物體吸熱與做功關(guān)系

1、論物體吸熱與做功關(guān)系廣東博羅縣高級(jí)中學(xué)（ 516100） 林海兵摘要：物體吸熱做功的過(guò)程，在吸熱時(shí)其分子（原子）的體積與其 體積密度都增大了，產(chǎn)生了不平衡，膨脹必然地對(duì)做外做功，但并沒(méi)有 把吸收的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，物體內(nèi)部的熱量（紅外線總量）并不因?yàn)?做功而減小。關(guān)鍵詞：熱量，紅外線，吸熱，做功1 物體的熱脹冷縮現(xiàn)象最初，人們對(duì)熱現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)只是停留在冷和熱的感覺(jué)上，實(shí)現(xiàn)從這 種感覺(jué)向“溫度”發(fā)生躍進(jìn)的因素是人們發(fā)現(xiàn)了物體的熱脹冷縮現(xiàn)象。近年來(lái)，當(dāng)人們熱衷于所謂的現(xiàn)代物理研究宇宙大爆炸觀測(cè)、 高能粒子對(duì)撞 , 的時(shí)候，人們對(duì)熱脹冷縮現(xiàn)象也許已經(jīng)感到陌生，或 者覺(jué)得這只不過(guò)一個(gè)不值得一起的非常平常

2、的現(xiàn)象，然而，筆者所有的 研究都是從非常平常的現(xiàn)象開(kāi)始的，得到了一些與前人并非相同的結(jié) 論。筆者認(rèn)為， 這足以讓我們警醒不能忽視這些我們認(rèn)為是平常的 現(xiàn)象！當(dāng)我們對(duì)這些平常的現(xiàn)象尚不能給予合理正確的解釋， 又何以解 釋那些我們認(rèn)為比較神秘的現(xiàn)象？事實(shí)上，熱脹冷縮現(xiàn)象已經(jīng)告訴我們熱的實(shí)質(zhì)從宏觀角度來(lái) 看，它表現(xiàn)在物體的體積改變之上；只要我們略加分析研究，我們就可以得到熱的更本質(zhì)的東西在微觀角度來(lái)看，它表現(xiàn)在分子（原子） 的體積改變之上。筆者相信，如果沒(méi)有物體的熱脹冷縮現(xiàn)象，人們就不可能定義出溫 標(biāo)，如果沒(méi)有溫標(biāo)的定義，我們就不可能言之為溫度。正是發(fā)現(xiàn)物體的 體積會(huì)隨著熱的程度增加而增大的規(guī)律，

3、人們才有可能定義溫標(biāo)在 1 大氣下，把冰水混和物的溫度定義零度，水沸騰時(shí)的溫度定義為一百 度，把零到一百度之間等分成一百等份這里等份操作的對(duì)象正是物 體發(fā)生變化的體積！您一定會(huì)說(shuō)，熱脹冷縮并不是自然界永恒的規(guī)律，因?yàn)檫€有熱縮冷 脹的反例。 自然界就是這么奇妙， 有了熱脹冷縮之后， 還要有熱縮冷脹， 它充滿著矛盾，然而，這種矛盾只是局部的。當(dāng)我們知道物體由一個(gè)個(gè) 的分子（原子）構(gòu)成的同時(shí)，我們還知道了這一個(gè)個(gè)的分子（原子）之 間還存在有間隙，什么是間隙？也許看到筆者提出這個(gè)問(wèn)題就會(huì)發(fā)笑， 但只要您仔細(xì)一想，間隙意味著什么，從一方面來(lái)看，間隙具有體積的 意義，從另一方面來(lái)看， 間隙還意味著這些并沒(méi)

4、有東西， 連分子 （原子） 這么小的東西都沒(méi)有！于是，大家應(yīng)該不會(huì)再笑，因?yàn)槲覀円呀?jīng)得出一 個(gè)結(jié)論物體的分子（原子）并沒(méi)有占滿其宏觀體積，或者說(shuō)，我們 所能測(cè)量到的物體的宏觀體積，并不是物體所有分子（分子）的體積之 和。也許，正是基于這個(gè)觀點(diǎn)，人們?cè)诮?jīng)典物理學(xué)的固體物理分支中提 出了分子（原子）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，這個(gè)學(xué)說(shuō)分明就在指出，不同物體由其分子（原子）以不同的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分子（原子）的總體積與間隙 體積之和才等于物體的宏觀體積。筆者認(rèn)為，分子（原子）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)學(xué) 說(shuō)是一個(gè)非常正確的學(xué)說(shuō)，物體的分子（原子）點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)給熱縮冷脹現(xiàn) 象的發(fā)生提供了可操作性空間。溫度的上升到某個(gè)數(shù)值時(shí)， 將直接破壞

5、物體分子（原子）的束縛環(huán)境，使分子（原子）的自由能力增強(qiáng)，分子 （原子）原有的結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣逐步解體，許多分子（原子）進(jìn)入到原來(lái)的間 隙空間里，此時(shí)，盡管分子（原子）的體積還是隨著溫度的升高而增大， 然而當(dāng)分子 （原子） 隨溫度升高的體積增加量還足以抵消進(jìn)入間隙空間 的體積時(shí)，這就理所當(dāng)然地出現(xiàn)了熱縮冷脹的現(xiàn)象。由此，我們可以判 斷，熱縮冷脹現(xiàn)象只存在于某些固體晶體的熔解（即相變）過(guò)程，它并 不是一種普遍現(xiàn)象。以上論述表明，在非相變的過(guò)程中，熱脹冷縮是宏觀物體普遍發(fā)生 的現(xiàn)象， 但是，無(wú)論是熱脹冷縮還是熱縮冷脹， 構(gòu)成物體的分子 （原子） 的體積總是隨著溫度的升高而增大。2 氣體的熱膨脹我們把固體或

6、者液體稱之為宏觀物體也許不會(huì)有人反對(duì)，可如果我 們把氣體也稱為宏觀物體， 是否也不會(huì)有人反對(duì)呢？氣體是不是宏觀物 體？筆者在此不想首先討論這個(gè)問(wèn)題， 筆者有興趣的是，盛在容器中的 氣體的體積是否也具有熱脹冷縮的現(xiàn)象。也許，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，讀者們一定有說(shuō)，氣體當(dāng)然發(fā)生熱脹冷縮的 現(xiàn)象，不過(guò)這是有條件的，有氣態(tài)方程為證。確實(shí)，我們只要搬出氣態(tài) 方程丄就可以知道，當(dāng)氣體壓強(qiáng)一定時(shí)，氣體的體積隨著溫度 的升高而增大，隨著溫度的降低而減小，這就是熱脹冷縮！筆者的興趣不止于此，氣體熱脹冷縮有條件，難道固體液體的熱脹 冷縮就沒(méi)有條件嗎？如果有， 它們的條件相同嗎？也許，一看到這個(gè)問(wèn) 題，讀者們馬上就會(huì)回答，固

7、體液體的熱脹冷縮哪有什么條件？！我們 只是給它們加熱，就可以發(fā)現(xiàn)它們的膨脹，并不需要什么其他特殊的條 件??！但是，由筆者看來(lái)，我們?cè)诮o固體液體直接加熱的過(guò)程中，沒(méi)有 給這個(gè)過(guò)程設(shè)定了什么條件 這本來(lái)就是一個(gè)條件！這個(gè)條件就是我們不改變物體的其他環(huán)境（除了溫度環(huán)境之外），這里的其他環(huán)境當(dāng)然 包含著“壓強(qiáng)”環(huán)境，這與氣體的等壓變化的條件是完全相同的。那么什么是固體液體的環(huán)境壓強(qiáng)？這個(gè)壓強(qiáng)到底有多大？筆者認(rèn) 為，固體液體的環(huán)境壓強(qiáng)等于其相應(yīng)的拉壓彈性模量即楊氏模量，真空空間雖然并不存在與這些固體液體物體相對(duì)應(yīng)的物質(zhì)環(huán)境，卻已經(jīng)形成各種它們環(huán)境壓強(qiáng)。筆者在前面文章中提到的空間的物質(zhì)特征密度，本 文中，

8、筆者將這個(gè)特征密度修正為特征壓強(qiáng)。筆者在這些文章中認(rèn)為， 正因?yàn)槭俏镔|(zhì)的特征壓強(qiáng)，是一個(gè)固定不變的數(shù)值，它不會(huì)隨著物體形 狀、溫度等因素的改變而變化，它只隨著物體物態(tài)的變化而變化。在我 們給物體加熱時(shí)，只要物體的溫度沒(méi)有達(dá)到物態(tài)的相變溫度，環(huán)境壓強(qiáng)就不會(huì)發(fā)生變化，即物體此時(shí)的變化屬于等壓變化。3 熱膨脹與做功根據(jù)經(jīng)典的熱力學(xué)第一定律有二丄-'，也就是說(shuō)，物體吸收的 熱量，一方面用于對(duì)外做功，另一方面用于增加了物體的內(nèi)能。筆者認(rèn) 為，熱力學(xué)第一定律是存在問(wèn)題的，首先，經(jīng)典的熱力學(xué)是在沒(méi)有正確 認(rèn)識(shí)能量的前提下提出來(lái)的， 它根本就不知道能量的實(shí)質(zhì)是不平衡，只 是這些不平衡在物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可

9、以引起物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化又引起了環(huán)境不平衡的重新分布，即不平衡隨著物體的運(yùn)動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)化與重新分布；其次，熱力學(xué)第一定律是在能量守恒的前提 下提出的，即使我們把不平衡定義為能量之后，這些能量的總量也是不 守恒的，不平衡的總量在物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以增加，也可以消失，而 更多地表現(xiàn)為消失，更多地表現(xiàn)為物體趨于平衡的方向發(fā)生運(yùn)動(dòng)。如果采用筆者提出的系列的新觀點(diǎn)，對(duì)物體的熱膨脹與做功的關(guān)系 可以解釋如下：物體吸熱，物體的內(nèi)能（即電子相對(duì)于其原子核的動(dòng)能之和及原子 間隙的紅外總量的總和）將增加，只要物體的吸熱量一定，其內(nèi)能增量 便一定，與物體是否對(duì)外做功無(wú)關(guān)，或者說(shuō)，物體對(duì)做功并不會(huì)使其內(nèi) 能減小。但是，也正因?yàn)槲矬w吸熱，組成物體的各原子的體積將隨溫度 的升高而增大，因?yàn)榇藭r(shí)空間的物質(zhì)壓強(qiáng)保持不變，故物體發(fā)生等壓變 化，最終使其體積隨著溫度的升高而增大，宏觀上表現(xiàn)為對(duì)外做功。在這個(gè)過(guò)程中，物體吸熱，把紅外波動(dòng)的不平衡轉(zhuǎn)化為原子核外電 子運(yùn)動(dòng)的不平衡， 從而使原子體積增大，