蓝眼睛白猫脾气大:热是怎样传递热的?——热学(二)

在中学，我们学习了热传递的三个途径，即热传递三要素——热对流、热传导、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、气体流向了温度较低的物质，也把自身的热带到了新的地方。

　　热辐射是不存在的，因为热是核外电子绕核运转速率之整体才会有的表象，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，应叫电磁波辐射。

　　核外电子绕着核心旋转着，电子的运转伴生着电磁波。当外界温度较低，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。

　　自然界的物质都是在这样不断地辐射着、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,也就形成了“热总是由高温物质向低温物质传播”的热力学第二定律。

　　（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。）

　　物体的构成 人们早就注意到，不同的物体其导热能力是大不相同的，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。前面论述，我们知道了热是电子绕核运转的速率，原子外层电子不是无规律的电子云。那么，物体内的核外电子是如何运转的？这样运转的速率是如何传导？

　　因为原子外的电子与相邻电子相斥，不可能偶合成键，所以现行物体构成的共价键、金属键、离子键等理论不是自然真实，这样的物质理论对物体传热的解读无能为力，只有难以自圆其说的猜想。要弄清楚物体导热原理及快慢，先必须探讨物质的微观构成。

　　原子核（质子）带正电荷，对带有负电荷的电子有强烈的吸引力，原子核对电子的引力不会到原子边缘戛然而止，而是会无限延伸。相邻原子相互吸引对方外层电子，形成了价电子共享，基于泡利原理，两价电子围绕两原子、共同结合构成了原子家庭，我们称之为结构元（图2-1中的椭圆），两共享电子叫做价和电子。原子间首先是结合成结构元，然后才构成世上万物。

　　原子有几个价电子，就能构成几个结构元，如Ⅳ族元素碳、硅等，其外层有4个价电子，这4个电子在空间绕自身与周围空间相邻的4个核心进行价和运转，构成了4个辐射状的结构元。该族所有的原子都像这样1个连着4个，向周围空间均匀、有序地排布，从而构成了稳定的晶体，形成了Ⅳ族晶体结构——金刚石结构（见图2-1左）。同样，Ⅴ族元素如砷，其一个原子通过5个结构元在空间与5个原子连接，形成了菱方结构的晶格（见图2-1右）。

　　

　　金刚石结构 菱方结构

　　图2-1晶体的结构

　　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，这许多单个结构元如何建立有序的空间结构？

　　在前面我们讲到，电子的运动伴生着电磁波，这种电子运行（非跃迁）伴生的电磁波的集合则构成了磁场。作直线运动的电子伴生着旋转的磁场，作旋转运动的电子则在其旋转平面中心的垂直方向伴生着平行的磁场。

　　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，这些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。我们把价和电子运转时在垂直于运转平面所伴生的磁场力简称为价磁力。

　　

　　价和结构 价磁力结构

　　图2-2

　　图2-2右图为金属物体（如铜、银、铝）的结构示意：棱形表示价和电子运转轨道所在的平面，上下两平面相互平行，价和电子运转所形成的价磁力南北极相互吸引，使结构元相互紧紧吸引，位置相对固定。同时还有处在与此平面垂直位置的价和电子的运转，形成三维方向的价磁力，构成了金属结构。

　　（关于物质的构成，请阅读我博文3、核外电子的运动与物质结构 ； 4、核外电子的运动与晶体）

　　热传导 当物体局部受热时，物体内的某局部能量增加，该局部的核外电子速率增加，而且影响到邻近结构元的核外电子速率增加，从而把热传递到邻近的地方。了解了物质构成，热传导也就迎刃而解。

　　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价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直接影响。（图2-4右）

　　金属受热时，因价和电子没有牵连，速率立即升高，使得价磁力增加，对邻近的结构元产生影响，邻近的结构元内的价和电子因而立即增加速率，以维持价磁力的平衡。这样，局部的升温，由于价和电子速率的较快增加和价磁力的增大而较为迅速地传播，从而导致了金属良好的导热性能。在此，我们看到，物体的导热不是热的搬运，而是物质内相邻结构元电子运动状态的逐步传递，因此物体的导热是缓慢的。那种金属由自由电子导热是无稽之谈。

　　非金属（硅） 金属

　　图2—3 非金属与金属结构示意图

　　而非金属的导热更慢，因为非金属体价电子数较多，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（图2—3左），如此有序连续地构成了（充满）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，价和电子的速率受到周围结构元的制约，不能很快增加，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。

　　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：玻璃杯中突然注入热水，热砂锅置于冷水中时，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。

　　微波炉 一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，也就是频率在3×1010到3×1013之间的电磁波，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，而且穿透性很强。这说明食物——水和碳氢化合物的表面核外电子运转所伴生的电磁波的频率略低于微波的频率，微波能进入食物的表面（一般物质的表面价和电子速率略高于内部），在食物内穿透通行，食物的内外核外电子吸收附近的电磁波辐射，加快运转速率，于是就均匀快捷地提升了自身的温度。微波在金属炉壁内被来回反射，从多方位穿透、加热食物，食物就被均匀快捷地加热了。

　　【实验6】用微波炉你还可以做一个实验：

　　Ａ．把一个装半杯水的杯子和一个空杯子同时放进微波炉。

　　Ｂ．把一个装半杯水的杯子和一个装半杯食用油的杯子同时放进微波炉。

　　微波2分钟，开门察看，哪个杯子的温度高？

　　为什么A、B两组试验中都是有水的杯子温度会高些？这说明：

　　1．微波没有温度，有物质才有温度。

　　2．微波的频率对水的核外电子作用更大，工厂有意把微波炉频率调节到与水的核外电子速率相近。（这微波频率是试验出的）

　　3．盛水和食物的器具，瓷器玻璃等能让微波通行，但此频率的微波对瓷器玻璃材料的加热效果不明显，说明这些材料的核外电子速率与此微波不是十分相关。

　　4．微波在金属炉壁内被来回反射，说明金属内存在着稳定、有序、相互接力的电磁波，这样的电磁场构成了金属内密集的内聚力，强大内磁场挡住微波使之不能进入、更不能穿透，而是被来回反射。这说明微波不能用来加热金属，也不宜在微波炉内使用金属器皿。

　　实验揭示了微波与不同物质的核外电子相互作用的自然规律。而用现行的分子热运动理论、核外电子运动无规律理论难以说明微波炉的上述特性的由来，也难以说明微波与食物、陶瓷器具、金属炉壁之间的悬殊关系。

　　以上实验事实证实了核外电子的运动是规律的，这种规律揭示了热的本质，系统解读了各种物质传热的真实路径。现行主流学者所沿袭的那些电子云理论、测不准理论及其矛盾百出的分子振动热学、自由电子导热等荒唐理论使近代物理的研究失去了方向，60多年，使科学走进了沉寂的深渊。探讨核外电子的规律运动是科学进展的必由之路，核外电子规律运动打开了科学探索的新大门，一定会迎来科学繁盛的新时代。

　　2011、3、6、