热的本质是研究物质热运动的基础 。在热力学的发展过程中,出现了两种不同的观点 。一种是把热看作是一种物质——热质说,另一种是把热看作是物质的一种运动——一热之唯动说 。科学家围绕这两种观点展开了激烈的争论,随着热学的发展,“热之唯动说”在热本质的解释中占了绝对优势 。虽然如此它却在解释热辐射时遇到了一定的困难,且“热质”作为历史上曾经出现过的热学学说,作为人类认识发展过程中的一个阶段,它的历史作用不可否认,并且随着相对论的建立,给热质作一科学定量定义两种学说可以统一融化在质能关系之中 。
与分子运动无关的热现象
“热之唯动说”就是热的分子运动说,这里所说的分子运动就是分子的热运动 。在经典热力学中,热现象仅与分子的热运动有关,而把热传递分为三类热传导、热对流和热辐射 。对于热传导和热对流可完全用分子运动论去解释 。对于热辐射若用分子运动论去解释则遇到一定的困难,现分析如下:从现代物理实验和辐射谱分析可知23,分子并不是一个机械型的弹性小球,而是一个具有复杂结构和多种运动形式的开放系统,即分子由原子组成,原子由原子核和电子组成,原子核又由中子和质子构成 。分子整体除了作热运动外,还有其复杂的内部运动,且各种运动的能量都是量子化的,当分子能级有跃迁情况发生时,则伴有电磁辐射(热辐射)的发生 。例如多原子分子有多个原子核,这些原子核除随分子整体做平动外,还可以绕它们的质心转动,还可以相对地振动,又有核外电子的运动 。分子整体的平动虽然也是量子化的但两个能级差甚小,约1018eV,故辐射谱上反映不出来 。转动运动的两个能级差均为104-102eV,能级跃迁时辐射发生在远红外和微波段 。振动运动的两个能级差约为0.05leV,能级跃迁时,辐射发生在红外波段 。而分子中原子的价电子运动的能级差约为1-20eV,能级跃迁时,辐射发生在近红外、可见光和紫外波段 。另外当原子内层电子的能级跃迁时,辐射发生在远紫外和ⅹ射线波段 。从物理实验还可以知道,任何物体在任何温度下都有辐射存在,其辐射谱是连续谱且辐射谱的性质与物体的温度有关 。例如,在室温下大多数物质辐射红外谱,在500℃左右时,发出暗红色的可见光大约在1500℃时发出明亮的白炽光,总之随着温度的升高,辐射谱中波长较短的辐射越来越多 。通过上述分析可知,由于波长小于近红外的辐射都由分子内部结构之电子状态的变化而产生,因此物体的温度与分子内部结构的状态有着极为密切的关系若把分子的转动和振动视为分子的热运动尚可接受,则分子中原子的电子运动显然不属于分子的热运动,而根据热力学第一定律△U=A+Q可知上述各波段的辐射均属于热辐射,辐射出的能量均属于热力学第一定律中的能量Q 。显然近红外、可见光、紫外及Ⅹ射线波段的热辐射与分子的热运动无关,由这些辐射引起的热现象不能用分子运动论来解释 。事实上,物质的每一层结构一般不一定处于稳
定状态,当状态变化时即使物质在与外界无实物交
换的条件下也可与外界发生能量交换而产生热效
应 。如核的y衰变和穆期堡尔效应,它们辐射出或吸
收的能量均为热力学第一定律中的热量Q 。
热的本质
关于热之本质的两种学说都能在一定的范围内
解释一些热现象,而都有一些热现象不能用其解释 。
那么热的本质到底是什么?在“热之唯动说”中热现
象与实物粒子热运动的动能有关,辐射热则与物质
结构所处状态的激发能有关 。这就是说物体中与热
现象有关的能量可分为两大部分,一部分为构成该
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