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化学键 一个世纪的迷茫(三) 相变是怎样形成的

 闲之寻味 2014-11-13
博文

化学键 一个世纪的迷茫(三) 相变是怎样形成的

 

上一篇谈热的本质,以实验论证:温度是物质核外电子运转速度, 温度高-核外电子速率高,介绍了核外电子运动的速率是热的载体、是极有规律的。前两篇文章讲述了物质的构成,了解了热,接下来我们就可以讨论物质的相变。

 

化学键  一个世纪的迷茫(三)

                                 相变是如何形成的

                                       晏成和

    随着温度的升高:钢筋铁骨化成了钢水铁水;温度降低:流水也能够成为坚冰,相变后,物质的诸多物理特性都面目全非。

  百年来化学键理论与各种晶体分门别类、一一对应、貌似伟岸。可是问到锡在烙铁下熔化成了液态,其金属键到哪里去了?牛气哄哄的化学键哑口无言,面对自然物质相变事实,头头是道的化学键集体失声,司空见惯的相变是怎么形成的?成了科学之谜。


    当今物理把物质相变的内因笼统地归结为分子的热运动,无规则的热运动如何能导致这有规律的变化?热是怎样使得分子运动的?相变为什么会有特有的固定的温度点?一直是困惑物理的世纪难题。千百年来人们总是在思索,这样的变化的物理机制是什么?温度是怎样起作用的? 

    所有纯净物质都有其固定的熔点、沸点;水在0℃结冰、100℃沸腾;磁性物质到了居里点、磁性消失。超导物体一定要到临界低温,超导才能发生。这有规律的现象必然源于且服从更深层的有规则的运动。这个规则的运动,就是核外电子的规律的运动,核外电子的规律的运动是相变的直接原因。

 

    一百年来,核外电子无规律的电子云理论是不可逾越的雷池,而物质的相变与温度有着直接的联系,于是研究相变的学者都把眼光投向了分子的热运动,从声子(原 子的振动)入手研究相变,因为声子可能随温度变化,但又要遵循原子的无规则振动的理论。无规则的热运动如何能导致这有规律的变化?想从无规则中研究出有规律的相变,可能吗?研究方向错了,于是司空见惯的相变就成了困惑人们的自然之谜。

 

   流传百年的电子云理论完全是瞎猜,后来的量子物理用复杂和深奥绑架学术,在细节上存在许多回避和荒谬。更霸道的是思想禁锢、强迫洗脑。不准探讨核外电子的运转速率、线路,危害深远。

    相变与温度直接相关,然而只有达到了某一特定值,水能沸腾;钢铁能熔化,相变才能发生,这是一个从量变到质变的过程。温度升高,蜡烛、沥青会变软;钢铁烧红了也容易煅打。温度低 时物体的硬度大塑性小,温度升高能使物体的塑性增加。前面所讲,温度升高,核外电子速率加快,核外电子速率加快了,如何能使得物体的塑性增加?

 

    温度升高,价和电子速率加快、运转半径加大,造成了物体的热胀。然而温升并不能使价和运转半径一味地加大,因为:(1)物体的内聚力很大,限制运转半径的 增大。(2)平面运转,线路长度固定,结构元间的电磁力限制了核外电子更高的速率。(3)电子的运动伴生着电磁波,当价和电子运转时,伴生着较强的磁场,磁场有磁滞,快速运转的价和电子受到滞磁的影响脱离平面线路。于是,热到一定的温度,加快速率的价和电子只得离开原来 的运转平面,越出平面,在原线路平面上下一定的区间进行空间的扭曲运转,形成了价和电子的立交运转、空间运转,这样线路长,速度快。

    价和电子运转线路的扭曲,导致与价和运转垂直方向的电磁力也发生扭曲和晃动,内聚力晃动,于是结构元之间电磁力的方向就不专一,遇外力时,结构元之间容易移动换位,于是物体塑性增加,趁热打铁就是这个道理。

   

   固体的结构 固体是由价和电子的规律运转所形成:低温条件下,价和电子的运转的速率虽不是很高,但运转线路在固定的平面却相当稳定,电磁力南北稳定对应指向、整齐稳固。价和力、电磁力的方向十分稳定,从而使各结构元的位置相对固定,形成晶体,具有稳定的内力,形成了具有刚性的固体结构。

 固体的内力价和力与电磁力,都是价和电子运转所致,所以,要了解相变,就必须关注价和电子的运动与变化、关注价和电子运动的线路和速率的变化。

 

    我们学过力有三要素:大小、方向、作用点。

    在物质的内部,构成物质的内力同样存在这三要素,而且这三要素在物质的相态上起着至关重要的作用。

    在固体内部,价和电子的速率虽不是很快,但价和电子在稳定的平面轨道上运转,价和力方向与轨道平面垂直,力的方向十分稳定;各结构元相互调适在固定的位置,所有价和力的作用点专一,力的三要素稳定,内力的稳固,才有了物质稳定的固体结构。固体的结构和稳定内力是价和电子规律运动所形成;固体内力的丧失和结构的瓦解也是价和电子运动变化所导致,核外电子的规律运动导演了熔化的全过程。

   

    熔化原理 熔化是物质由固态相变成液态的过程,也是固体内力丧失的过程。其中,最主要的是结构元之间的力三要素中的两要素:力的方向的耗散,力的作用点的不专一,使物体内力丧失,固体的结构坍塌,实现了物质的熔化。

   

   在以电磁力为主的金属固体中,随着温度的升高,价和电子的速率升高,速率增高的价和电子离开了原来相互稳定平行的平面轨道,在原平面上下一定的区间内进行扭曲运转,从而使得伴生的电磁力方向在一定角度范围内晃动,电磁力方向随之紊乱,这样紊乱的电磁力使得结构 元之间的引力的方向不稳,在外力的作用下容易换位移动,宏观的表现是物体此时受到外力时很容易变形,物体的刚性降低、塑性增加。


    当温度达到熔点,价和电子的速率更高,运行的扭转的区域更大,导致电磁力的方向大幅摇晃、作用点更加紊乱,结构元之间失去了定向电磁力的支持,同时又受到 侧向电子间斥力的干扰。于是结构元在物质内换位、滚动、转向、重组。原来的金属物体内稳定的内力完全瓦解,刚性彻底消失——物体熔化了,相变成了液体。如 图3-1。 

         (1)固体   (2)塑性增加   (3)液体       (4)气体


              图3-1 价和电子运动的线路与物质的相态

    图中,外椭圆表示橄榄状球体,(1)平行四边形表示平面,(2-4)黄色区间表示价和电子在空间扭转运动的区域。

(1)价和电子在平面稳定运转,伴生的电磁力指向稳定,物质呈固态。

(2)价和电子在窄小空间范围扭曲运转,伴生的电磁力方向不稳,物体塑性增加。

(3)价和电子在大范围空间扭曲运转运转,伴生的电磁力方向晃动,物质呈液态。

(4)价和电子在空间球状扭曲运转,伴生的电磁力方向混乱,价电子呈椭球状包围两个(或数个)核心,椭球外电子与电子相斥,椭球之间推开距离,物质呈气态。

   

    这样,熔化的过程已经明朗了:温度升高,导致了价和电子的运动速率加快并由平面进入到空间,形成了扭曲运转,从而使得电磁力方向紊乱,结构元之间丧失了定 向的稳定的力的连接,物质的内力大降,连自身的结构都支撑不了。宏观的表现就是物体丧失了稳固的结构——坍塌、熔化成了液体。


  需说明的是在液体内部物质仍然以结构元的形式存在,这些结构元成链成团成环、时合时分,不能形成整齐连续的架体结构,但物质内仍有一定的价和力、价磁 力(但方向紊乱、瞬变),正是如此才构成了液体的内聚力,构成了液体内分子的布朗运动,构成了液体表面张力。温度降低时液体内结构元间电磁力相对稳定、结 构元间聚合力增大(链长团大) ,宏观的表现就是粘度增大、表面张力增大。


    在熔化过程中,最先受热的部分结构元的电磁力方向的紊乱,激化和干扰了邻近的结构元也必须加快价和电子的速率以适应这种变化,电子加快速率必须吸收热量 (吸收周围物质的电磁波辐射,使周围物质降温),宏观的表现则是熔化时的吸热现象。化雪时气温降低就是由这种吸热所导致的。


    从熔化过程中,我们可以看出较易于发生相变的是金属物质,(水的相变另题讨论)其原因就在于金属的电磁力结构,核外电子规律运动之说不仅解读了相变,而且也解释了金属物质的塑性、延展性的来源及其与温度直接的关系,与自然事实完全相符。

                                                       2014-11-12修改

参考文献:

1,晏成和:《物理新视点》,湖北人民出版社,2006。

2,IRA N.LEVINE[美]:《物理化学》,李芝芬等译,北京大学出版社,1987。

3, 阎守胜:《固体物理基础》,北京大学出版社, 2000。

4,C.基泰尔 [美]:《固体物理导论》, 杨顺华等译,科学出版社,1986。


相关问题请参阅我的博文:

1、核外电子的速率——温度

2、电子运动时伴生着电磁波 科学沉寂的原因暨物理创新的突破口

3、核外电子的运动与物质结构 科学沉寂的原因暨物理创新的突破口

4、核外电子的运动与晶体 科学沉寂的原因暨物理创新的突破口

5、核外电子的运动与相变 科学沉寂的原因暨物理创新的突破口

6、雨的形成

7、雷电的形成 科学沉寂的原因暨物理创新的突破口

8、静电与电压

9、导电原理

10、半导体导电原理

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13、经典物理的小结

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15、光电效应 科学沉寂的原因暨物理创新的突破口

16光是怎样形成的?

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