物体吸热与做功关系

1、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

2、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，

3、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

4、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

5、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

6、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 方程丄就可以知道，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

7、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，

8、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二丄-'，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

9、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， 从而使原子体积增大，