温度的本质

1.1.1       温度的定义

根据我们对能量的分析已经知道，我们所接触到的所有的能够被我们所利用的能量，其本质是电子类粒子以及光子类粒子的运动，因此温度的本质必然与粒子的运动有关。

我们重新定义温度：温度不是物质的属性，它描述的是空间内自由运动的粒子的密度。自由运动的粒子密度越大，则温度越高；反之，自由粒子的密度越小，则温度越低。

注意：自由粒子包括各种粒子：光子、电子、原子核、以及比光子小的粒子，介于光子和电子之间的粒子，介于电子和原子核之间的粒子等。

1.1.2       电子、原子核与温度的关系。

我们衡量一个物体的温度的时候，其实我们所测得的是这个物体发射自由散射粒子的能力。物体发射自由散射粒子的能力与电子环中电子的密度、原子核的振荡幅度紧密相关，这是因为原子核的振荡幅度会影响电子轨迹的变化，而电子轨迹的变化会影响电子与其它粒子撞击的概率，以及电子成为自由电子的概率。其中，原子核的振荡幅度取决于电子环电子的密度、电子的动量大小。另外，外部粒子的撞击也是影响原子核振荡幅度的一个主要因素。对于由不同原子核组成的分子来说，原子量的差异也是影响分子整体振荡幅度的一个重要因素。例如：水分子。

对于任何物体来说，电子的撞击分解，以及电子因为任何原因成为自由电子，或者原子核因为任何原因成为自由原子核，或者自由原子核因为与其它粒子的撞击而分解，都是形成温度粒子的直接因素。其中，原子核的振荡是影响电子轨迹时刻发生变化的主要因素，因此原子核的振荡幅度是影响物体散射粒子密度的一个重要指标。（现代理论中认为：温度是物体的分子平均动能的一种度量方式，也就是用摄氏度、华氏度、开尔文等热学计量单位来表达物体的分子平均动能。理论中物体分子的动能应当就是原子核振荡幅度的描述。但是这个温度定义是受限的，例如真空中如果没有分子，甚至原子类粒子都不存在，那么我们如何用现代温度定义去衡量）

1.1.3       温度计原理。

在本章第4小节中，我们对火焰进行了分析，我们已经知道，在火焰发生时，里面有大量的自由电子和自由的原子核（现代理论中称之为离子），以及因为电子的撞击而分解而出的各种粒子，当我们靠近时，这些自由的粒子撞击到我们身体的原子核以及电子，我们的身体中的原子核的振荡幅度会因为自由粒子的撞击而增大，同时，原子核还可能会捕捉大量的自由电子，从而使得自身原子核的电子环中电子的密度增大，电子环中电子的密度增大意味着原子核受到的束缚力增强，因此原子核的振荡幅度也会不同程度的增大。我们身体中原子核振荡幅度的增大以及电子环中电子密度的增大会增加电子环中电子的撞击概率，也会增大电子因为轨迹的改变而脱离宿主原子核的束缚而成为自由电子的概率，从而再次增加电子撞击的概率，因此我们身体温度升高的部位会因为电子的撞击概率增大，而释放出更多的自由粒子，而当温度计靠近我们的身体时，温度计中的原子核会因为受到自由粒子的撞击，其振荡幅度会增大，温度计中的原子核会因为捕获更多的电子而导致电子环中电子密度的增大，这也会使得温度计中的原子核振荡幅度增大。

对于水银温度计来说，温度越低，表示水银原子核的振荡幅度越低，而原子核的振荡幅度越低，则表示原子核之间的电子环越稳固，而电子环越稳固，则表示原子核之间的位置变化越小，这也意味着原子核通过电子环的结合体的空间占位越小，因此原子核的振荡幅度越低的时候，水银原子核的排列会更加的整齐；反之，当原子核的振荡幅度增大的时候，原子核之间的电子环会变得不稳定，原子核与原子核之间的位置变化越明显，这意味着原子核通过电子环组成的结合体的空间占位的增加，也就是说体积的增加。如果水银的振荡幅度很大，足以使原子核之间的电子环断开，那么这些原子核由于不停的振荡的原因，它依然会不停的与碰到的任何原子核之间试图形成共有电子环，虽然这种电子环是暂时的，或者只是一瞬间，但是它依然为原子核的空间占位提供了支撑，使得它们不至于重叠，或者不会完全重叠。

对于红外温度计来说，它探测的是物体发射出的自由粒子的密度，确切的说是：红外线粒子的密度。目前我们已知的任何物体的原子核都是通过共有电子环的方式结合的，因此在任何情况下，物体中电子互相撞击的概率都不会是零，也就是说任何物体在任何时刻，都会因为电子互相撞击的原因，或者原子核振荡的原因，而向空间中散射自由粒子（自由电子或电子撞击后分解的粒子），物体的温度越高，说明物体中电子互相撞击的概率越大，电子因为互相撞击而分解的数量就越多；同时，因为原子核的振荡而导致的电子脱离宿主原子核的束缚成为自由电子的概率也越大。因此只要物体中有电子互相撞击或原子核振荡，就会有发射自由粒子的概率，红外探测温度计正是利用了捕获散射粒子所产生的电流大小来衡量所测量物体的温度的。

1.1.4       温度的传导。

任何由多原子核组成的物体，在任意时刻，电子都会存在发生撞击并分解的概率，以及电子因为轨迹的变化而脱离宿主原子核成为自由电子的概率；同时，处在任何环境中的物体也都存在从环境中获得自由粒子的概率（物体获得的自由粒子中的一部分会成为物体的电子，这会增加物体内部电子的密度，而原子核的振荡幅度则会受到电子密度变化的影响），以及原子核被自由粒子撞击的概率。因此所谓温度的传导，就是一个物体获得自由粒子或者失去自由粒子的过程。

所有的多原子核物质都存在共有电子环，因此，在其表面都会与其它物质因为电子共有而发生电子的传递。无论是木头、人体、铁块、布艺等，只要相互接触，电子就会在这些物质之间传递，即使是空气分子，当它从铁块表面飞过的时候，也会发生电子的传递，因此当时间足够长时，物质的温度总是会与它存在的环境的温度一致或相近，其实就是物体失去电子的速度与从外界获得电子的速度接近或一致（其本质是外界自由散射粒子的密度与物体所散射出的粒子密度也接近或一致）。

一个物体如果处于一个低温的环境中（周围环境中自由散射粒子的密度低于物体本身所散射出的粒子密度），则原子核的振荡无法从外界获得足够的撞击作用力，同时，原子核获得电子的概率要低于失去电子的概率，因此，随着时间的推移，原子核的振荡幅度会在电子环作用力的影响下慢慢衰减，直到到达一个平衡状态。

一个物体如果处于一个高温的环境中，则原子核失去电子的概率低于原子核获得电子的概率，因此，随着时间的推移，原子核的振荡幅度会因为电子密度的增加而加强，直到物体失去电子的速度和得到电子的速度相当，同样也达到一个平衡态。

温度的传导速度与物体的温度高低不一定是线性的增加或减少。温度升高时，意味着原子核的振荡幅度的增加，而原子核振荡幅度的增加，则意味着电子的传导路径发生变化，电子的传递路径的变化会影响电子在多个原子核之间的传递，因此，原子核振荡幅度会直接影响物体内部原子核之间电子的传递速度。如果不存在外部的加热源，当高温物体处于一个低温环境中的时候，位于物体表面的原子核，无论其振荡幅度如何，它都可以与环境中的其它原子核形成电子的共有关系，然后进行电子传递。然而，物体内部的原子核却不一定会与表面失去电子的原子核快速进行电子传递，这取决于组成该物体原子核的振荡幅度。如果原子核的振荡幅度过大，那么原子核之间的共有电子环链，会出现瞬时的断裂，或者永久的断裂，无论哪种断裂都会阻止电子在这些原子核之间进行传递。当然，原子核振荡幅度越大，意味着电子环中电子所受原子核束缚力的变化频率越快，如果电子受到的束缚力在某一个变化的瞬间，不足以束缚电子继续进行运行到下一个轨迹点，那么电子就会脱离原子核的束缚而成为自由电子，而自由电子是影响温度的自由粒子的一员。因此，温度的升高影响了内部原子核通过共有电子环链向外传递电子，但是同时也增加了内部原子核所束缚的电子成为自由电子的几率。这种内外原子核失去电子速度的差异会使得物体的内外形成温差。

影响物体内外温差的因素有多方面的原因，但最主要的是物体原子核之间是否有连续的电子环链，以及这种电子环链的稳定性。如果物体内部原子核之间有连续的电子环链，并且这些电子环链在温度很高的情况下依然保持很高的稳定性，那么这种物质的内外温度差异就会比较小，同时也意味着这种物质的抗高温性能是很优异的。当然抗高温性能的物体内部不一定有连续的电子环链，如果物体内部没有连续的电子环链（例如原子核之间依据立体交叉的电子环结合的网状结构，金刚石应当就是这种结构），且在高温环境下原子核之间依然有稳定的电子环，那么这种物质就可以具有良好的抗高温性能。

1.1.5       热胀冷缩的原理。

热胀冷缩的原因有2个：

第一：高动量的共有电子因为其运动轨迹比低动量电子要大，因此其轨道半径相对来说要大，如果共有电子环中的高动量电子数量很多，那么由共有电子环结合的两个原子核之间的距离就会相对要远一些；然而，电子环中的高动量电子与其它电子撞击的概率，以及脱离原子核的束缚而成为自由电子的概率都要比低动量的电子要高，因此共有电子环中失去高动量的电子的速率一般要比失去低动量电子的速率要高，随着时间的推移，如果物质不能持续的获得高动量的电子，那么共有电子环中的高动量的电子就会不断的因为撞击而分解，或者因为轨迹的变化而成为自由电子，随着高动量电子的减少，原子核之间的共有电子环的轨道半径会缩小，因此原子核之间的距离会缩短。

第二：由共有电子环结合而成的物质，在任何情况下原子核都在振荡，温度越高，则振荡幅度越大。很显然，一堆整齐排列并且振荡幅度为1的原子核的空间占比与同等数量但振荡幅度为2的原子核的空间占比肯定是不一样的。因此，正常情况下，同样的物质，原子核的振荡幅度越大，则空间占比越大。

大多数物体在温度降低的时候都会发生热胀冷缩的现象，但是水分子确是个例外，这是因为水分子的构造比较特殊。氢原子和氧原子的质量（现在的衡量单位是原子量，其实就是相对质量的代名词）相差比较大，但是共有电子环对两个原子核产生的束缚力是接近的，而接近的束缚力对质量相差很大的两个原子核来说产生的后果是不一样的，前面我们已经分析过，共有电子环不是两个正圆相切，同时电子环中电子的密度也不是恒定的，而是时刻都在变化，因此原子核在任意时刻受到的合动量都不是零，所以原子核会不停的振荡。

而水分子，由于构造的原因，在常温下，水分子的振荡幅度在常温下运动是无序的，分子与分子的位置可能是交叉的，当温度降低的时候，每个水分子都与其它的水分子形成了共有电子环，此时所有的水分子都变的有序，因此体积反而会增加。

1.1.6       绝对零度。

如果一个区域内的自由粒子密度为零，我们定义该区域的温度为绝对零度。

按照这个定义，我们无法在宇宙的任何地方找到符合绝对零度定义的空间或物体（当然，我们可以认为在距离我们无限远的地方存在这样的一片区域，该区域内不存在宇宙微波背景辐射粒子，但它也仅仅是暂时的，因为时间是无限的，总有一天它会充满了基本物质，而存在基本物质粒子，就存在基本物质因为撞击并发生形变，然后聚合成更大粒子的概率）。因为，即使存在这样的一片区域，里面没有任何的多原子核物质，它依然充满了各种粒子，宇宙微波背景辐射的存在就很好的说明了这点。

任何由多个原子核组成的物质，都存在共有电子环，只要有共有电子环，电子环中的电子就存在因为各种原因脱离宿主原子核，或者电子之间互相撞击，而散射自由粒子的概率。因此，在多原子核物体存在的空间内，即使没有宇宙微波背景辐射粒子等粒子，它也会有自由粒子散射。而只要有自由粒子散射，我们就无法定义该区域为绝对零度，所以，理论上，我们是无法通过任何途径获得绝对零度的空间或物体。

我们现在的科学实验以及现实应用中，有很多时候需要超低的温度，而且很多时候是温度越低越好，但是现实条件限定了我们的能力，我们永远都不可能达到绝对零度的要求。即使我们能够制造质量无限大的物体用以阻挡基本物质的撞击，从而制造一个没有基本物质粒子以及宇宙微波背景辐射粒子的空间，我们仍然无法阻止该物体本身散射出自由粒子，因此，绝对零度将永远停留在理论上。

既然我们永远都无法到达绝对零度，那么这样的一个定义是毫无意义的。因此，我们应当修改这个定义：当一个空间内自由粒子的密度为宇宙微波背景辐射粒子平均密度的时候，我们认为此时的温度为绝对零度。

我们的低温要求往往都伴随着物体的存在，否则低温对我们就没有意义。而为了达到我们要求的温度，除了尽可能的降低空间内自由粒子的密度外，我们唯一能做的就是寻找合适的材料，或者说寻找合适的原子核，该原子核满足这样的条件：结构足够对称（之所以说是对称，是因为只有对称的结构，才满足电子环横切面半径最小的要求）；电子密度足够小；原子核的大小和体积都足够相似。当一个物体的原子核满足这3个条件时，我们认为该物体可以当作制造超低温的材料。

1.1.7       空调压缩机的工作原理。

温度升高的时候，空气分子的振荡幅度会增加，原因有两个：一是空气分子受到了其它粒子的撞击；二是空气分子中电子的密度增加，使得原子核受到的束缚力的变化频率增加了，因此振荡幅度也会增加。

要想降低空气分子的振荡幅度，以及空气分子中电子的密度，最简单的办法就是让这些分子与电子密度低的分子快速形成共有电子环，然后进行电子的传递。空调压缩机的工作原理就是快速压缩高温的冷凝剂分子，使得单位体积内冷凝剂分子的密度增大，然后让这些冷凝剂分子通过狭窄且大数量的散热片，此时冷凝剂分子与散热片的接触面积很大，因此冷凝剂分子会快速与散热片上的原子核形成共有电子环，然后进行电子的传递。这个过程中冷凝剂被压缩后会有两种结果：一是单位体积内冷凝剂分子的数量增加，保证了在通过散热片的时候单位面积内分子的接触数量，这样可以到达与散热片进行电子交换的分子数量最大化；二是单位体积内冷凝剂分子数量的增加，使得分子之间相互撞击的概率也增加，因此，电子之间的撞击概率以及电子受到其它原子核的干扰也增加，这些都会使得电子脱离原子核的束缚而成为自由电子的概率增加，这意味着单位体积内自由粒子密度的提高。而散热片是一个热的良导体，换句话就是：散热片上全部或大部分的原子核之间必有连续的电子环链，这保证了所有的原子核之间的共有电子环在瞬间或极短时间内就可以达到电子的平衡。如果此时散热片外部的空气分子中电子环的电子密度低于散热片表面原子核电子环中电子的密度，那么当空气分子快速通过散热片表面时，就会与散热片表面的原子核形成电子环的共有并传递电子，然后，补充了电子的空气分子又会快速飞离。这样的结果就是：散热片外表面的原子核不断的与飞过的空气分子因为传递电子而失去电子，散热片内表面的原子核因为不断的与接触到的冷凝剂原子核因为传递电子而获得了电子，散热片内外表面的原子核之间通过共有电子环链不断的进行电子的传递。最终的结果就是：冷凝剂原子核导致中的电子最终通过散热片的传递到达了外部的空气分子中。

对于空调来说，选择合适的冷凝剂以及散热片是空调完成使命的关键。冷凝剂要想最大限度的吸收空气分子中的电子，那么组成冷凝剂的原子核的电子环必须与空气分子中的电子环具有最大限度的相似性，或者说具有最大的交集；同理，组成散热片的物质的原子核的电子环也必须与冷凝剂中原子核的电子环具有最大的交集，同时也与空气分子中的电子环具有最大交集，这样才能保证冷凝剂与散热片最大限度进行电子的快速交换。

1.1.8       总结

重新理解温度的含义对于我们认知这个世界有重要的意义。

1.   温度代表的是单位空间内某类自由粒子的密度，并不是我们现代理论中所说的是物体的分子动能。当然，物体的分子平均动能反应了空间内自由粒子对原子核的撞击情况，以及物体原子核所束缚的电子的密度情况，在某种程度上可以说是该物体所在空间内温度的情况的之间体现。

2.   温度的升高和降低，实质是单位空间内某类自由粒子密度的增高或降低。

3.   绝对零度是不存在的。虽然宇宙是无限的，但也绝对不存在一个这样的区域：空间内不存在任何的自由粒子，包括基本物质粒子。

4.   在任何空间内的任何介质内的温度的传导，其实质都是粒子的传导。