物体吸热与做功关系.doc

论物体吸热与做功关系广东博罗县高级中学（516100） 林海兵摘要：物体吸热做功的过程，在吸热时其分子（原子）的体积与其体积密度都增大了，产生了不平衡，膨胀必然地对做外做功，但并没有把吸收的热量转化为机械能，物体内部的热量（红外线总量）并不因为做功而减小。关键词：热量，红外线，吸热，做功1 物体的热胀冷缩现象最初，人们对热现象的认识只是停留在冷和热的感觉上，实现从这种感觉向“温度”发生跃进的因素是人们发现了物体的热胀冷缩现象。近年来，当人们热衷于所谓的现代物理研究宇宙大爆炸观测、高能粒子对撞的时候，人们对热胀冷缩现象也许已经感到陌生，或者觉得这只不过一个不值得一起的非常平常的现象，然而，笔者所有的研究都是从非常平常的现象开始的，得到了一些与前人并非相同的结论。笔者认为，这足以让我们警醒不能忽视这些我们认为是平常的现象！当我们对这些平常的现象尚不能给予合理正确的解释，又何以解释那些我们认为比较神秘的现象？事实上，热胀冷缩现象已经告诉我们热的实质从宏观角度来看，它表现在物体的体积改变之上；只要我们略加分析研究，我们就可以得到热的更本质的东西在微观角度来看，它表现在分子（原子）的体积改变之上。笔者相信，如果没有物体的热胀冷缩现象，人们就不可能定义出温标，如果没有温标的定义，我们就不可能言之为温度。正是发现物体的体积会随着热的程度增加而增大的规律，人们才有可能定义温标在1大气下，把冰水混和物的温度定义零度，水沸腾时的温度定义为一百度，把零到一百度之间等分成一百等份这里等份操作的对象正是物体发生变化的体积！您一定会说，热胀冷缩并不是自然界永恒的规律，因为还有热缩冷胀的反例。自然界就是这么奇妙，有了热胀冷缩之后，还要有热缩冷胀，它充满着矛盾，然而，这种矛盾只是局部的。当我们知道物体由一个个的分子（原子）构成的同时，我们还知道了这一个个的分子（原子）之间还存在有间隙，什么是间隙？也许看到笔者提出这个问题就会发笑，但只要您仔细一想，间隙意味着什么，从一方面来看，间隙具有体积的意义，从另一方面来看，间隙还意味着这些并没有东西，连分子（原子）这么小的东西都没有！于是，大家应该不会再笑，因为我们已经得出一个结论物体的分子（原子）并没有占满其宏观体积，或者说，我们所能测量到的物体的宏观体积，并不是物体所有分子（分子）的体积之和。也许，正是基于这个观点，人们在经典物理学的固体物理分支中提出了分子（原子）点阵结构学说，这个学说分明就在指出，不同物体由其分子（原子）以不同的点阵结构构成，分子（原子）的总体积与间隙体积之和才等于物体的宏观体积。笔者认为，分子（原子）点阵结构学说是一个非常正确的学说，物体的分子（原子）点阵结构给热缩冷胀现象的发生提供了可操作性空间。温度的上升到某个数值时，将直接破坏物体分子（原子）的束缚环境，使分子（原子）的自由能力增强，分子（原子）原有的结构点阵逐步解体，许多分子（原子）进入到原来的间隙空间里，此时，尽管分子（原子）的体积还是随着温度的升高而增大，然而当分子（原子）随温度升高的体积增加量还足以抵消进入间隙空间的体积时，这就理所当然地出现了热缩冷胀的现象。由此，我们可以判断，热缩冷胀现象只存在于某些固体晶体的熔解（即相变）过程，它并不是一种普遍现象。以上论述表明，在非相变的过程中，热胀冷缩是宏观物体普遍发生的现象，但是，无论是热胀冷缩还是热缩冷胀，构成物体的分子（原子）的体积总是随着温度的升高而增大。2 气体的热膨胀我们把固体或者液体称之为宏观物体也许不会有人反对，可如果我们把气体也称为宏观物体，是否也不会有人反对呢？气体是不是宏观物体？笔者在此不想首先讨论这个问题，笔者有兴趣的是，盛在容器中的气体的体积是否也具有热胀冷缩的现象。也许，对于这个问题，读者们一定有说，气体当然发生热胀冷缩的现象，不过这是有条件的，有气态方程为证。确实，我们只要搬出气态方程，就可以知道，当气体压强一定时，气体的体积随着温度的升高而增大，随着温度的降低而减小，这就是热胀冷缩！笔者的兴趣不止于此，气体热胀冷缩有条件，难道固体液体的热胀冷缩就没有条件吗？如果有，它们的条件相同吗？也许，一看到这个问题，读者们马上就会回答，固体液体的热胀冷缩哪有什么条件？！我们只是给它们加热，就可以发现它们的膨胀，并不需要什么其他特殊的条件啊！但是，由笔者看来，我们在给固体液体直接加热的过程中，没有给这个过程设定了什么条件这本来就是一个条件！这个条件就是我们不改变物体的其他环境（除了温度环境之外），这里的其他环境当然包含着“压强”环境，这与气体的等压变化的条件是完全相同的。那么什么是固体液体的环境压强？这个压强到底有多大？笔者认为，固体液体的环境压强等于其相应的拉压弹性模量即杨氏模量，真空空间虽然并不存在与这些固体液体物体相对应的物质环境，却已经形成各种它们环境压强。笔者在前面文章中提到的空间的物质特征密度，本文中，笔者将这个特征密度修正为特征压强。笔者在这些文章中认为，正因为是物质的特征压强，是一个固定不变的数值，它不会随着物体形状、温度等因素的改变而变化，它只随着物体物态的变化而变化。在我们给物体加热时，只要物体的温度没有达到物态的相变温度，环境压强就不会发生变化，即物体此时的变化属于等压变化。3 热膨胀与做功根据经典的热力学第一定律有，也就是说，物体吸收的热量，一方面用于对外做功，另一方面用于增加了物体的内能。笔者认为，热力学第一定律是存在问题的，首先，经典的热力学是在没有正确认识能量的前提下提出来的，它根本就不知道能量的实质是不平衡，只是这些不平衡在物体运动过程中可以引起物体的运动状态的变化，物体运动状态的变化又引起了环境不平衡的重新分布，即不平衡随着物体的运动发生转化与重新分布；其次，热力学第一定律是在能量守恒的前提下提出的，即使我们把不平衡定义为能量之后，这些能量的总量也是不守恒的，不平衡的总量在物质的运动过程中可以增加，也可以消失，而更多地表现为消失，更多地表现为物体趋于平衡的方向发生运动。如果采用笔者提出的系列的新观点，对物体的热膨胀与做功的关系可以解释如下：物体吸热，物体的内能（即电子相对于其原子核的动能之和及原子间隙的红外总量的总和）将增加，只要物体的吸热量一定，其内能增量便一定，与物体是否对外做功无关，或者说，物体对做功并不会使其内能减小。但是，也正因为物体吸热，组成物体的各原子的体积将随温度的升高而增大，因为此时空间的物质压强保持不变，故物体发生等压变化，最终使其体积随着温度的升高而增大，宏观上表现为对外做功。在这个过程中，物体吸热，把红外波动的不平衡转化为原子核外电子运动的不平衡，从而使原子体积