[转载]热是怎样传递热的？

热是怎样传递热的？——热学（二）

晏成和

 在中学，我们就学习了热传递的三个途径，即热传递的三要素——热对流、热传导、热辐射。三要素中有两个要素的理论有问题。

 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区域，也把自身的热带到了新的地方。当然也可以说是冷的液体、气体流向了温度较高的区域，也把自身的低温带到了新的地方。

 

     热传导  人们早就注意到，物质内部，不同的物体其导热能力大不相同，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，不是因为金属内有什么“自由电子”。

  我在热学（一）《热的本质是什么》已经用实验论证：热是核外电子绕核运转速率、是整个原子才会有的现象，也就是说只有原子才会有温度，电子自身根本就不携带温度、世上没有热的电子、冷电子，所以自然界也根本不存在自由电子传热。金属靠自由电子传热是个流传百年的错误。

热是核外电子绕核运转速率、是一种运动状态，那么，传热就是牵动和影响、加快或降低邻近电子的速率、改变核外电子运动状态。如何改变电子运动状态、弄清楚物体导热原理，先要回顾物质的微观构成，探讨电子的运转在此构造中如何牵动、传导。

在《 晶体形成的物理原因》说到：原子有几个价电子，就能构成几个结构元，价电子大于、等于4的元素，能够形成空间价和结构。如Ⅳ族元素碳、硅，就形成了金刚石结构（见图2-1左）。同样，Ⅴ族元素，形成了菱方结构的晶格。

    

                   价和结构                        电磁力结构

                              图2-1

     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， 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，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。图2-1右图为金属物体的结构示意。核外电子的规律运动，既形成晶体结构也携带物体的温度。

物体的传热是:当物体局部受热时，物体内的某局部热量增加，该局部的核外电子速率增加，而且牵动、影响到邻近结构元的核外电子使其速率增加，从而把热传递到邻近的地方。

   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电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的直接影响。（图2-2右）

金属受热时，价和电子速率立即升高，使得电磁力增加，增大的电磁力对邻近的结构元产生影响，邻近的结构元的价和电子因而立即增加速率，以维持电磁力的平衡。这样，金属内局部的升温，由于电磁力的增大而较为迅速地在金属内传播、扩展，从而导致了金属良好的导热性能。

我们看到：物体的导热不是热的搬运、移动，而是物质内相邻结构元电子运动状态的逐步传递。因此相对于导电的神速，物体的导热是缓慢的。那种金属由自由电子导热是流传百年的错误。

              非金属（硅）                                     金属

                        图2—2 非金属与金属结构示意图

   再回答非金属的导热，非金属的导热更缓慢，因为非金属体价电子数较多，如硅结构示意图（图2—2左），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，如此有序连续地构成（充满）了整个物体。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，价和电子的速率加快受到周围结构元的制约，只能逐步协调缓慢增加，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。

化合物是由金属与非金属结合而成，每个核心周围有4 个或更多的价和轨道的环绕，其导热情形与价和晶体相同。

     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：冷玻璃杯中突然注入开水，热的砂锅置于冷水时，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。

 

 热辐射  热辐射是不存在的，我们在热学（一）已经用5个实验论证：热是核外电子绕核运转速率、是原子整体才会有的现象，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、是红外线，所以应该叫做电磁波辐射。

    核外电子绕着核心旋转着，电子运转伴生着电磁波，运转速率就是物质温度。当外界的温度较低，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。

自然界所有原子都是在这样不断地辐射、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,从传热到辐射都成就了“热总是由高温物质向低温物质传播”的热力学第二定律。物质就是这样与外界通过辐射或接收辐射与外界进行热交流（辐射传递）。

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。

  作旋转运动的带电物体（电子）会不会断地发射电磁波，并不断的损失能量。那么，电子会不会把能量辐射殆尽，直至愈来愈慢，陷落到原子核内？

不会的，核外电子运转所产生的辐射不是单向的，原子不会把自身的温度辐射殆尽，物质不会是孤立的，总是会处在一定的温度环境之中，温度较低的物质可以接受较热物质的电磁波辐射，使自身的电子运转速率增加，温度升高。这就是所谓的热辐射，实际上是电磁波的辐射。所以人们就在篝火边、在阳光下取暖。

 

阳光问题  “温暖的阳光照耀着大地。”这是许多文学作品常用的一句话。然而，这句话是错的！至少是不确切的。因为阳光不是温暖的。

“阳光怎么不温暖？我们在阳光下，冬天暖、夏天热。”是的，这是事实，这是因为在这里除了阳光，还有你，还有周围的物质。

阳光是太阳辐射出的许多不同频率的电磁波，纯粹的电磁波是没有温度的。不信？几千米的高山上的皑皑白雪就是证明：如果你在夏天的中午登上峨嵋山，此时你离太阳更近，应该感到更热，然而事实是山顶的温度比山下还低十几度，所以山上出租棉大衣的生意十分兴隆。这是因为高山上空气稀薄、物质较少，由于只有较少的物质接受电磁波，因而温度也较低。

有物质才有温度，故而，高处不胜寒。在太空中没有物质也就没有温度（接近绝对零度），在高空航行的飞机，也有一个防冻的问题。

阳光（电磁波）只有照射在物质上，使原子核外的电子加速运转，物质的温度才得以升高。而且不同的电磁波的频率对不同的物质作用不尽相同。红外波的升温效果最明显，紫外波则不显什么热量。这说明，一般物质的电子运转频率与红外波的频率相近。

                              2014-11-24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。