日期：2018.12.11
［文章摘要］：本人通過對溫度和熱量的本質進行剖析發現：溫度不是分子熱運動平均動能的標誌，而是與熱輻射強度峰值對應的頻率相關；熱量是分子的溫度趨同過程中，分子的動能變化程度的量度。本文擬在對溫度和熱量有了新的認識基礎上，對熵增、熱寂和熱力學第二定律進行重新解讀和認識。
關鍵詞：溫度熱量 熵增定律 熱力學第二定律
一、溫度和熱量的定義
1、溫度的定義
溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。
從分子運動論觀點看，溫度是物體分子運動平均動能的標誌。溫度是大量分子熱運動的集體表現，含有統計意義。對於個別分子來說，溫度是沒有意義的［摘自厚度百科］。
2、熱量的定義
熱量是指當系統狀態的改變來源於熱學平衡條件的破壞，也即來源於系統與外界間存在溫度差時，我們就稱系統與外界間存在熱學相互作用。作用的結果有能量從高溫物體傳遞給低溫物體，這時所傳遞的能量稱為熱量［摘自厚度百科］。
二、溫度和熱量的真實含義
1、溫度的真實含義
根據普朗克黑體輻射公式
公式一
可知：輻射強度Ｅ的最大值對應的頻率νm與物體的溫度T存在密切的相關。我們可以對（公式一）對ν求導，並令導數等於0。則有：
公式二
對（公式二）兩邊除以常數及相同項，並簡化可得：
公式三
由（公式三）可建立物體溫度與輻射能量峰值所對應的頻率間的關係式：T=f(vm)
如下圖一所示：因為普朗克黑體輻射公式對一般物體的熱輻射基本都適用，包括太陽輻射譜也基本上符合該公式。因此，物體的溫度與物體熱輻射譜峰值對應的頻率相關的規律是存在普遍性的，可應用到一般物理研究中去。由此可見：物體的溫度不是由其分子的平均動能決定的，而是由熱輻射峰值對應的頻率決定的。而黑體輻射譜的峰值頻率僅與占主導地位的分子之熱運動頻率（以下簡稱“分子熱運動主頻”）相關，與分子的質量大小和熱運動平均速度、動量和動能無關（這也是普朗克黑體輻射公式與材料類別無關的原因所在）。因此，我們有理由這樣理解：溫度僅與黑體輻射譜的峰值頻率相關，而峰值頻率僅與分子熱運動主頻相關。因此有：溫度僅與分子熱運動主頻有關。由此可見：溫度並非與分子的動能成正比，即不是分子平均動能的標誌。而是分子熱運動主頻的標誌。
2、熱量的真實含義
熱量是不同溫度的物質接觸或通過電磁輻射相互作用時，高溫物體會使低溫物體升溫，同時使自己降溫，在此過程中產生能量交換的數量稱作熱量。但從上述對溫度含義的重新認識會發現：溫度僅與分子的熱運動主頻相關。因此，若高溫物體向低溫物體輸送熱量的話，應該是高溫物體分子使低溫物體分子的熱運動頻率提高，同時使自身的頻率下降以達到頻率同步、溫度相等。由此可見：無論是熱傳導還是熱輻射，熱量都是由分子熱運動頻率高的向低的傳遞，並在頻率相等後達到溫度相同。
3、溫度與熱量的關係
為了說明溫度與熱量的關係，我們選擇水作為研究對象進行詳細的分析：
由表一、表二和圖二可知：水的溫度與其所攜帶的熱量並非簡單的線性關係。在水由固體變為液體或由液體變為氣體時，熱量與溫度間的關係為多值關係。因此，並不能直接用溫度來表示同一物質熱量的高低！必須考慮物質的狀態，也就是分子或原子的運動狀態及相互間關係。物體的溫度高低雖然與其分子熱運動主頻正相關，也與分子熱運動平均速度、動量和動能正相關但非單值函數關係。同樣溫度的水和冰或水和水蒸氣混合物的分子熱運動平均速度、動量和動能可以有很多個值。
三、熵增和熱力學第二定律的真實含義
1、熵增定律的真實含義
1.1、熵增定律：熵增定律是指熱量從高溫物體流向低溫物體是不可逆的。它表明世界將變得越來越沒有秩序，越來越混亂。
1.2、真實含義：根據溫度與分子熱運動主頻正正相關，則高溫物體流向低溫物體的所謂熱量只是分子或原子熱運動頻率的改變而導致其動能的變化。即高溫物體與低溫物體發生熱交換的真實情景是：高溫物體分子的部分動能傳遞給了低溫物體分子，使低溫物體的溫度上升，高溫物體的溫度下降。當兩者達到分子運動頻率同步時，則動能不再發生交換。對於物質成分和物態相同的物體而言，兩者達到溫度平衡後，分子的熱運動頻率相等，動量和動能也就相等了；但對於物質成分或物態不同的物體而言，兩者達到溫度平衡後，分子的熱運動頻率雖然相等了，但動能則不一定相等。如：冰水混合物，雖然溫度都為攝氏0℃，但冰的分子熱運動平均行程、速度、動量和動能均遠小於水分子。
物體間產生溫度趨同效應過程中的熱量傳遞方向雖然是從高溫到低溫且不可逆，但並不表示世界將變得越來越沒有秩序和混亂。因為此過程存在二種方式：一是固體類物體間僅表面接觸熱傳導或液體和氣體類物質間非接觸式的熱輻射交換熱量時，因不存在物體間分子或原子的混同過程，只是分子和原子熱運動頻率趨同的過程，秩序不但未發生混亂，反而因相互同步的分子熱運動而變得更有秩序了；二是液體和氣體類物質間存在相互混合的情形時，雖然因分子的熱運動會出現混同的過程，但因達到溫度平衡狀態時，分子的熱運動頻率也趨同，整體上的秩序也比混同前更好。至於說由於液體和氣體的混同過程造成的混亂並非由溫度的變化或熱量的傳遞引起，而是分子熱運動的必然。就算是兩種溫度相同的液體和氣體混合也同樣會出現混同的現象，但此過程並不發生熱量的傳遞。
2、熱寂的可能性
2.1、熱寂的含義：熱寂是猜想宇宙終極命運的一種假說。根據熱力學第二定律，作為一個“孤立”的系統，宇宙的熵會隨著時間的流異而增加，由有序向無序，當宇宙的熵達到最大值時，宇宙中的其他有效能量已經全數轉化為熱能，所有物質溫度達到熱平衡。這種狀態稱為熱寂。
2.2、可能性分析：由以上分析可知：物體間的熱交換過程只是分子熱運動動能的交換過程。而影響分子熱運動動能變化的因素很多。如：萬有引力、電磁力的作用。同時，物質的宏觀運動和組成分子的原子以及組成原子的電子和原子核的非熱運動動能並未考慮在熱能中。就算物體處於絕對0度，其宏觀運動仍然存在，原子中的電子及原子核也是在運動的，仍然存在巨大的非熱運動動能。特別是帶質量的粒子本身具備的能量與質量和光速的平方之積成正比。這部分能量也未考慮在內。最重要的是：物體特別是固體均存在溫度梯度，即同一物體的表面與內部的溫度並不會完全一致而達到溫度相等，非金屬材料比金屬材料表現的更加顯著。這也是為什麼太空中的飛行器受太陽照射面與另一面的溫度差如此之大的原因所在。也是帕克太陽探測器能如此近地靠近太陽並經受住太陽附近一千多度高溫的原因所在。由於物體存在溫度梯度，不同表面受到的外來電磁輻射不同時，其表面分子的熱運動頻率都會與外來的輻射譜峰值頻率趨同。在太空中的飛行器面朝太陽一側受陽光的作用，飛行器表面分子的熱運動頻率將與太陽光譜的峰值頻率趨同；而另一側因電磁輻射很弱，主要為宇宙背景輻射及飛行器散射及傳導，當飛行器材料的傳遞效率不高時，則溫度將遠低於迎陽面。
通過以上分析可知：要使一個系統甚至整個宇宙達到熱寂的條件相當苛刻，除非宇宙間所有物質均為液態和氣體並聚集在一起。否則，總是會受到萬有引力和電磁力的作用而發生運動狀態的變化。這種運動狀態的改變將使物質中分子的熱運動狀態發生變化而產生溫度差異。也就永遠不可能使宇宙間所有物質溫度相等而出現熱寂狀態。
3、熱力學第二定律的解讀
3.1、熱力學第二定律：熱量在自發的情況下只能從高溫物體傳向低溫物體。熱傳遞的方向和溫度梯度的方向相反。
3.2、真實含義：通過上述對溫度和熱量的分析可知：所謂熱量會自發地從高溫物體傳遞到低溫物體，實質上是熱運動頻率高的分子與頻率低的分子相遇或發生電磁相互作用時，會使兩者的熱運動頻率趨同（這樣才會使兩者運動同步而不會或減少彼此干擾）。即運動頻率高的下降，運動頻率低的上升，直到兩者頻率相同為止。
綜上所述，溫度僅與物體的分子熱運動主頻正相關，而與分子熱運動的平均行程、速度、動量和動能無關！熱量傳遞的過程實質上是分子熱運動頻率趨同的過程。同溫度條件下，分子熱運動的平均速度、動量和動能與分子熱運動的行程和分子的質量正相關。這些才是溫度、熱量及其熱交換的本質因素和特徵。
【參考文獻】
[1] 鄒萬全.淺析黑體輻射能量密度與維恩位移定律公式的推導[J].內江科技,2011,32(11):20+55.
[2] 黃志洵.影響物理學發展的8個問題[J].前沿科學,2013,7(03):59-85.
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