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科普文:热设计关注的‘温度’,到底是什么?

leon2016
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热是分子运动的宏观表现形式,构成物体的分子运动的平均动能体现的是热的程度。热的程度,也就是温度。温度是衡量物体冷热程度一个标量,这是我们最常听到的对温度的解释。但实际上,笔者认为这就是一句大实话,中间没有包含任何解释性的语言。

       在读取下文之前,大家不妨思考一下,是否真正明白温度的微观本质?

 

       热设计公众号(微信中搜索“热设计“,即可关注)前段时间的文章《什么是“热”》中提及,热质说最难解释的现象就是热辐射。这样,理解不同温度表面的辐射换热,就需要了解温度和辐射之间的关系,探究温度的微观本质。微观上来讲,电子时刻不停地受到光子的扰动,不断地吸收各种能量的光子,也不停地辐射出各种能量的光子,所以电子在原子核中并不是处于稳定状态,它的运动轨迹也不是正圆。一般来说,温度越高,电子受到的扰动越大,其运动轨迹偏离圆形的趋势越明显;温度越低,电子受到的扰动越小,电子的运动轨迹越接近圆(只有在绝对零度时,电子的运动轨迹才可能是正圆)。从这个意义上来说,原子模型可以看作是卢瑟福的行星模型和电子云模型的结合:温度越高,原子模型越接近行星模型;温度越低,原子模型越接近电子云模型(但在某一瞬间,电子在原子核中有确切的位置)。温度的高低反映了电子偏离稳定轨道程度的大小,单个原子(分子)也有温度。电子偏离圆形轨道的程度越大,表明该原子的温度越高,电子裂变后放出的能量也越大。所以温度升高时物体发出的电磁辐射向短波方向移动。对于温度一定的物体来说,它内部包含了大量的原子,这些原子中的电子由于受到的扰动大小不同,它们裂变放出光子的质量也不同,但大致满足正态分布,即发出的光子中能量特别大的和能量特别小的都是极少数。 

       人们通常认为:热现象是大量分子无规则运动的反映,温度越高分子的平均速率越大,温度越低分子的平均速率越小。事实上,这一理解可能并不正确。我们知道,太阳时刻不停地向外抛射高能粒子,这些粒子的速度接近光速,宇宙中其它恒星也在不停地向外抛射高能粒子,所以在宇宙空间任何地方,都有许多高能粒子正在做杂乱无章的运动,这些粒子的速度通常都接近光速或亚光速。这样看来宇宙空间的温度应该很高(至少比恒星内部高),宇宙空间应该是很明亮的。但事实上,宇宙空间是漆黑的一团,温度只超过绝对零度一点。这说明粒子运动速度大未必温度就很高,物体的温度不是由组成它的原子(分子)的平均运动速度决定的。温度升高,原子(分子)的平均速度增大。但反过来,原子(分子)的平均速度增大并不意味着温度升高。我们知道,只要物体的温度在绝对零度以上就会向外辐射电磁波,而物质向外辐射电磁波的原因是电子受到扰动后在静电力作用下放出光子,并且光子受到的扰动越大放出的光子能量也越大,相应的物体的温度也越高。从这个意义上来说,原子是储存热量的最小单位,单个原子也有温度,因为它可以储存热能。但单个的带电粒子如质子、电子在不受外界任何扰动时,即便速度再大也不会向外界释放能量,因此它们都不能储存热能,因而也没有温度。应该看到,原子(分子)的高速运动所具有的能量仅仅是动能而不是热能,和宏观物体一样,速度大未必温度高。宏观物体的速度与其温度无关,原子(分子)也是如此。一个原子(分子)的速度比其它原子(分子)的速度大,只能说明它的动能大,储存的热能未必就多。热能仅储存于原子核和电子形成的原子体系中,两者中缺少任何一个都不能储存热能。在日常生活中我们用红外线(微波)加热而不用紫外线,紫外线的热效应远远小于红外线(微波)。这是因为红外线(微波)光子的质量小,和原子中电子的结合力大(包括内层电子),而紫外线和原子中电子的结合力小(它几乎不与内层电子作用),所以红外线往往容易被物体吸收,其热效应当然比紫外线强。

       了解了上述知识,我们再考虑温度的概念,就会有不同的结论。对一个物体而言,倘若它储存了热能它就有温度,并且它储存的热能越多它的温度就越高,反之则温度越低;倘若物体没有储存热能则它就没有温度或者说它的温度是绝对零度;倘若物体不能储存热能,则用温度来衡量该物体是没有意义的。我们知道,原子是储存热能的最基本单位,原子的热能实际上是储存在电子中的。单独的原子核、单独的电子都不能储存热能,所以单独的原子核、单独的电子都没有温度。同样的道理,光子也不能储存热能,它仅仅是热能的载体,因为单独的原子可以储存热能,所以单独的原子有温度,但由于单独的光子不能储存热能,所以单独的光子没有温度,不同能量的光子之间只有能量的差异而没有温度的差异,用温度来衡量光子是毫无意义的。

       明白了温度是物质内部电子储存热能的宏观表现,以及其本质是一种运动剧烈程度这一概念,对深入理解热量的传递方式有很大帮助。结合上述知识,感兴趣的读者可以再对导热、对流换热以及辐射换热这三种基本传热方式进行一个回忆,相信你一定会有不同的理解。

       对于“热”和“温度”的本质,有感兴趣的读者,可以在公众号内留言,或在中国热设计网散热技术论坛中开贴讨论。

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