從粒子性角度論述熱力學問題

摘 要：從粒子性角度描述熱運動及其熱傳遞，形式上可簡化為粒子的運動和自轉性能的相互轉化，熱傳遞可簡化為粒子之間的雙重運動性質的交換，即動能交換及自轉能的相互轉化。能量的守恒也可以等效為粒子的動能和自轉能之間的守恒問題來描述。所以，所謂的熱交換是相互的。熱傳遞具有相互性。

關鍵詞：熱運動 熱交換 動量交換 相互性 溫度 熵

穩態熵軌道

引 言

本文從粒子性角度論述了物體的熱運動以及物體之間的熱傳遞規律，理論表明，熱運動微粒子在雙重運動中的相互作用。相互作用可以用動能的相互碰撞形成的相互作用以及自轉導致的摩擦而形成的相互作用來描述。系統中粒子之間的相互作用力的大小表現為對外界的溫度的高低。溫度的高低變現為系統的熵的高低。所以從粒子性角度描述熱運動及其熱交換時，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動規律

粒子穩態：是指一個微粒子在不受任何其它影響的前提下，粒子具有自由運動狀態，自由運動狀態表現為粒子的自轉及其在自轉形成的內力作用下的環繞運動。所以，粒子的穩態可理解為粒子的自由繞動狀態。

系統的相對性穩態：一個系統的體積不小于系統內所有粒子的二維運動（繞動所體現的扁球體的體積）的球體體積時，可視為粒子之間及對系統無相互作用，可視為系統處于相對性穩態性質。如圖1（a）。

熱運動：一個相對封閉系統內，由于粒子數量增多，粒子不能在穩態中運動，粒子之間會發生碰撞，在碰撞相互作用中，粒子運動速度加快，自轉能的減小不能及時的等量抵消動能的增大，表現為熱運動。熱運動對系統產生壓力，壓力的大小表現為系統的熱量（溫度）大小，如圖1（b）。

當一個穩態系統內粒子的穩態受到外界的影響而增大粒子的二維運動體積后，相對系統體積不變時密度增大，大于系統體積時也會顯示為熱運動狀態。熱運動狀態是相對的。

二、從粒子性角度描述熱傳遞現象

（一）動量交換。粒子的繞動可簡化為振動。粒子的相互作用可用動量定理來來描述。兩個系統溫度不同相互熱傳遞時，可視為兩個系統內粒子在碰撞中導致的動量交換。如圖2。

兩系統內粒子視為質量m1和m2相同，溫度高的左邊內粒子振動振幅較大，粒子運動速度v1也較大。右邊粒子振動振幅較小，粒子運動速度v2較小。系統熱傳遞可視為粒子在界面發生碰撞的相互作用。根據動量守恒定律。碰撞后兩個系統內粒子運動速交換，等效為為熱交換。可簡單理解為，兩個系統內的粒子在平衡后溫度相同，但屬于震動振幅不同的粒子的均勻性混雜性質，如圖3。

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

（二）自轉能能對動量交換的影響。根據《自由運動論》所描述的能量守恒定律，粒子具有運動和自轉的雙重運動性。而且總能量是不變的。所以，系統內相同粒子動能（動量）較大的，自轉能必定較小，自轉速度較小。由圖2所描述的動能較大的粒子的自轉能較小，自轉速度必定較小。動能較大的粒子的自轉速度較大。如圖4。

在部分相互碰撞形式的相互作用時，粒子會因為自轉導致碰撞點處具有摩擦力，且摩擦力使自轉速度大的減小，而有利于自轉速度小的增大。m1的運動速度V1較大，m2的運動速度V2較小。在摩擦力f作用下，摩擦力對于動能較小的m2的自轉速度w2的影響較較大。碰撞后的自轉速度w4減小幅度較大。而有利于m1粒子的自轉速w1的增加。也就是說，在相互作用中，自轉速度不是互換的，是受不同影響的。根據能量守恒，相互作用后的運動速也并非是互換的了，即同時考慮自轉在碰撞中的影響及其變化，動量不守恒。但是，在多次的碰撞中，自轉速度w3和w4接近相等，運動速度v1也接近v2也會接近相等。兩系統內的粒子從圖3顯示的振動性質不同的混雜性質變為振動性能基本相同的性質。

由以上分析，熱傳遞從粒子的動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。

三、熱力的應用

（一）熱力的實質。所謂熱力，是利用能源從低溫到高溫的體積變化來產生對外壓力。比如，汽油在氣缸內燃燒，實際上可等效為利用汽油和空氣的的反應，使體積小的液體汽油變為體積大的氣體物質的過程。對活塞產生向外的壓力從而獲得動力。

所謂的燃燒，可等效為讓體積較小的物質（液態）內的復粒子在湮滅性質的碰撞之后，重組為體積更大（氣態）物質的復粒子的過程。

（二）現代熱力學的局限性。所謂的熱力，是指系統相對高溫物質會對系統外部產生壓力。技術上可以利用相對低溫自然能源（比如煤炭、汽油燃燒等）來人為制造高溫能源，再利用這一高溫壓力的釋放來獲取動力。而且類似煤炭低溫能源體積小容易攜帶。

但是，氣態到液態變化，雖然理論上存在反向壓力，但技術上用自然氣態能源來人為的轉化為液態的過程是比較困難的。比如，如果把容易起化合反應的某些氣體混合，可以生成液態或者固態物質，理論上也是可行的。相當于密度較小體積大的氣體在氣缸內結合生成密度較大體積較小的液態或者固態物質，從而使氣缸內壓力減小，使活塞獲得外界空氣壓力，從而獲得活塞向內運動的動力。但是，如果利用此反過程來獲得動力，會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，動力能源是可以利用熱力的反過程來實現的。即熱力也已利用物質從高溫（氣態）到低溫（固液態）的自然過程（化合反應）來獲取動力的。只是反過程不利于機械的設計及利用。

實際上，利用高溫的膨脹力的過程本來是人為的把低溫（汽油等）通過反應（燃燒），變成氣體物質，才導致高溫氣體看起來自動向外部低溫空氣傳遞（產生壓力）的性質。也就是說，物質從高溫向低溫自動傳遞性，是源于前期低溫向高溫自動變化的過程。也就是說，理論上，利用物質從低溫到高溫的交換過程，從高溫到低溫的交換過程都可以對外做功而獲得動力的。

四、能量、溫度及密度的關系

依據《自由運動論》的理論，光粒子的質量是不盡相同的，在不盡相同的碰撞中形成的復粒子的性質也就不盡相同。從復粒子的不同性質來分析，復粒子的自轉能越大，體積越小，形成的宏觀物質密度也大。也就是說，同樣的粒子，構成密度大的物質時，粒子的能量儲存在自轉能中的能量較大。相當于，密度越大，能量越大。雖然密度大，是由于粒子的自轉速度大導致的粒子穩態體積小，相互之間的作用力不會因為密度大而增大。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，是指物體質量較小，不考慮物體內部粒子和外部粒子的區域性差別。但是在形成龐大天體的情況下，由于粒子數量巨大。所謂物體具有內外的絕對性區別。在自由運動中形成相對封閉區域，粒子會因為空間的局限而被迫增大密度，會形成局部密度越大，溫度越高的現象。此時情況就不屬于自由狀態下的密度。意味著，質量較大的物體內部物質溫度隨著區域性變化而變化。比如，地球大氣層，本來屬于同類粒子構成的氣體物質，溫度、密度本應相同，但由于大氣分子數量巨大，形成各自的自由運動受到局限，產生擠壓，形成內部壓力增大，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律。

五、熵的物理意義

關于熵的現代物理學等意義大致可理解為，一個系統中的物質內所有粒子越是具有自由性，系統變現為越混亂，混亂程度越大，系統的熵值越大。越混亂粒子顯得越是無序，即也可認為，系統越是無序，熵值越大。反之，熵值越小。如圖1（a）中的粒子數少，在自由的運動中位置是多變的，顯得無序，而粒子的三自由度也較大，即粒子的自轉和繞動方向也是很大程度的不一致。而在圖1（b）中，由于粒子數量居多，在相互作用中，自由運動范圍較小，位置不能較大幅度的移動，顯得更有序，而且三自由度受限制，繞動方向也更具有一致性。所有粒子表現為較為有序性質。

從熵的廣義性角度來考慮，就是從宇宙大尺度范圍內，一個天體的熵值也是如此。天體的密度越小，單位體積內的微粒子數越少，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。天體的旋轉速度越大，密度越大，內部粒子越有序，也表現在粒子的自轉方向越一致，天體的扁球體性質的扁率越大。所以天體（或者星系）越是扁平熵值越小，自轉速度越小，越是接近正球形，熵值越大。

系統內所有粒子在自然條件下向著自由無序方向自動演變，而不會向著反方向自動演變，是熱力學第二定律的意義。比如，一個系統，壓力越大，系統內粒子越是不自由，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，動能變得越大，對外顯示為溫度越高。所以，在兩個不同溫度系統之間相互交換熱量的過程中，總表現為：

1.溫度較高的有序系統內的粒子自動向著溫度低的無序系統內傳到動能，如圖2所示，兩個系統是隔離的，粒子不能到達對方的空間中去。

2.溫度較高的有序系統內的粒子自動向著溫度低的無序系統內運動，然后兩個系統內的粒子混合到均勻分布（如圖3不存在系統隔離層的整體均勻情況）。也就是說，熱傳遞是有方向的，其方向性就是所謂的熵曾原理。即系統熵會自動增加，不會自動減小。

六、穩態熵軌道

（一）穩態熵的定義。用熵來描述物質的屬性是可以的，但是根據《自由運動論》的理論，熵可以延伸到宇宙空間中。一個天體，一個星系，都可以用熵來描述。比如地球，地球可以理想的理解為由某些空間粒子連續的發生糾纏性質的碰撞而逐漸形成的。可認為這些粒子是從熵值很大的自由狀態中自然演變為熵值很小的，密度很大的天體。

當同類粒子構成一個系統，系統空間不小于所有粒子的穩態體積的和時，粒子之間基本可以處于自由運動狀態，系統熵可視為穩態熵。粒子在自由的穩態熵性質中做更高維度的軌道運動，其軌道可視為穩態熵軌道。

每類粒子都有自己的穩態二維體積及其相對的更高維度運動軌道，比如大氣分子，有一定的穩態體積，也有隨著地球自轉而繞地球運動穩態軌道。如圖5。

設：空氣的穩態軌道處的熵值為穩態熵值，則穩態軌道外圍空氣的熵值較大，穩態軌道內的空氣的熵值較小。同類的空氣分子，處在穩態軌道外的熵值較大空氣有自動向著穩態運動的趨勢。而低處的熵值較小的空氣有向著熵值較大穩態軌道上運動的趨勢。由于同類粒子居多，某系統的穩態熵軌道上的熵值并不是穩態熵值，而是小于穩態熵值。

（二）穩態熵軌道的多維性。和粒子的雙重運動性具有多維性一樣，穩態熵軌道也具有多維性。比如，一個電子在原子中的穩態熵軌道為一維穩態熵軌道，原子在分子中的穩態熵軌道就屬于電子的二維穩態熵軌道，分子在更大的系統內的穩態熵軌道屬于電子的三維穩態熵軌道。

整個太陽系中，天體也具有特定的穩態熵軌道。在中途沒有發生碰撞的光粒子會到達大尺度范圍上的繞太陽公轉，可認為此處的光粒子是自由的，因而，可以認為光在空間中輻射以及公轉區域屬于熵值最大的物質區域 ，可視為光粒子的穩態熵軌道。

質量巨大的天體在糾纏性碰撞中質量增大，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態熵軌道上演變的性質。即，天體的穩態熵軌道，可視為微粒子的更高維度的穩態熵軌道。

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

每種不同物質構成的系統都存在一定的運動曲率軌道。表明，物質的熵和物質的雙重運動性有關，與物質的運動曲率有關，而且有運動曲率越小，密度越小，物質內（系統內）粒子越是顯得自由，熵值越大。說明，熵值與系統運動自由運動曲率成反比。

（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。而其過程也屬于自由運動中的演變過程，其過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。于是有質量逐漸增大、密度逐漸增大的性質，從而表現為熵值逐漸減小的性質。從廣義上考慮，結合穩態熵的性質，自然條件下，宏觀物體的形成，直至質量巨大的天體的壯大過程，就是熵減的過程。熵減也是屬于自由演變的性質。只能說，熵曾原理是在特定前提下或者局域條件下建立的物理規律。

七、結論

熱傳遞過程，可理解為粒子在相互作用中動能和自轉能的相互交換過程，從能量守恒性質上考慮，熱傳遞具有相互性。系統能量不存在絕對的能量均勻分布，總存在能量差，表現為，密度越小，能量差越小，熵越大。系統的熵都具有穩態熵區域，系統粒子都有向著穩態熵區域運動的趨勢。從粒子相互作用的多樣性來考慮，粒子的糾纏性碰撞形成復粒子的自然過程是系統的熵減的過程。湮滅性碰撞的自然過程是系統的熵增過程。所以，自然規律中，某系統在演變中既可以自動熵曾，也可以自動熵減。所以，現代物理學所描述的熱力學第二定律以及熵增定律具有狹義性，或者說是不符合自然規律的。

參考文獻

[1] 咸立德.《自由運動論》[c]全國智慧城市建設應用高峰論壇論文集2016.

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