由于物体的质量由若干部分组成, 并且各部分
质量具有不同的性质。显然这里的质量是物质运动
的表现和量度, 从而说明物体由不同运动形态的物
质组成。这里把对组成物体的基本微粒静止质量有
贡献的物质称为基本物质, 而对各种运动质量有贡
自然辩证法研究
vo l113, No15, 1997
论 热 的 本 质
董 超 铀
摘要 本文考虑到分子各层次内部结构的运动对热现象的影响, 对热质进行科学定义, 用质能
关系将热本质的“热质说”和“热之唯动说”两种观点统一起来。
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——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〔1〕。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〔2- 3〕, 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10- 18
eV , 故辐射谱上反映不出来。转动运动的两个能级
差均为10- 4- 10- 2eV , 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0105-
leV , 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。
25
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C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
物体分子热运动的动能, 另一部分为构成该物体分
子各个层次内部结构(如原子) 处于激发态时的激发
能。如上所述处于分子结构各个层次的激发态可以
辐射出各种波段的无序的电磁场——辐射热。
另一方面根据相对论中的质能关系
E= mc2 或 △E= (△m ) c2
可知当某物体与外界交换能量时则该物体的能量必
然发生变化。对于辐射热的发射与吸收的质量变化,
系统与外界交换的是光子—— 一种无序的电磁场
——物质的一种形式。而实物范围内热传导与热辐
射对改变系统热状态的效果相同, 所以实物范围内
热现象中的质量变化其性质与吸收或发射辐射热一
样, 因此热接触时系统一定与外界发生了物质交换。
由于通过物质交换来改变系统的热学状态, 故所交
换的物质一定与热现象有关。
从近代物理学的理论和实验还可以知道, 一个
物体的质量由以下几个部分组成: 构成该物体基本
微粒的静止质量, 基本微粒之间相互作用质量, 基本
微粒做热运动时所具有的质量, 整个物体做宏观机
械运动时所具有的质量, 若物体为带电体则还伴有
电磁质量。需要说明的是随着所选基本微粒的不同,
则微粒的静止质量, 微粒之间相互作用质量有所不
同。例如若选分子为基本微粒, 则基本微粒的静止质
量包括组成分子各原子的静止质量, 原子之间的相
互作用质量, 原子运动时所具有的质量; 微粒相互作
用质量为分子之间的相互作用质量。若取原子为基
本微粒, 则微粒静止质量包括原子核和电子的静止
质量, 原子核和电子的运动质量, 原子核与原子核,
电子与电子, 原子核与电子之间的相互作用质量; 微
粒相互作用质量为原子与原子之间的相互作用质
量。
由于物体的质量由若干部分组成, 并且各部分
质量具有不同的性质。显然这里的质量是物质运动
的表现和量度, 从而说明物体由不同运动形态的物
质组成。这里把对组成物体的基本微粒静止质量有
贡献的物质称为基本物质, 而对各种运动质量有贡
献的物质称为该运动形态物质。
通过以上分析可知物体的热现象与一定质量的
物质有关, 即物体中总有一定质量的物质参与了热
运动, 或者说物体中总有一定质量的物质是以热运
动的形态显示出来。故把这部分物质称为热质。存在
于物体中热质的多少决定了这个物体温度的高低。
若把分子视为物体的基本微粒, 根据前述对热现象
有贡献的物质——热质的质量可表达为
MQ = N (m - mo ) + 2
i
Ei
öC
2
= N ( m 0
1- v2öc2
- m 0) + 2
i
Ei
öC
2
这里N 为物体所含有分子的个数, C 为光速, m 0 为
分子的静止质量, v 为分子热运动的平均速率, Ei 为
物体中分了各个层次内部结构处于激发态时的激
发能。当所有的Ei 都等于零时, 各个层次内部结构
则处于基态, 此时对m0 有贡献的物质称为基态基
本物质, 否则我为激发态基本物质。显然MQ 中前一
项为分子的运动质量, 即热运动质量; 后一项为分子
静止质量的一部分。还需要说明的是, 这里的热质与
布拉克的物质〔1〕有本质的差别, 它是物质的一种运
动形态, 并且它与其它形态的物质可互相转变。例
如: 热质与机械运动形态的物质的转变, 通过机械功
把机械运动形态物质转变为热质(摩擦生热, 热机) ;
电磁场与热质的转变, 通过电磁功把电磁场转变为
热质(电炉) ; 基态基本物质转变为热质, 这种情况
最常见的例子是能源, 在常规能源中基态能源分子
通过化学反应被氧化生成激发态新分子并以辐射热
放出, 在核能源中基态原子核通过裂变或聚变生成
的激发态新核所产生的辐射热更显著。
总之, 热现象是物体中参与热运动物质的反映,
物体的热状态完全由物体内热质的质量所确定, 即
物体的热状态是物体内热质质量的单值函数, 这一
(下转第56 页)
26
自然辨证法研究第13 卷 第5 期
带头举办的集体企业和公司加基地加科技加农户的
模式等。
要加强省、市(地)、县对农村工作的领导。把
村经济分为若干类型, 如贫困村、村集体企业空白
村, 村集体经济产业达百万元、千万元和亿元村。党
政逐级包扶是不够的, 还必须省、市(地) 县直接深
入到不同类型的最基层(行政村) 和基层干部合力奋
斗, 找出和走上适合本村资源特点的苦干加智取的
脱贫致富之路; 然后把第一手的直接经验, 总结上升
为重大政策性举措, 在同类地区推广。
实践证明, 既要有好的脱贫致富的思路, 还要选
择好艰苦奋斗、忠诚为人民服务的县、乡(镇)、村
领导班子, 这是实现创业富民的决定环节。
(注: 有关草原方面的数据资料根据“省委、省
政府联合调查组”的报告材料。)
【作者简介】李昌, 前中顾委委员, 中国自然
辩证法研究会顾问。
(本文责任编辑 缪音征)
(上接第26 页)
点热质与热量是不同的。一个系统热状态的变化是
通过热质的交换或热质与其它运动形态物质的转变
——热质的运动来产生。因此热的本质是热质的运
动。
参 考 文 献
〔1〕 林可济、王增喜、邓国天等: 《辩证唯物主义常识》
中的自然科学问题, 福建人民出版社, 1982 年, 第
138、141 页。
〔2〕 褚圣麟: 原子物理学、高等教育出版社, 1979 年, 第
256、229 页。
〔3〕 渠基雷、夏洪川: 热与电磁辐射, 现代物理知识,
1994, 6 (增) , 第124 页。
【作者简介】董超铀, 男, 1959 年生, 延安教
育学院物理系副教授。
邮编: 716000
(本文责任编辑 王建军)
·学术研究动态与信息·
第二次全国集对分析学术研讨会纪要
第二次全国集对分析学术研讨会于1996 年7
月21 日至25 日在吉林师范学院举行。来自全国各
地高等院校、科研机构及企事业单位的70 余名代表
出席了会议。
开幕式由吉林市自然辩证法研究会秘书长、吉
林医学院孙旭东教授主持。他在宣布会议开始时指
出: 集对分析是我国学者赵克勤工程师于1989 年提
出的一种新的不确定性理论: 几年来, 集对分析在自
然科学和社会经济领域得到了广泛的应用, 在学术
界有较大影响; 继95 年2 月第一次全国集对分析学
术研讨会在苏州召开之后, 今天又在这里举行第二
次学术会, 这无疑将对吉林乃至全国有关学术研究
起到良好的促进作用。
会议的第一项议程是由集对分析的创立者赵克
勤作题为《集对分析与不确定量》的学术报告。他着
重介绍了集对分析自89 年正式提出以来经历的几
个阶段: 94 年前是作为一种系统分析方法(即同异
反定量分析) 面世的; 在95 年初的苏州会上提出了
集对分析的实质是一种新的不确性理论; 这次会上
要提出不确定量与联系数等两个重要概念。所谓不
确定量, 相对于常量和变量来说, 是宏观上可取确定
值而微观上不能随意确定取值的量; 联系数是描述
不确定量的一种数。
会议的第二项议程是著名软科学决策专家、北
方交通大学贺仲雄教授作题为《集对分析与市场经
济》的学术报告。他指出, 由于市场经济不仅充满不
确定性, 而且有时出现反常现象, 所以把集对分析运
用于市场经济的理论研究和市场调控很有实际意
义。
这次会议突出了新兴学科学术会的特点, 代表
们发言踊跃、各抒已见, 提出了许多有价值的看法。
会上, 成立了由48 名委员组成的全国集对分析研究
会筹委会, 赵克勤任主任委员, 陈华豪、马骥良、贺
仲雄任副主任委员。
(姜玉声)
56
自然辨证法研究第13 卷 第5 期
No comments:
Post a Comment