熱是分子運(yùn)動的宏觀表現(xiàn)形式，構(gòu)成物體的分子運(yùn)動的平均動能體現(xiàn)的是熱的程度。熱的程度，也就是溫度。溫度是衡量物體冷熱程度一個標(biāo)量，這是我們最常聽到的對溫度的解釋。但實(shí)際上，筆者認(rèn)為這就是一句大實(shí)話，中間沒有包含任何解釋性的語言。
在讀取下文之前，大家不妨思考一下，是否真正明白溫度的微觀本質(zhì)？
熱設(shè)計公眾號（微信中搜索“熱設(shè)計“，即可關(guān)注）前段時間的文章《什么是“熱”》中提及，熱質(zhì)說最難解釋的現(xiàn)象就是熱輻射。這樣，理解不同溫度表面的輻射換熱，就需要了解溫度和輻射之間的關(guān)系，探究溫度的微觀本質(zhì)。微觀上來講，電子時刻不停地受到光子的擾動，不斷地吸收各種能量的光子，也不停地輻射出各種能量的光子，所以電子在原子核中并不是處于穩(wěn)定狀態(tài)，它的運(yùn)動軌跡也不是正圓。一般來說，溫度越高，電子受到的擾動越大，其運(yùn)動軌跡偏離圓形的趨勢越明顯；溫度越低，電子受到的擾動越小，電子的運(yùn)動軌跡越接近圓(只有在絕對零度時，電子的運(yùn)動軌跡才可能是正圓)。從這個意義上來說，原子模型可以看作是盧瑟福的行星模型和電子云模型的結(jié)合：溫度越高，原子模型越接近行星模型；溫度越低，原子模型越接近電子云模型(但在某一瞬間，電子在原子核中有確切的位置)。溫度的高低反映了電子偏離穩(wěn)定軌道程度的大小，單個原子(分子)也有溫度。電子偏離圓形軌道的程度越大，表明該原子的溫度越高，電子裂變后放出的能量也越大。所以溫度升高時物體發(fā)出的電磁輻射向短波方向移動。對于溫度一定的物體來說，它內(nèi)部包含了大量的原子，這些原子中的電子由于受到的擾動大小不同，它們裂變放出光子的質(zhì)量也不同，但大致滿足正態(tài)分布，即發(fā)出的光子中能量特別大的和能量特別小的都是極少數(shù)。
人們通常認(rèn)為：熱現(xiàn)象是大量分子無規(guī)則運(yùn)動的反映，溫度越高分子的平均速率越大，溫度越低分子的平均速率越小。事實(shí)上，這一理解可能并不正確。我們知道，太陽時刻不停地向外拋射高能粒子，這些粒子的速度接近光速，宇宙中其它恒星也在不停地向外拋射高能粒子，所以在宇宙空間任何地方，都有許多高能粒子正在做雜亂無章的運(yùn)動，這些粒子的速度通常都接近光速或亞光速。這樣看來宇宙空間的溫度應(yīng)該很高(至少比恒星內(nèi)部高)，宇宙空間應(yīng)該是很明亮的。但事實(shí)上，宇宙空間是漆黑的一團(tuán)，溫度只超過絕對零度一點(diǎn)。這說明粒子運(yùn)動速度大未必溫度就很高，物體的溫度不是由組成它的原子(分子)的平均運(yùn)動速度決定的。溫度升高，原子(分子)的平均速度增大。但反過來，原子(分子)的平均速度增大并不意味著溫度升高。我們知道，只要物體的溫度在絕對零度以上就會向外輻射電磁波，而物質(zhì)向外輻射電磁波的原因是電子受到擾動后在靜電力作用下放出光子，并且光子受到的擾動越大放出的光子能量也越大，相應(yīng)的物體的溫度也越高。從這個意義上來說，原子是儲存熱量的最小單位，單個原子也有溫度，因?yàn)樗梢詢Υ鏌崮堋５珕蝹€的帶電粒子如質(zhì)子、電子在不受外界任何擾動時，即便速度再大也不會向外界釋放能量，因此它們都不能儲存熱能，因而也沒有溫度。應(yīng)該看到，原子(分子)的高速運(yùn)動所具有的能量僅僅是動能而不是熱能，和宏觀物體一樣，速度大未必溫度高。宏觀物體的速度與其溫度無關(guān)，原子(分子)也是如此。一個原子(分子)的速度比其它原子(分子)的速度大，只能說明它的動能大，儲存的熱能未必就多。熱能僅儲存于原子核和電子形成的原子體系中，兩者中缺少任何一個都不能儲存熱能。在日常生活中我們用紅外線(微波)加熱而不用紫外線，紫外線的熱效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于紅外線(微波)。這是因?yàn)榧t外線(微波)光子的質(zhì)量小，和原子中電子的結(jié)合力大(包括內(nèi)層電子)，而紫外線和原子中電子的結(jié)合力小(它幾乎不與內(nèi)層電子作用)，所以紅外線往往容易被物體吸收，其熱效應(yīng)當(dāng)然比紫外線強(qiáng)。
了解了上述知識，我們再考慮溫度的概念，就會有不同的結(jié)論。對一個物體而言，倘若它儲存了熱能它就有溫度，并且它儲存的熱能越多它的溫度就越高，反之則溫度越低；倘若物體沒有儲存熱能則它就沒有溫度或者說它的溫度是絕對零度；倘若物體不能儲存熱能，則用溫度來衡量該物體是沒有意義的。我們知道，原子是儲存熱能的最基本單位，原子的熱能實(shí)際上是儲存在電子中的。單獨(dú)的原子核、單獨(dú)的電子都不能儲存熱能，所以單獨(dú)的原子核、單獨(dú)的電子都沒有溫度。同樣的道理，光子也不能儲存熱能，它僅僅是熱能的載體，因?yàn)閱为?dú)的原子可以儲存熱能，所以單獨(dú)的原子有溫度，但由于單獨(dú)的光子不能儲存熱能，所以單獨(dú)的光子沒有溫度，不同能量的光子之間只有能量的差異而沒有溫度的差異，用溫度來衡量光子是毫無意義的。
明白了溫度是物質(zhì)內(nèi)部電子儲存熱能的宏觀表現(xiàn)，以及其本質(zhì)是一種運(yùn)動劇烈程度這一概念，對深入理解熱量的傳遞方式有很大幫助。結(jié)合上述知識，感興趣的讀者可以再對導(dǎo)熱、對流換熱以及輻射換熱這三種基本傳熱方式進(jìn)行一個回憶，相信你一定會有不同的理解。
對于“熱”和“溫度”的本質(zhì)，有感興趣的讀者，可以在公眾號內(nèi)留言，或在中國熱設(shè)計網(wǎng)散熱技術(shù)論壇中開貼討論。
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