧，几分钟后前端烧红了，烧了20分钟，我还能拿着它；但我不敢拿这根铁丝去插入电源的插孔里，因为不到0.0001秒，电就能传导到人。“自由电子”的作用为何同时快如闪电、又慢如蜗牛? 传热与导电的速度相差数亿倍！一百年来学者们对此都没有解释。因为“热现象是大量分子无规则振”，那么“自由电子传热”也就是自由移动的电子造成了大量分子无规则振动。物理学的教授一百年都是这么讲述，怎么就没有人来认真考察这个理论？我们就以传热较好的铜为例来再现这个过程：大家知道，一个质子的质量是电子的180

3、0倍，铜的原子量是63.55，“铜分子”的质量是电子的228780倍。如果电子是颗黄豆，铜分子则是一个几百斤的大石磨。按热力学理论，是电子的运动传递造成了分子的振动扔几颗黄豆，打得石磨晃悠振动，可能吗？这“自由电子传热”的天方夜谭的理论，在教科书上忽悠了一百年。【实验2】中国古代哲人就有用汝之矛刺汝之盾的妙思，于是就效法古人，让矛和盾同时上场。设计了个简单的实验，让金属在传热的同时导电。在普通直流电路中（如电池点亮小电珠），串接一根烧热的铜棒（长80,直径8mm。约400 C）。通电2分钟，电子在线路中、在高温的铜棒中穿行了几万个循环，如果电子传热，就应该把铜棒的热均匀地传递到电路（导线、电池

4、）各处。然而事实是，电路各处的温度仍然如初。【实验3】我们前些年电脑及电视使用的显像管，其荧光屏上的图像是电子的打击产生的，电子来自温度大于800 C的阴极。一天下来，至少有万亿个电子打在屏上，若电子传热，此时的荧光屏至少也有个100 C,不烫手起码也是个热的，然而这种现象从来没有发生。今天的物理学对热的解读存在了太多荒唐和谬误，因为不关心细节，对电子的特性茫然不知、连最基本的物质的“热”的本质究竟是什么都没有弄清楚。热不是“分子无规则振”而是核外电子运转的速度，电子的运动与热密切相关，我们再用实验来看核外电子与热的关联。【实验4】我们把一根铁丝插入燃烧着的炉火中，铁丝的一端被烧红、发亮，拿出

5、炉的铁丝光色黄亮，随着温度逐渐降低，铁丝的发光逐渐由亮黄变橙、变红、变暗红，最后火光熄灭，尚有余热，这说明铁丝还在辐射红外光波。分析人们已经知道，物质发出的光，实际上是电磁波。温度升高，电磁波的频率从微波、红外波、到可见光赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫由低到高。将以上几项物理现象联系起来，加以归纳，我们就可以得到下表：火焰颜色：暗红色红橙黄蓝白白（青蓝紫）光波频率：1014Hz3.84.85.05.26.27.5火焰温度：1002.25.57.68.81422核外电子速率：低高从列表中我们不难看出，温度由低到高，光波的频率也由低到高，其火光颜色由暗变亮。物质的温度与其发光频率有着准确的对应（正比）

6、关系，这不是巧合，而是存在必然的、稳固的因果联系。那么，因是什么，是谁、以何种方式在颜色（频率）与温度之间建立着这种紧密的联系？现代研究表明：物质的热发光是电子跃迁时所发出的电磁波辐射，火光是由运转着的电子跃迁所发出的，这不同颜色的光是由不同速率电子跃迁的结果。这是大自然在昭示我们：物质温度高-核外电子速率高-跃迁时发出高频光波；反之，温度降低时电子速率下降，跃迁发出光波的频率随之下降。核外电子的运转速率随温度有规律地变化，这是一个被当今物理忽略的重要细节。除铁丝等金属外，玻璃、石头等非金属、化合物、混合物也同样都能烧红发光，都具有上述实验特征，说明核外电子随温度规律运动是物质的普遍属性。【实

7、验5】与上述简易的实验不同，以下是一个高、精、尖的实验。华裔科学家朱棣文在“激光冷却捕获气体原子”实验方面做出了杰出贡献，获得了1997年诺贝尔物理学奖。为人们认识物质世界打开了一扇新大门。激光冷却实验中，设备、仪器虽然复杂，但作用的双方却很简单激光、钠气体（Na2）。激光是一种方向性好、平行、相干的单色光，是发散角度小、相位稳定、频率稳定的电磁波。实验概况：把3台二极管激光器分别从轴、轴、轴三维方向对准真空的石英管，然后向石英管内通入钠蒸气，激光器调频对准蒸气照射。激光冷却原子的原理是：一定温度的钠蒸汽的核外电子以稳定的速率运转着并且伴生着速率稳定的电磁波（伴生，见我的博文2、电子运动时伴生

8、着电磁波）。激光的光波与钠气体核外电子伴生的电磁波发生干涉，通过调频，使核外电子的运转停顿。实验所囚禁的实际上是核外电子，使之在原地振动、绕核运动的速度接近零，分子温度也就冷却而接近零，于是就形成了激光对钠原子的冷却。激光冷却实验已经把钠冷却到1。怎样测得如此低温？用的是飞行时间法（TOF），测量的是原子的初始速度，由速度分布可推出原子初始温度。即：用气体运动的速度推测其温度。这种测量与以上“温度速度”思路一致：温度高气体的价电子速率快，气体分子运动速度就快；反之，温度低核外电子速率慢，气体分子运动速度就慢；温度接近0K的钠气体的价电子的速率接近0（在原地振动）。此时的钠已经不是钠气体（Na2

9、），形成两两分散的原子，纷纷往下掉。结论自然的火光启示我们：物质的核外电子的运转速率随着温度变化，跃迁时所辐射的电磁波频率亦随之变化，是核外电子随着温度规律运转从而在发光颜色与温度之间建立着这种紧密的联系。这是大自然在昭示我们：物质内核外电子运转速率与跃迁频率是整齐一致的，是极有规律的。温度高核外电子速率高；温度低核外电子速率降低。核外电子运动的速率是热（温度）的载体、也是能量的载体。在此，细心读者应该理解到，热是整个原子才有的表现、原子整体才是热的载体。即有原子核、有绕核电子运转的速率才有热。即自然界没有热电子、冷电子。那些“金属是由其内部自由电子传热”的理论是一个百年错误。反思.(缘和注：

10、电子云和测不准原理，我觉得应该是表示电子是刹那生灭，只有统计学规律。)无人敢把温度与电子的规律运动进行逻辑联系。关注物质核外电子的运转规律、跟踪电子速率随着温度变化，大家将会看到：物质的构成、物质的相变、磁性物质的居里点、记忆合金、超导、超流等当代物理不能解释的自然之谜都将迎刃而解，凡是与温度相关的物质现象都是核外电子规律运转的结果。晏成和，修改于2014年11月4日。热是怎样传递热的？热学（二）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（热传导和热辐射）。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

11、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”。我在热学（一）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

12、，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。如族元素碳、硅，就形成了金刚石结构（见图2-1左）。同样，族元素，形成了菱方结构的晶格。图2-1：价和结构（左侧），电磁力结构（右侧）。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

13、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

14、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。图22：非金属与金属结构示意图，非金属（硅，左侧），金属（右侧）再回答非金属导热，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22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

15、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

16、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

17、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

18、）。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

19、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

20、，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。晏成和，修改于2014年11月24日。再谈传热问题热学（三）晏成和在热学（一）谈到了热的本质。得到结论：核外电子运动的速率是热（温度）的载体、也是能量的载体。温度高核外电子速率高；温度低核外电子速率降低。在热学（二）谈到了热的传递过程。谈到热辐射是不存在的，高温物质所辐射的不是热，辐射的是电磁波、是红外线，所以应该叫做电磁波辐射。有人会问：无线电波、X

21、射线都是电磁波，同样是电磁波，这些电磁波为什么不能使物质升温？读者在生活中会注意到，浴室热灯浴霸、发红外线，加热效果很好；微波加热食物效果非常好，且穿透性很强。而可见光、紫外线、中波、长波同样都是电磁波，为什么几乎没有加热能力？在此，有必要再谈电磁波频率与传热问题。【实验】我们以上讨论的是接收电磁波使物质升温，在此我们逆过来，探讨热的物质会辐射出什么样的电磁波。这是一个百年前的著名实验黑体辐射。实验曲线，在19世纪，随着炼钢工业的发展，科学界就开展了对辐射的精细研究，为了研究辐射，科学家精心设计并制作了一个装置黑体辐射实验装置。装置的结构如图3-1A所示：在密闭的黑体内钻一小孔，黑体所蕴含的热

22、仅仅只能由此小孔向外辐射。经过多次精细的实验，得到了图3-1B所示的在一定的温度条件下，辐射频率与辐射量之间关系的实验曲线。面对这样的曲线，学者们发挥自己的数学才能，运用数学表达式来拟合这条曲线（即寻求一个数学表达式）。其中著名物理学家普朗克所写出的数学表达式与实验曲线拟合得相当好，可以说是天衣无缝。但是，普朗克先生的公式中，代表能量的数值不能是连续的，而必须是一个最小值的整数倍，这个最小值就是普朗克常量。 A B 图3-1数学表达式一般是客观实在的反应，普朗克常量表达了微观世界的实在，它揭示了在微观世界，辐射能量是不连续的。辐射能量也不能是无限小，必须是普朗克常量的整数倍，这给在宏观世界习惯

23、于连续无级的常规思维带来冲击，也就把科学带入到了量子时代。物质的电磁波的辐射由何而来？是核外电子发生跃迁时向温度较低的外界辐射的电磁波，同时自身的速率降低一个档次。由于宏观的电磁波辐射是无数单个核外电子集合，而单个核外电子的每一次辐射是自身一次跃迁所发出的，是一份一份的，其能量的变化也是像阶梯一样，是一级一级的，所以是量子化的。反之，当外界温度较高，无数个核外电子就一份一份地吸收外界辐射的电磁波，使自身的运转向高速率跃迁，宏观的表现就是提升自身的温度。普朗克常数反应了这个客观实在。普朗克的量子理论吸引了人们的注意，这条黑体辐射实验曲线正向人们揭示物质构成的信息。在这条曲线旁还有两条虚线，这是人

24、们对曲线的拟合，更是对黑体辐射的猜想。在图3-1B中，横坐标是辐射波的频率，纵坐标为单色辐出度（在某一频率下所辐射的能量）。实验曲线的开始段，随着辐射频率的增大，辐出度随之增大，于是就有人根据这开始段的趋势，按照已有的分子热运动理论（即温度越高，分子的振动频率越快），拟合了一条左边的虚线。若依照这条曲线，频率越高辐出度越大，当频率高到了紫外线或X射线，辐出度直线上升。如果事实真是如此，地球上的一切生物都要遭受灭顶之灾，在科学史上，人们戏称这条曲线为“紫外灾难”。幸亏事实上实验曲线到了中段变缓、变平，到了极大值辐出度随着频率的增大而下降。“紫外灾难”曲线失败了，败在何处？有人说这是经典理论的失败

25、，不对！这条灾难曲线是由当时的物质理论分子的热运动理论推导而成。这正说明着分子的热运动理论不符合客观实在，显现了分子的热运动理论的败像，亦说明热辐射不是分子振动所发出的。辐射波来自何处？这正是人们探索核外电子规律、反思物质理论的绝佳时机，可惜失之交臂。面对困惑，学界没有认真去反思以往的物质理论、没有认真去反思分子热运动理论，而是关注普朗克公式中能量的不连续，经典物理中量的连续无级的思想方法受到冲击。但仅仅只是否定经典理论，坐失了探寻物质内部构成的良机。按现行的物质理论，不考虑物质的核外电子的运动，不考虑核外电子的运转速率、线路和跃迁，仅以分子的热运动理论是解释不了这条优美的曲线的。按现行的分子

26、热运动理论，温度越高，分子的振动越加剧。这一理论正是紫外灾难的根源。奇怪的是今天的学界一边在微观领域建立新的学说，一边袭用着这一不符合事实、将会导致灾难的分子热运动理论。内在原因，实验中出现的这条曲线是因为：实验中的黑体，不管它是什么材料制成，它总是由原子、分子构成的，分子、原子的核外电子总是在不停地运转着。当外界温度高于物体（黑体）温度时，物体吸收电磁波，核外电子速率增加，向高速跃迁；当外界温度低于物体温度时，核外电子向低速率跃迁，物体发射电磁波辐射。核外电子的运转速率就是横坐标中的频率，在这一频率下的辐出度就对应得到纵坐标上的一个点，物质的核外电子在不同的频率下有不同的辐出度，把各种频率下

27、的辐出度的点连起来，于是就得到了这条优美的凸峰形实验曲线。凸峰形曲线表明：核外电子在不同的频率（横坐标）条件下的辐射量不同，即在不同的温度环境下辐射量也发生变化。这说明，核外电子的跃迁是在一定范围内规律变化，这种变化不是线性的。核外电子发生跃迁只是在某频率段最积极、最活跃，在低频和高频段跃迁减弱。同时也说明核外电子的运转速率是基本稳定的，只能在某一定范围内变化。这是自然赋予的规律，也是自然事物的“度”的普遍特征，凡事都有个度，就像动物的眼睛只能看到一定频率的光波、耳朵只能听到一定频率的声波。凸峰形曲线是自然事物的普遍规律，例如每天阳光的强弱，动植物的生长周期，人的智力、体力随年龄变化，都是凸峰

28、形曲线。正因为自然事物的“度”，所以也就不会发生那种“紫外灾难”。普朗克的量子理论说明核外电子是在一定的能级运转，其运动的变化是阶级式的，辐射是随核外电子的阶级跃迁而形成一份一份的量子化的，核外电子的运动是被制约在一定的范围之内，是有其内在的规律的。黑体辐射实验曲线同时揭示了物质核外电子的运动活跃范围和规律。红外线的加热效果很好，微波加热食物效果更好，是因为自然界大部分物质的核外电子的运动活跃范围略低于微波、红外波的频率。核外电子经这种频率照射，能够立即接收并增加速率。而可见光、紫外线、中波、长波的频率与物质核外电子的运动活跃范围相差太远，电子无感觉、无动于衷，所以几乎没有加热能力。微波炉，一

29、般物质传热都是由表及里，由近向远逐步传播，而微波炉却能使食物内外同时均衡升温，甚至造成微波照射后的食物内部温度还要高些的景况，微波炉为什么会有如此神奇的功能？微波炉内有炉盘让食物旋转使加热更加均匀，然而微波炉最主要的器件是微波发射管（磁控管）。有了磁控管发出微波，才有上述奇妙的均匀同步的加热效果。微波是波长在毫米波与米波之间的电磁波，频率在31010到31013之间,微波原来主要运用于无线电通讯和定位、导航。20世纪40年代，在微波站的工作人员无意中发现，置于微波辐射下的食品被神秘加热，经过多次观察试验，发现了微波的这一能均匀快捷加热水和食物的功能，于是就申请了专利，制成了微波炉。微波炉对食物的加热效果很好，而且穿透性