熱學或熱力學是研究物質在熱能轉換中的各種現象和規律的物理學的分支科學，用振動

理論來劃分它是屬於研究分子振動和運動之間的各種關係的分支科學。我們在前面已經講了

有關熱學的一些內容，比如溫度與物態的關係，這裡再結合熱學中一些現象和有關內容進行

鋪敘。

　　熱學中值得一提的是布朗運動，布朗運動是1827年英國植物學家羅技-布朗在顯微鏡下

觀察溶液中的花粉時無意中發現的。他把細小的花粉浸入水中，然後用顯微鏡觀察花粉的運

動。他說：“它們的運動，不但是在液體中的位置發生變化，明顯地改變了相互間的相對位

置，而且經常改變粒子本身的形狀”。接著布朗又說：“反覆地觀察這些運動後可以說，產

生運動的原因既不是液體的流動，也不是緩慢的蒸發，而是粒子本身”。根據這一現象，後

來許多人認為：熱現象就是大量熱分子永不停息地做無規則運動（布朗運動）所致，並認為

分子間存在著相互作用的引力和斥力等等。可以說前人對這種現象的解釋是錯誤的。

　　首先我們仔細分析一下，布朗觀察到的是分子的無規則的運動嗎？不是！水的分子是處

於永不停息的振動狀態，細小的花粉在水分子之間遊動，時時刻受到水分子的縱向振動撞擊

和橫向振動撞擊，由於它的形狀和各點撞擊力的大小不一，花粉的運動軌跡呈無規則狀，就

象足球場上的足球的運動軌跡，不代表是運動員的運動軌跡。所以，布朗看到的是花粉的運

動軌跡是無規則的，並非水分子的運動狀況！因此有些人認為水分子的運動就象花粉的運動

一樣是極端錯誤的，而花粉的運動是水分子間的引力和斥力所致或受各個不同振動方向水分

子撞擊所造成的。但是布朗運動確實可以反映出氣體分子或液體分子振動的狀態，是標示該

物質的溫度情況和內能情況的可見指標或衡量引數。

　　翻開現代的物理書，關於內能的定義是這樣的：“物體內所有分子無規則運動的動能和

由分子間相互作用所決定的勢能的總和”。“內能是一個由物體的狀態所決定的物理量。宏

觀上決定於物體的質量、溫度以及體積”。這樣的定義總也不是太明朗，如果用振動理論來

敘述可能就直白多了。物質的溫度是該物質分子振動的激烈程度，物質的體積是在該振動狀

態下分子的振幅立方乘以分子數量的乘積，內能就是該振動狀態下的分子振動能量乘以分子

總數的乘積。物質分子間的距離等於分子振動振幅，物質溫度的變化就是分子振動屬性的變

化，振幅也發生變化，物質的體積也發生變化。也就是平常我們常說的物體“熱脹冷縮”的

現象。用固定的單位體積來衡量，振幅的變化就是壓力的變化。對於氣體物質，在某個自然

振動狀態下，它的振幅、頻率、振強等振動屬性是一定的。如果要強制地改變某個振動參

數，必然引起別的引數改變，即振動狀態改變。如增加壓力，意味著體積減小，振幅變小，

頻率變大，振動狀態改變，即溫度升高。這種關係參見理想氣體狀態方程。公式中的壓力、

體積和溫度都是描述氣體分子振動過程中變化的各種關係的。我們所知道的還有氣體物質的

等壓過程、等溫過程、等容過程、熱力學第一定律、熱力學第二定律等規律，這些規律從不

同角度描述了氣體分子在振動過程中或振動傳遞過程中能量的變化規律以及它們相互之間的

關係。這些規律不但適用於氣體，很多規律透過修正也適用於液體，（從微觀上）甚至固

體。

式：輻射、傳導和對流。那麼這三種方式用振動理論如何來進行解釋呢？首先我們講一下燃

料燃燒的過程和基本原理。火焰是什麼東西呢？我們說燃燒的火焰只是分子振動過程中振動

方向突然改變而造成在與原振動方向的相垂直的法線方向上的突然抖動（振動）所產生的一

種瞬間的分子振動增能現象，火焰是一團激烈振動著的物質分子的一段運動軌跡（另一段軌

跡因能量太小看不見，如煙氣分子的能量太小，人看見的只是黑煙，而不是明火）。下面我

們以煤炭的燃燒過程進行說明。首先，煤碳是一種振動著的固體物質形式。它主要是由碳元

素組成，當它的分子振動激烈程度達到一定的狀況時（溫度達到其燃點時），這時它的分子

的振動力大於其分子間的吸引力，它的分子就會從本體逃脫出來，與氧吸附在一塊，形成一

氧化碳。這時，原來氧的分子振動方向假定是與水平方向成±90度（垂直方向）作上下振動

的話，碳的原來的振動方向可能是與水平方向成±45度（斜向）的振動，那麼一氧化碳的振

動方向可能就是二者的合成方向。由於二者的分子質量、振動屬性等因素的影響，這個合成

方向並不一定是二者夾角的二分之一（±67.5度），可能是在±70度這個方向上作斜向振

動。當燃燒過程繼續進行時，新的氧分子繼續被吸附，就形成了二氧化碳。在一氧化碳變成

二氧化碳的過程中，物質分子的振動方向又有所改變。這個方向更靠進氧的方向，可能是

±85度，這個二氧化碳物質可能就在±85度這個方向作近乎垂直的振動。注意！在這個過程

中，由一氧化碳70度的振動方向變為二氧化碳±85度的振動方向，物質分子必然產生一個抖

動（振動）現象。這個抖動現象就會拉大物質分子間的距離，物質體積迅速膨脹。我們平常

所說的爆炸就是這個道理。這個抖動現象能夠使物質突然間增大分子振動激烈程度，即提高

物質的內能（溫度），加大了物質分子的振動能量。所以火焰之所以有很高的溫度，就是這

個抖動現象造成的。這個抖動實際上也是一種振動，它的振動方向是與原物質分子振動方向

相垂直。而且這種振動衰減得很快，在很短的時間內就恢復成新物質（二氧化碳）的振動方

向了。我們套用力學上的一句話說，如果說一般物質分子的振動稱為簡諧振動的話，那麼這

個抖動現象就是一種阻尼振動。日常生活中有很多燃料品種，然而一般燃料的燃燒機理都與

此相同。

　　一般人都知道，物理學上把物質的存在形式分為三種：氣態、液態和固態。自然界中大

部分物質都遵循這一變化順序，即物質由氣態先變為液態，然後再變成固態；反向時，物質

先由固態變為液態，再由液態變為氣態。如果物質由固態直接變為氣態，物理學上稱為昇華

現象。所以，我們講煤炭的燃燒過程，實際上是煤炭的昇華過程，是煤炭由固態透過燃燒直

接變成氣態的變化過程。

　　這裡還要進行解釋一下，物質分子為什麼會抖動呢？我們繼續用上述煤炭燃燒的例子來

說，我們假定煤炭的分子和氧的分子都是球狀的，只是形狀大小不一而已。一氧化碳的分子

的形狀就變成近似長條狀的了，二氧化碳就變成近似三角狀的了。如果說兩個球狀物變成長

條狀物有一些輕微的抖動的話，那麼長條狀物變成三角狀物就有非常大的抖動。這就是物質

分子在運動中形狀變化所造成的一種現象。這種現象主要是分子形狀失穩或失去平衡產生的

擺動所致。由於這種現象的存在，導致物質分子振動狀態突然變化，從而產生很大的能量。

用生活中一個例子比喻雖不太恰當，但也有點道理：如果把一個男人或一個女人各視作一個

球狀物的話，那麼男女組成的家庭就是個長條狀物。在沒有外界干擾和內部精誠團結的情況

下，這個家庭是比較穩固的，也就是說生活比較平靜的。如果由於某種原因有第三者插足的

話，那就必然發生很大的“抖動”—夫妻大鬧一場，平靜的日子驟然熱鬧起來，對社會而言

就有很大的“能量”交付（給別人提供一些笑話或話題）。這就是在長條狀物變成三角狀物

過程中必然產生的一種社會現象。透過上述例子中的敘述我們不難從中發現：抖動現象與分

子的形狀變化有很大關係。我們在日常生活中不難發現，物體的形狀與它的運動狀態有很大

的關係。比如，用同樣大小的力推動不同形狀的物體：一個圓球滾動的距離要比一塊磚頭移

動的距離遠一些，原因是圓球的動能增加量要比摩擦力做功大，而磚頭的動能增加量要比摩

擦力做功小，儘管能量守恆，但對外顯示出的運動現象或某個方面的標量卻大不一樣。而人

們衡量問題時通常是喜歡側重問題的一個方面，忽視了衡量問題的全面性。如果你細心的觀

察，在我們的周圍有很多物體的形狀結構大不相同。它們之中有對稱結構與不對稱結構之

分、穩定結構與不穩定結構之分、平衡結構與非平衡結構之分等等，這些不同的結構在運動

中所表現出來的能量變化就有所不同。比如象彈簧、擺動裝置、蹺蹺板等，一旦給它們施加

一個力，它們就會運動很久才能停止，而其它結構形式的物體就做不到這一點。物質分子的

運動情況也是這樣，在外界施加的能量同樣的情況下，有些物質分子的振動狀態變化就大一

些，持續時間就久一些；而另一些物質分子的振動狀態變化就小一些，持續時間就短暫一

些。為什麼有些燃料燃燒時體積膨脹迅速、膨脹倍數很大，而另一些燃料燃燒時體積膨脹不

迅速、膨脹倍數不大呢？主要原因在於它們的分子形狀特性的差異。煤炭的分子形狀可能就

是較穩定結構，汽油分子的形狀類似彈簧結構，而鈾的分子形狀可能類似蹺蹺板結構，這就

充分說明了物質分子的形狀特性在影響分子的振動屬性方面和運動特點方面所具有的特殊作

用。另外，更重要的原因是各種物質分子在固態時的振幅與液態或氣態時的振幅有很大的不

同，物質狀態的改變會產生物質體積的突然膨脹。各種物質要改變自己的物態所需的能量是

不同的，如煤炭所需的能量要比汽油大的多。

　　說到此，上述中隱含的另外一個道理不能不告訴大家：不同的物質分子結構對同一個能

量的作用所產生的變化是不同的。比如一桶敞口的汽油（或其它液體燃料），在20℃時，它

會慢慢揮發。如果這時你在附近來一點兒火星，它會馬上燃燒，而且會爆炸。為什麼呢？原

來，開始時，汽油表面的分子比空氣的分子振動強烈，便會透過振動的形式，運動到空氣中

去。這時的汽油分子的振動相對來說還不太強烈，不會向內部傳遞能量，而是汽油內部向外

傳遞能量。因而大量的桶中的汽油分子振動逐步衰減，這時不會發生燃燒。當出現火星帶著

強烈的振動和巨大的振動能量作用其表面分子時，其中某個汽油分子的振動就達到某種狀態

（燃燒狀態），這就是燃燒的開始。當外界能量（火星的能量）低於某個汽油分子達到燃燒

狀態所需要的能量時，汽油不會被點燃；當外界能量（火星的能量）大於某個汽油分子達到

燃燒狀態所需要的能量2倍以上時，汽油不但會燃燒，而且會爆炸。這是為什麼呢？原來，

第一個汽油分子達到燃燒狀態的振動時，分子之間的距離變大，同時振動的反作用力又將振

動能量傳遞給第二個汽油分子，第二個汽油分子達到燃燒狀態的振動時又將振動能量傳遞給

第三個汽油分子……以此類推，只要這個火星的能量比較大，這桶中的汽油不但隨著分子振

動的強烈可以產生燃燒現象，而且隨著汽油分子突然振幅增大、分子距離突然拉大、體積突

然膨脹而產生爆炸現象。如果這個火星的能量作用到一塊煤炭上，我想上述現象不會發生，

原因是煤炭所需要的能量太大，而這個火星的能量太小。同樣道理，爆竹爆炸，需要火捻傳

遞能量；摔炮能夠一摔就響，是因為有一個撞擊力作用的能量。這種由固態物質突然受到施

加能量變成氣態物質所產生的爆炸例子，每個人都會舉出很多。但是，這些能量如果作用到

其它物質上就不會爆炸，原因是這些爆炸物質分子結構特性所決定的。這裡研究各種物質的

固氣比與爆炸的成因是很重要的，傳統理論提到爆炸只說是化學反應速度快是很不到位的，

必須弄清物質分子的微觀變化方可。

　　在此我們順便講一下核能發電問題。核能發電利用的能源是裂變核能，它是利用有些元

素在裂變過程中產生的大量熱量來產生蒸汽進行發電的。這些元素有鈾-233、鈾-235、鈾-

238等。以前的理論是在對鈾-235施加一定的能量後，它在核裂變中就會產生大量的能量對

外釋放。對於裂變這個概念完全是人們的一種假說，當你從微觀地仔細分析一下並沒有道

理。按照振動理論的觀點原子在變化的過程中並沒有裂變這個形式，它是分子形狀在振動過

程中產生的一種現象。鈾-235這種元素的分子形狀具有特殊性，它的形狀具有蹺蹺板結構的

特點，一旦對它施加一定的力，它就會不停地擺動，持續時間很久。這樣它在分子振動過程

中對外釋放的能量就很多，這是由於它的物質特性所決定的。

　　輻射熱是怎麼回事呢？輻射熱就是火焰中的物質分子把縱向振動所帶有的能量向四周物

體傳遞的一種能量傳遞形式。它的特點是傳遞速度快；能量通量大；傳遞強度大，或者說傳

熱係數大。它所傳遞的能量數量多少、速度快慢、強度強弱完全取決於火焰中物質分子振動

的激烈程度（振動狀態），即火焰中的溫度高低。值得注意的是它在向四周物體傳遞能量的

過程中，必須藉助一種中間介質的分子振動傳遞才能把能量送達。嚴格地說它所傳遞的能量

情況也同樣受到中間介質振動特性的限制。比如介質的密度、質量、分子形狀等，這種介質

通常是空氣或煙氣。太陽的輻射、火焰的輻射和高溫氣體的輻射以及強光的輻射均屬此類情

況。

　　熱傳導是火焰中物質分子的縱向振動能量直接透過振動傳遞給其它物體的一種能量傳遞

形式。它無須藉助其它中間介質的振動傳遞，它所傳遞能量的多少、快慢和強弱完全取決於

它自身的溫度和導體的特性。在傳遞熱量方面它遠遠強於輻射的形式，它的傳熱係數最高。

　　對流放熱的形式比起前兩種傳熱形式就遜色多了，它主要依賴於高溫氣體或液體的分子

在運動中與其它物體發生碰撞進行交換能量的一種傳熱形式。它所傳遞能量的多少、快慢和

強弱完全取決於它自身分子的運動速度。運動速度越大，分子撞擊力越大，交換的能量就越

多。另外，與火焰分子撞擊導體的角度也有關係，以正向撞擊時能量為最大。這裡所說的正

向是指高溫氣體的運動方向，因而在設計熱力裝置中就有“橫向沖刷要比順向沖刷傳熱效果

好”之說。如果不考慮氣體運動的能量，只考慮氣體分子振動的能量，橫向佈置和順向佈置

所獲得的能量基本上是一樣的。

　　總之，在以往的熱學和熱力學的理論中，把熱的現象和熱能作為一種單獨的現象來看待

的，實際上它仍是力學中的一個範疇。

　　我們順便舉一些生活中的例子來說明分子振動的現象。例如，為什麼用熱水洗碗、刷

鍋、洗滌衣物比用冷水洗的更快且容易洗乾淨？原因是熱水的分子比冷水的分子振動強烈得

多。當熱水的分子與碗上、鍋內壁上和衣物上的髒東西接觸時，強烈振動的熱水分子就象機

槍子彈一樣向髒物不停地轟擊（撞擊），轟擊的結果是整個髒物變得疏鬆起來。之後再經過

水流的沖刷，髒物就從附著物上脫離下來，所以這樣容易洗的又快又幹淨。冷水的分子振動

緩慢，撞擊能量小，不能很快使髒物變得疏鬆起來，所以短時間內很難把髒物全部清洗幹

淨。 另外我說一個事實您必須承認：當您把一個鐵鍋燒得近乎發紅時突然往鍋里加上少許

水或往燒紅的鐵板上澆上少量的水時，就會發現除了瞬間冒出一些蒸汽以外，同時還會發出

“吱啦”或“噗噗”的響聲。這個響聲哪來的？原因是燒紅的金屬的分子振動的非常激

烈，當它的表面分子與水接觸時就會發生分子間的強烈撞擊，這個響聲就是分子撞擊所產生

的。這個道理與不同振動方向的雲團分子撞擊產生雷聲的道理基本相同。

　　細心的讀者您可能有這樣的生活經驗：當您用鍋或水壺燒開水時，當水溫達到80℃以上

時鍋底或壺底表面就會出現一些小氣泡，並且這些小氣泡都是些圓形的，這是如何形成的

呢？原來，在水溫達到80℃以上時，水分子振動的已經很厲害了。這時金屬下面的火焰（振

動的分子群）繼續對金屬下表面加熱（分子振動傳遞能量），區域性金屬分子激烈的振動傳遞

給區域性的水分子，使其變為氣態的振動狀態。氣態的水分子距離遠遠大於液態的水分子距

離，因此水的氣體分子空間就要膨脹。由於周圍的水的靜壓力相等，氣體分子的振動力與周

圍的水的靜壓力在某個介面上相等（等壓面），所以在氣體空間的某個位置就形成了一個半

球形的小氣泡。隨著振動傳遞能量的增加，小氣泡越來越大，最後漂逸到水面。順便說一

下，有一些書籍上說這些小氣泡是溶解氧，我不完全同意這種說法，理由是它與水分子是如

何結合在一起的？分子結構如何？我認為它可能是水分子的超能形式。

　　另外，我們再解釋一個例子。夏季里人們在屋裡出了很多的汗，如果站在電風扇前吹一

下，汗馬上就可以跑掉，並且渾身感到很涼爽。這是為什麼？原來，在該溫度下，如果室內

的空氣溫度是35攝氏度，人體的部分部位的體溫低於外界溫度，內部的水分就會析出到人體

表面，但是它們還處於液體狀態，不會馬上變成氣體跑到空氣中去，只能靠與空氣中的水分

的濃度差（溼度差）慢慢擴散，即汗可以慢慢涼去。在這個溫度下，不管人們是透過吃的形

式帶進人體內的能量，還是運動造成體內能量的增加，體內細胞的振動都會增強，造成水分

析出，即出汗。這時當你站在電風扇前吹一下，35攝氏度的空氣分子就會帶著一定的運動能

量衝擊汗水錶面的分子，汗水錶面的分子得到能量後振動加強，然後達到氣體分子的振動參

數時變成氣體跑到空中，汗水就從人體表面消失了。汗水分子的離去還可以減少一些面板表

面的能量，因此人們就感到有點兒舒服。當然你也可以用40多攝氏度的空氣去吹，同樣可以

把汗水變成氣體跑掉，但是這時人體內還會不斷地析出水分（出汗），人就感到很不舒服。

如果你用20多攝氏度的空氣去吹，除了可以涼汗，還可以使人感很舒服。

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