《4 18 热的导体》由会员分享，可在线阅读，更多相关《4 18 热的导体（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、4 18 热的导体4.18 热的导体2010年09月23日暗物质物理理论体系之总论 环境论 广东省博罗县高级中学（516100） 林海兵 第3部分 密度梯度场 第二章温度与物体的密度 第18节热的导体 我们都知道，热量（红外波动）传递的三种方式-热辐射、热传导与热对流。本来，热量即红外波动是低频波段的光波，它的传播方式应该与一般可见光没有什么两样，都应该具有直线传播的特征。而红外波动沿直线传播传播在没有原子（分子）的相对真空空间表现得非常突出，这种传播方式就是三种传播方式中的热辐射。然而，一旦红外波动从相对真空进入原子（分子）构成的物体空间，它的传播方式发生特有的变化。 这种变化表现在以下两个
2、方面-原子（分子）表面对红外波动会形成较为有效反射，部分红外波动被反射；红外波动实际上形成了原子（分子）核外电子运动环境，部分红外波动转化为电子运动的动能，然后原子（分子）核外电子又不断地向激发红外波动，只是它的传播方向与外界红外波动的传播方向无关，而是以原子（分子）为中心，向各个方向都有传播。 正是这两方面的变化，使红外波动一旦进入原子（分子）物体内部，就不再是单一的传播方向了，在原子（分子）的间隙的相对真空空间形成红外波动来回往复的传播，可以说很难再传出物体之外。当然，也有例外的情况，比如，当原子（分子）间隙的相对真空空间足够大时，或者说，物体的相对介电常数足够小时，还是有大量的红外波动向
3、着其原来的传播方向直线传播的。 原子（分子）间隙越大，红外波动越容易进入物体内部，当然也很容易因其直线传播而离开物体，在物体原子（分子）间隙间形成来回反射的量就越小，故间隙相对真空的红外波动密度很小，所以，物体的温度将很低。这正如地表高空，空气非常稀薄，气温也极低。 随着原子（分子）间隙的减小，红外波动进入物体内部的难度增大，可一旦进入，它就容易在原子（分子）间形成有效的反射，故间隙相对真空的红外波动密度将较大，物体温度较高。但是，依然存在较多的红外波动在间隙中直线传播。这这正如地表附近，空气密度较大，气温远高于高空。当然，这与地球表面对红外波动的反射有着极大的关系。 当原子（分子）间距进一步
4、减小，物体便从气体、液态形成为固态，此时，物体表面对红外波动的反射作用更为明显，通过原子（分子）间隙（折射与衍射）进入物体内部的红外波动更是微乎其微。 所以，固体对红外波动的传播，不是依靠原子（分子）间隙相对真空空间形成的辐射。首先，在热源发出红外波动之前，物体与其环境空间处于热平衡状态，无论对于整个物体还是物体中的某个原子抑或是某个局部的空间，都有 ，即向局部（或者物体或者原子或者某局部空间）空间内部与向外传播的红外波动的量相等，表现为净传入或者净传出都为零，此时整个物体与环境空间温度相同。 然后，热源发出了红外波动，向空间的各个方向直线传播即辐射，然而在物体（固体）部分除外。因为热源发热，
5、改变了原来红外波动分布平衡的局面，如果热源是点热源，则以热源为中心，在 的空间区域的红外波动增量可以用下方法计算。 我们假设空间都是相对真空（除物体外），热源在单位时间发生的红外总量为 ，则在空间 的红外增量为 ，其中 是红外波动在距离 上的传播时间，若光速为 ，则 ，即空间的红外增量为 ，而这个区域的体积大小为 ，所以它的红外密度增量为 。因为相对真空空间的温度与红外密度大小成正比，所以，它的温度增量也与红外密度大小成正比，故空间各处的增量为 。可见，越靠近热源，温度增量越高，而且与距离的平方成反比。 在有固体物体存在的空间，情况就不一样了。因为红外波动在物体内部没有也不可能辐射传播，所以，
6、以上关系不成立。在靠近热源一端的物体原子（分子）的附近空间发生红外密度增加，使进行物体原子（分子）的红外波动大于原子（分子）激发产生并向外传播的红外波动，原子（分子）温度上升，在原子（分子）反方向激发红外波动的同时，它们激发了也原来红外波动传播方向相同的红外波动，这又使更远的原子（分子）获得升温。这种热的传播方向就是热传导。 在讨论热传导时，因为环境属性压强没有发生变化，所以对于传导热的物体而言在传热时其实属于等压变化，假设在靠近热源的一端的某体积微元内有 个原子（分子），故这个体积微元的温度要升高1K需要吸收的热量等于恒压热容量 。 环境论认为，对于数量相同、不同种原子（分子）构成的物体，它
7、们的恒压热容量的主要区别不在 的第二项 ，也就是说，不同的原子（分子）的不同系数 对 的影响对比于第一项 因其原子（分子）的空间结构不同而产生 的不同对 的影响可以忽略不计。或者说，对恒压热容量起主要贡献的并不是体元内的原子（分子），而是原子（分子）间隙的相对真空空间，也可以说，物体体元温度升高1K原子（分子）间隙的相对真空空间吸收的热量要远大于原子（分子）吸收的热量。 正因如此，要使原子（分子）数量相同的物体体元的温度升高1K，相对介电常数越大，需要吸收的热量越小。如果靠近热源的同一位置，放置了两个物体，则相对介电常数 较大的物体温度升得较快，当然，温度升高之后的原子（分子）一方面对于原热源
8、来说，它是吸热物体，另一方面对于距原热源更远的原子（分子）来说，它却已是热源，它不断地把原热源的红外波动转化为其核外电子的动能，又不断向距原热源更远的原子（分子）激发产生红外波动，使它们也产生温升。相反，相对介电常数 较小的物体，因其必须吸收大量的红外波动（热量）才能使其原子（分子）间隙间相对真空空间达到与原子（分子）相等的温度，所以它温度升得很慢，同时，因为靠近原热源的原子（分子）温度升得慢，它作为新热源发出红外波动的量当然也很少，故更难使距原热源较远的原子（分子）发生温度升高。 从上述分析可见，相对介电常数 越大的物体，热量传导的性能越好，是热的良导体；反之，相对介电常数 越小的物体，热量
9、传导的性能越差，是热的不良导体。 物体的相对介电常数 一方面反映的是物体原子体积占据空间体积的比例，另一方面也反映的是物体原子（分子）的数量密度的分布状况。当然我们平常所说的数量密度是指原子（分子）数量与其体积的比值，然而，我们还可以从其他侧面来表示这个数量密度，比如，以某个原子（分子）为中心，向各个方向作直线，则数量密度可以是原子（分子）数量与线段长度的比值。根据这种实际情况，环境论认为，如果一个物体在不同方向上的数量密度（即线密度）不同，那么，它在不同方向上的相对介电常数也同样不同，即它在不同方向上的导热性能也不同。晶体的导热性能就是如此，环境论预言：在晶体导热性能最好的方向上，其原子（分子）的分布密度（即线密度）最大。 鉴于这个原理，环境论认为，是因为在众多的宏观物体中金属的原子（分子）数量密度最大，或者说金属的相对介电常数最大，是金属成为热的导体的根本原因。当然，形成其他的热的不良导体原因，也是因为它们的相对介电常数太小。 这就足可以解释棉被盖得时间长了就不那么保暖的原因是棉被变得结实使其整体的原子（分子）的数量密度增大，相对介电常数变大，导热性能变好。
