從粒子性角度論述熱力學(xué)問(wèn)題

摘 要：從粒子性角度描述熱運(yùn)動(dòng)及其熱傳遞，形式上可簡(jiǎn)化為粒子的運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)性能的相互轉(zhuǎn)化，熱傳遞可簡(jiǎn)化為粒子之間的雙重運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的交換，即動(dòng)能交換及自轉(zhuǎn)能的相互轉(zhuǎn)化。能量的守恒也可以等效為粒子的動(dòng)能和自轉(zhuǎn)能之間的守恒問(wèn)題來(lái)描述。所以，所謂的熱交換是相互的。熱傳遞具有相互性。

關(guān)鍵詞：熱運(yùn)動(dòng) 熱交換 動(dòng)量交換 相互性 溫度 熵

穩(wěn)態(tài)熵軌道

引 言

本文從粒子性角度論述了物體的熱運(yùn)動(dòng)以及物體之間的熱傳遞規(guī)律，理論表明，熱運(yùn)動(dòng)微粒子在雙重運(yùn)動(dòng)中的相互作用。相互作用可以用動(dòng)能的相互碰撞形成的相互作用以及自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的摩擦而形成的相互作用來(lái)描述。系統(tǒng)中粒子之間的相互作用力的大小表現(xiàn)為對(duì)外界的溫度的高低。溫度的高低變現(xiàn)為系統(tǒng)的熵的高低。所以從粒子性角度描述熱運(yùn)動(dòng)及其熱交換時(shí)，熱交換具有相互性。熵曾和熵減都是屬于自然演變。

一、從粒子性角度論述熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律

粒子穩(wěn)態(tài)：是指一個(gè)微粒子在不受任何其它影響的前提下，粒子具有自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表現(xiàn)為粒子的自轉(zhuǎn)及其在自轉(zhuǎn)形成的內(nèi)力作用下的環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。所以，粒子的穩(wěn)態(tài)可理解為粒子的自由繞動(dòng)狀態(tài)。

系統(tǒng)的相對(duì)性穩(wěn)態(tài)：一個(gè)系統(tǒng)的體積不小于系統(tǒng)內(nèi)所有粒子的二維運(yùn)動(dòng)（繞動(dòng)所體現(xiàn)的扁球體的體積）的球體體積時(shí)，可視為粒子之間及對(duì)系統(tǒng)無(wú)相互作用，可視為系統(tǒng)處于相對(duì)性穩(wěn)態(tài)性質(zhì)。如圖1（a）。

熱運(yùn)動(dòng)：一個(gè)相對(duì)封閉系統(tǒng)內(nèi)，由于粒子數(shù)量增多，粒子不能在穩(wěn)態(tài)中運(yùn)動(dòng)，粒子之間會(huì)發(fā)生碰撞，在碰撞相互作用中，粒子運(yùn)動(dòng)速度加快，自轉(zhuǎn)能的減小不能及時(shí)的等量抵消動(dòng)能的增大，表現(xiàn)為熱運(yùn)動(dòng)。熱運(yùn)動(dòng)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生壓力，壓力的大小表現(xiàn)為系統(tǒng)的熱量（溫度）大小，如圖1（b）。

當(dāng)一個(gè)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)內(nèi)粒子的穩(wěn)態(tài)受到外界的影響而增大粒子的二維運(yùn)動(dòng)體積后，相對(duì)系統(tǒng)體積不變時(shí)密度增大，大于系統(tǒng)體積時(shí)也會(huì)顯示為熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是相對(duì)的。

二、從粒子性角度描述熱傳遞現(xiàn)象

（一）動(dòng)量交換。粒子的繞動(dòng)可簡(jiǎn)化為振動(dòng)。粒子的相互作用可用動(dòng)量定理來(lái)來(lái)描述。兩個(gè)系統(tǒng)溫度不同相互熱傳遞時(shí)，可視為兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)粒子在碰撞中導(dǎo)致的動(dòng)量交換。如圖2。

兩系統(tǒng)內(nèi)粒子視為質(zhì)量m1和m2相同，溫度高的左邊內(nèi)粒子振動(dòng)振幅較大，粒子運(yùn)動(dòng)速度v1也較大。右邊粒子振動(dòng)振幅較小，粒子運(yùn)動(dòng)速度v2較小。系統(tǒng)熱傳遞可視為粒子在界面發(fā)生碰撞的相互作用。根據(jù)動(dòng)量守恒定律。碰撞后兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)速交換，等效為為熱交換?？珊?jiǎn)單理解為，兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的粒子在平衡后溫度相同，但屬于震動(dòng)振幅不同的粒子的均勻性混雜性質(zhì)，如圖3。

但從動(dòng)量守恒的原理上分析，熱傳遞可視粒子動(dòng)量交換，可視為熱交換。而且具有粒子動(dòng)量不同的混雜性質(zhì)。

（二）自轉(zhuǎn)能能對(duì)動(dòng)量交換的影響。根據(jù)《自由運(yùn)動(dòng)論》所描述的能量守恒定律，粒子具有運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)的雙重運(yùn)動(dòng)性。而且總能量是不變的。所以，系統(tǒng)內(nèi)相同粒子動(dòng)能（動(dòng)量）較大的，自轉(zhuǎn)能必定較小，自轉(zhuǎn)速度較小。由圖2所描述的動(dòng)能較大的粒子的自轉(zhuǎn)能較小，自轉(zhuǎn)速度必定較小。動(dòng)能較大的粒子的自轉(zhuǎn)速度較大。如圖4。

在部分相互碰撞形式的相互作用時(shí)，粒子會(huì)因?yàn)樽赞D(zhuǎn)導(dǎo)致碰撞點(diǎn)處具有摩擦力，且摩擦力使自轉(zhuǎn)速度大的減小，而有利于自轉(zhuǎn)速度小的增大。m1的運(yùn)動(dòng)速度V1較大，m2的運(yùn)動(dòng)速度V2較小。在摩擦力f作用下，摩擦力對(duì)于動(dòng)能較小的m2的自轉(zhuǎn)速度w2的影響較較大。碰撞后的自轉(zhuǎn)速度w4減小幅度較大。而有利于m1粒子的自轉(zhuǎn)速w1的增加。也就是說(shuō)，在相互作用中，自轉(zhuǎn)速度不是互換的，是受不同影響的。根據(jù)能量守恒，相互作用后的運(yùn)動(dòng)速也并非是互換的了，即同時(shí)考慮自轉(zhuǎn)在碰撞中的影響及其變化，動(dòng)量不守恒。但是，在多次的碰撞中，自轉(zhuǎn)速度w3和w4接近相等，運(yùn)動(dòng)速度v1也接近v2也會(huì)接近相等。兩系統(tǒng)內(nèi)的粒子從圖3顯示的振動(dòng)性質(zhì)不同的混雜性質(zhì)變?yōu)檎駝?dòng)性能基本相同的性質(zhì)。

由以上分析，熱傳遞從粒子的動(dòng)量守恒及其能量守恒的角度分析，熱傳遞具有能量互換性質(zhì)。

三、熱力的應(yīng)用

（一）熱力的實(shí)質(zhì)。所謂熱力，是利用能源從低溫到高溫的體積變化來(lái)產(chǎn)生對(duì)外壓力。比如，汽油在氣缸內(nèi)燃燒，實(shí)際上可等效為利用汽油和空氣的的反應(yīng)，使體積小的液體汽油變?yōu)轶w積大的氣體物質(zhì)的過(guò)程。對(duì)活塞產(chǎn)生向外的壓力從而獲得動(dòng)力。

所謂的燃燒，可等效為讓體積較小的物質(zhì)（液態(tài)）內(nèi)的復(fù)粒子在湮滅性質(zhì)的碰撞之后，重組為體積更大（氣態(tài)）物質(zhì)的復(fù)粒子的過(guò)程。

（二）現(xiàn)代熱力學(xué)的局限性。所謂的熱力，是指系統(tǒng)相對(duì)高溫物質(zhì)會(huì)對(duì)系統(tǒng)外部產(chǎn)生壓力。技術(shù)上可以利用相對(duì)低溫自然能源（比如煤炭、汽油燃燒等）來(lái)人為制造高溫能源，再利用這一高溫壓力的釋放來(lái)獲取動(dòng)力。而且類似煤炭低溫能源體積小容易攜帶。

但是，氣態(tài)到液態(tài)變化，雖然理論上存在反向壓力，但技術(shù)上用自然氣態(tài)能源來(lái)人為的轉(zhuǎn)化為液態(tài)的過(guò)程是比較困難的。比如，如果把容易起化合反應(yīng)的某些氣體混合，可以生成液態(tài)或者固態(tài)物質(zhì)，理論上也是可行的。相當(dāng)于密度較小體積大的氣體在氣缸內(nèi)結(jié)合生成密度較大體積較小的液態(tài)或者固態(tài)物質(zhì)，從而使氣缸內(nèi)壓力減小，使活塞獲得外界空氣壓力，從而獲得活塞向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。但是，如果利用此反過(guò)程來(lái)獲得動(dòng)力，會(huì)存在氣體能源體積大不易攜帶，而且氣缸也不宜太大的弊端。

所以，理論上，動(dòng)力能源是可以利用熱力的反過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。即熱力也已利用物質(zhì)從高溫（氣態(tài)）到低溫（固液態(tài)）的自然過(guò)程（化合反應(yīng)）來(lái)獲取動(dòng)力的。只是反過(guò)程不利于機(jī)械的設(shè)計(jì)及利用。

實(shí)際上，利用高溫的膨脹力的過(guò)程本來(lái)是人為的把低溫（汽油等）通過(guò)反應(yīng)（燃燒），變成氣體物質(zhì)，才導(dǎo)致高溫氣體看起來(lái)自動(dòng)向外部低溫空氣傳遞（產(chǎn)生壓力）的性質(zhì)。也就是說(shuō)，物質(zhì)從高溫向低溫自動(dòng)傳遞性，是源于前期低溫向高溫自動(dòng)變化的過(guò)程。也就是說(shuō)，理論上，利用物質(zhì)從低溫到高溫的交換過(guò)程，從高溫到低溫的交換過(guò)程都可以對(duì)外做功而獲得動(dòng)力的。

四、能量、溫度及密度的關(guān)系

依據(jù)《自由運(yùn)動(dòng)論》的理論，光粒子的質(zhì)量是不盡相同的，在不盡相同的碰撞中形成的復(fù)粒子的性質(zhì)也就不盡相同。從復(fù)粒子的不同性質(zhì)來(lái)分析，復(fù)粒子的自轉(zhuǎn)能越大，體積越小，形成的宏觀物質(zhì)密度也大。也就是說(shuō)，同樣的粒子，構(gòu)成密度大的物質(zhì)時(shí)，粒子的能量?jī)?chǔ)存在自轉(zhuǎn)能中的能量較大。相當(dāng)于，密度越大，能量越大。雖然密度大，是由于粒子的自轉(zhuǎn)速度大導(dǎo)致的粒子穩(wěn)態(tài)體積小，相互之間的作用力不會(huì)因?yàn)槊芏却蠖龃?。所以，自然條件下，密度大不代表溫度就高。

密度大不代表溫度就高，是指物體質(zhì)量較小，不考慮物體內(nèi)部粒子和外部粒子的區(qū)域性差別。但是在形成龐大天體的情況下，由于粒子數(shù)量巨大。所謂物體具有內(nèi)外的絕對(duì)性區(qū)別。在自由運(yùn)動(dòng)中形成相對(duì)封閉區(qū)域，粒子會(huì)因?yàn)榭臻g的局限而被迫增大密度，會(huì)形成局部密度越大，溫度越高的現(xiàn)象。此時(shí)情況就不屬于自由狀態(tài)下的密度。意味著，質(zhì)量較大的物體內(nèi)部物質(zhì)溫度隨著區(qū)域性變化而變化。比如，地球大氣層，本來(lái)屬于同類粒子構(gòu)成的氣體物質(zhì)，溫度、密度本應(yīng)相同，但由于大氣分子數(shù)量巨大，形成各自的自由運(yùn)動(dòng)受到局限，產(chǎn)生擠壓，形成內(nèi)部壓力增大，密度增大，從而溫度升高，形成大氣層溫度具有向外逐漸減小的大的規(guī)律。

五、熵的物理意義

關(guān)于熵的現(xiàn)代物理學(xué)等意義大致可理解為，一個(gè)系統(tǒng)中的物質(zhì)內(nèi)所有粒子越是具有自由性，系統(tǒng)變現(xiàn)為越混亂，混亂程度越大，系統(tǒng)的熵值越大。越混亂粒子顯得越是無(wú)序，即也可認(rèn)為，系統(tǒng)越是無(wú)序，熵值越大。反之，熵值越小。如圖1（a）中的粒子數(shù)少，在自由的運(yùn)動(dòng)中位置是多變的，顯得無(wú)序，而粒子的三自由度也較大，即粒子的自轉(zhuǎn)和繞動(dòng)方向也是很大程度的不一致。而在圖1（b）中，由于粒子數(shù)量居多，在相互作用中，自由運(yùn)動(dòng)范圍較小，位置不能較大幅度的移動(dòng)，顯得更有序，而且三自由度受限制，繞動(dòng)方向也更具有一致性。所有粒子表現(xiàn)為較為有序性質(zhì)。

從熵的廣義性角度來(lái)考慮，就是從宇宙大尺度范圍內(nèi)，一個(gè)天體的熵值也是如此。天體的密度越小，單位體積內(nèi)的微粒子數(shù)越少，粒子間相互作用力越是小，粒子越是自由，天體的熵值越大。而有些天體的密度較大，熵值就叫小。天體的旋轉(zhuǎn)速度越大，密度越大，內(nèi)部粒子越有序，也表現(xiàn)在粒子的自轉(zhuǎn)方向越一致，天體的扁球體性質(zhì)的扁率越大。所以天體（或者星系）越是扁平熵值越小，自轉(zhuǎn)速度越小，越是接近正球形，熵值越大。

系統(tǒng)內(nèi)所有粒子在自然條件下向著自由無(wú)序方向自動(dòng)演變，而不會(huì)向著反方向自動(dòng)演變，是熱力學(xué)第二定律的意義。比如，一個(gè)系統(tǒng)，壓力越大，系統(tǒng)內(nèi)粒子越是不自由，也是越是在壓力下變得更有序。而壓力越大，粒子之間的相互作用力越大，動(dòng)能變得越大，對(duì)外顯示為溫度越高。所以，在兩個(gè)不同溫度系統(tǒng)之間相互交換熱量的過(guò)程中，總表現(xiàn)為：

1.溫度較高的有序系統(tǒng)內(nèi)的粒子自動(dòng)向著溫度低的無(wú)序系統(tǒng)內(nèi)傳到動(dòng)能，如圖2所示，兩個(gè)系統(tǒng)是隔離的，粒子不能到達(dá)對(duì)方的空間中去。

2.溫度較高的有序系統(tǒng)內(nèi)的粒子自動(dòng)向著溫度低的無(wú)序系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，然后兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的粒子混合到均勻分布（如圖3不存在系統(tǒng)隔離層的整體均勻情況）。也就是說(shuō)，熱傳遞是有方向的，其方向性就是所謂的熵曾原理。即系統(tǒng)熵會(huì)自動(dòng)增加，不會(huì)自動(dòng)減小。

六、穩(wěn)態(tài)熵軌道

（一）穩(wěn)態(tài)熵的定義。用熵來(lái)描述物質(zhì)的屬性是可以的，但是根據(jù)《自由運(yùn)動(dòng)論》的理論，熵可以延伸到宇宙空間中。一個(gè)天體，一個(gè)星系，都可以用熵來(lái)描述。比如地球，地球可以理想的理解為由某些空間粒子連續(xù)的發(fā)生糾纏性質(zhì)的碰撞而逐漸形成的?？烧J(rèn)為這些粒子是從熵值很大的自由狀態(tài)中自然演變?yōu)殪刂岛苄〉模芏群艽蟮奶祗w。

當(dāng)同類粒子構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)空間不小于所有粒子的穩(wěn)態(tài)體積的和時(shí)，粒子之間基本可以處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)熵可視為穩(wěn)態(tài)熵。粒子在自由的穩(wěn)態(tài)熵性質(zhì)中做更高維度的軌道運(yùn)動(dòng)，其軌道可視為穩(wěn)態(tài)熵軌道。

每類粒子都有自己的穩(wěn)態(tài)二維體積及其相對(duì)的更高維度運(yùn)動(dòng)軌道，比如大氣分子，有一定的穩(wěn)態(tài)體積，也有隨著地球自轉(zhuǎn)而繞地球運(yùn)動(dòng)穩(wěn)態(tài)軌道。如圖5。

設(shè)：空氣的穩(wěn)態(tài)軌道處的熵值為穩(wěn)態(tài)熵值，則穩(wěn)態(tài)軌道外圍空氣的熵值較大，穩(wěn)態(tài)軌道內(nèi)的空氣的熵值較小。同類的空氣分子，處在穩(wěn)態(tài)軌道外的熵值較大空氣有自動(dòng)向著穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。而低處的熵值較小的空氣有向著熵值較大穩(wěn)態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。由于同類粒子居多，某系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熵軌道上的熵值并不是穩(wěn)態(tài)熵值，而是小于穩(wěn)態(tài)熵值。

（二）穩(wěn)態(tài)熵軌道的多維性。和粒子的雙重運(yùn)動(dòng)性具有多維性一樣，穩(wěn)態(tài)熵軌道也具有多維性。比如，一個(gè)電子在原子中的穩(wěn)態(tài)熵軌道為一維穩(wěn)態(tài)熵軌道，原子在分子中的穩(wěn)態(tài)熵軌道就屬于電子的二維穩(wěn)態(tài)熵軌道，分子在更大的系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)態(tài)熵軌道屬于電子的三維穩(wěn)態(tài)熵軌道。

整個(gè)太陽(yáng)系中，天體也具有特定的穩(wěn)態(tài)熵軌道。在中途沒(méi)有發(fā)生碰撞的光粒子會(huì)到達(dá)大尺度范圍上的繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，可認(rèn)為此處的光粒子是自由的，因而，可以認(rèn)為光在空間中輻射以及公轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)儆陟刂底畲蟮奈镔|(zhì)區(qū)域 ，可視為光粒子的穩(wěn)態(tài)熵軌道。

質(zhì)量巨大的天體在糾纏性碰撞中質(zhì)量增大，熵值向著減小的方向演變，在湮滅性碰撞中向著熵值減小的方向演變，都具有向著各自的穩(wěn)態(tài)熵軌道上演變的性質(zhì)。即，天體的穩(wěn)態(tài)熵軌道，可視為微粒子的更高維度的穩(wěn)態(tài)熵軌道。

（三） 穩(wěn)態(tài)熵軌道的物理性。由以上分析可知，密度越小的同類粒子形成的系統(tǒng)內(nèi)，由于壓力而存在的不同溫差（能量差）越小，表現(xiàn)為密度越小的系統(tǒng)能量分布越接近均勻，比如同等范圍內(nèi)，氣態(tài)層的溫差要小于液態(tài)層的溫差，液態(tài)層的溫差要小于固態(tài)層的溫差。即，整體性質(zhì)表明，密度也小，熵值越大。

每種不同物質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)都存在一定的運(yùn)動(dòng)曲率軌道。表明，物質(zhì)的熵和物質(zhì)的雙重運(yùn)動(dòng)性有關(guān)，與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)曲率有關(guān)，而且有運(yùn)動(dòng)曲率越小，密度越小，物質(zhì)內(nèi)（系統(tǒng)內(nèi)）粒子越是顯得自由，熵值越大。說(shuō)明，熵值與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)自由運(yùn)動(dòng)曲率成反比。

（四） 熵變的可逆性。天體的形成可以理想的視為最自由的微粒子的糾纏性碰撞而逐漸形成的。而其過(guò)程也屬于自由運(yùn)動(dòng)中的演變過(guò)程，其過(guò)程可視為粒子的熵是從大向小的方向自由演變。比如類星體、黑洞等是天體之間的很大程度糾纏性碰撞，所以類星體等屬于自轉(zhuǎn)速度逐漸增大，在慣性作用下吸收空間粒子的能力較大。于是有質(zhì)量逐漸增大、密度逐漸增大的性質(zhì)，從而表現(xiàn)為熵值逐漸減小的性質(zhì)。從廣義上考慮，結(jié)合穩(wěn)態(tài)熵的性質(zhì)，自然條件下，宏觀物體的形成，直至質(zhì)量巨大的天體的壯大過(guò)程，就是熵減的過(guò)程。熵減也是屬于自由演變的性質(zhì)。只能說(shuō)，熵曾原理是在特定前提下或者局域條件下建立的物理規(guī)律。

七、結(jié)論

熱傳遞過(guò)程，可理解為粒子在相互作用中動(dòng)能和自轉(zhuǎn)能的相互交換過(guò)程，從能量守恒性質(zhì)上考慮，熱傳遞具有相互性。系統(tǒng)能量不存在絕對(duì)的能量均勻分布，總存在能量差，表現(xiàn)為，密度越小，能量差越小，熵越大。系統(tǒng)的熵都具有穩(wěn)態(tài)熵區(qū)域，系統(tǒng)粒子都有向著穩(wěn)態(tài)熵區(qū)域運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。從粒子相互作用的多樣性來(lái)考慮，粒子的糾纏性碰撞形成復(fù)粒子的自然過(guò)程是系統(tǒng)的熵減的過(guò)程。湮滅性碰撞的自然過(guò)程是系統(tǒng)的熵增過(guò)程。所以，自然規(guī)律中，某系統(tǒng)在演變中既可以自動(dòng)熵曾，也可以自動(dòng)熵減。所以，現(xiàn)代物理學(xué)所描述的熱力學(xué)第二定律以及熵增定律具有狹義性，或者說(shuō)是不符合自然規(guī)律的。

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