地面物态新论应用

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地面物态新论应用
陈叔瑄

《地面物态新论》一文已经提出物质存在高速低密度的场质状态、高温高密度低速的星质状态和低速低温中等密度的实物状态。地球表面物体是处于低速低温的实物状态的物质，即物体，又有气态、液体、固体三种状态，它们是其内部微观粒子间的不同交换方式。原子理论和物态理论实际上是介于物理与化学之间交叉理论的基础，它既是物理学基本理论，又属于化学的基础，因此原子新理论和物态新理论对物理、化学发展将产生重大的影响。不同物态在热力学中呈现的主要能量形式是潜热，也就是说热力学上潜热本质是物态交换方式改变引起的一种能量形式。
一、《地面物态新论》可归结出三条基本物态热力原理：
1、地面物体存在气体、液体、固体等三种基本物态，是三种不同的内部交换方式状态。液体是粒子间场质交换为主形成的状态，固体是粒子间更微小的粒子如原子间的壳粒子交换为主所形成的状态，气体是受重力交换或容器限制而成集合的状态。不同实物在相同温度处于不同物态，相同实物在不同温度下处于不同物态，即物体具有不同的熔点与沸点。可见不同原子、分子组成的物体存在各自条件下交换方式不同的潜热或潜能。某类物体的原子、分子在物态变换过程中，同一条件下（在熔点或沸点下）不是同时物态变换而是有先后过程的，因为原子、分子运动具有统计分布性质的。
通常系统物质浓缩、收缩、吸收质量或能量，即递增过程为正值，而系统弥漫、弥散、辐射质量或能量，即递减过程为负值。如正电荷为递增过程，负电荷为递减过程。物态变换可释放（负值）或吸收（正值）能量，如固体变换为液体，液体变换为气体，甚至固体直接变换为气体吸收了热量（正值），但此时通常温度不变，即所谓潜热。可见热力学潜热或潜能实际上是物态变换的一种能量形式，称为不同物质的状态是各自条件（熔点或沸点）下微观粒子间不同交换方式变换的能量，并呈现为潜热原理。除物态变换外，原子、分子间壳粒交换还可能引起化学分子成份、结构和化学反应的变化，化学过程是更深刻的元素原子间的壳粒交换方式变化。
2、液体、固体加热气化可膨胀体积对外做功，即热量Q可转化为温度定义的内能△U、气体膨胀而对外做功P△V、物态变换的潜热能量△R，甚至化学反应生成与消耗的能量Δχ。在考虑化学反应情况下，热量与内能、做功、潜热能量间关系
Q=△U+△R+Δχ+P△V
此式实际上是热力学第一定律的扩充或称为热力学能量转化守恒原理。因为潜热或潜能实际上不能包含在温度函数的内能中，物态变换过程中温度可以不变的，即与温度无关的能量形式，应另外列出的能量。化学反应实际上是生成或消耗热量重要方式。
液体、固体变换为气体时吸收了热量，体积膨胀，即质量密度或粒子数密度变小，可见潜能与质量密度（或粒子数密度）变化密切相关的。实物系统的温度函数内能、潜热能量、做功，甚至化学反应能等，都与质量密度有关的，即相应的热量都跟系统质量密度或粒子数密度密切相关的。如通常实物系统吸收了热量就会使其内能或温度提高，体积膨胀，气化时质量密度或粒子数密度降低。释放热量就会使系统内能或温度降低，液化时体积收缩，质量密度或粒子数密度提高。固体原子、分子间壳粒交换很复杂，使其构成各种形状结晶状态，密度有的比液体还小。但这不是指元素原子本身质量对体积之比的密度（通常液体因场质交换下原子密度最低），而是指宏观物态密度。
3、《物性论》指出：系统某一能量趋于均匀，可以用该能密度趋匀来表示。热力学内能是温度有关函数，内能改变量或内能密度改变量可以用下式表示。如果相邻两物体存在温度差，即具有热力平衡的趋势而传递热量。
ΔU=mCΔT
δQ=ΔU/ΔV=mCΔT/ΔV=ρCΔT
其中ΔU为内能改变量，ΔV体积改变量，C为单位克分子热容量，m质量，ρ质量密度，ΔT温度差，δQ单元热量。系统介质C不变的话，趋匀时温度差愈大，产生往低温处传输热量愈多。也就是说内能趋匀过程是热量Q自动地从高温物体处流向低温物体处，以趋向内能均匀过程，热力学第二定律的一种描述。
实际上热量传递包含内能变化和物态潜热变化和做功，甚至化学变化等过程，不能只看热量对内能（或温度）变化影响。表明开放系统热量（密度）变化是由内能（密度）和潜热（密度）变化等有关。说明实物系统温度愈高或质量（密度）愈高，发射热量愈大。热力学第二定律只考虑温度函数的内能的热量趋势，不考虑物态变换和其它引起热量趋势问题，更没考虑星质物态与场物态等问题。因此热力学第二定律的内能（或温度）趋匀平衡原理充其量不过是《物性论》趋匀平衡原理在热力学中应用特例。
系统温度高于周围就会向周围辐射或发射热量，内能趋于均匀包含了热量传递、辐射、发射。对高温体（热源）来说是发射热量与高温体温度之比称为热温商或熵dS=δQ/T，所谓熵实际上是高温体的单位体积、单位温度向周围发射热量的量度，与质量密度或粒子数密度趋势密切相关的状态函数。熵的变化可引起内能、潜能、化学能，甚至对外做功等变化，这样熵不是温度（或内能）纯粹的函数，也不是对外做功纯粹函数。热量趋势使温度自动趋于平衡或热机效率不可能百分之百必向周围辐射热量。开放系统（指没有容器或没有对容器壁作用）情况下
δQ=Q/ΔV=ΔU/ΔV=CρΔT
dS=δQ/T=CρΔT/T
其中ΔV体积改变量，δQ单位体积热量改变量或元热量，T为温度，ΔT温度改变量，δS为元熵。通常热量不仅仅内能产生的，故
TdS≥CρΔT
熵的增长本质在于热量传递产生不是纯粹温度或内能状态函数，而是温度处于平衡时变换为其它能量形式趋匀产生的热量或其它能量传递。即与相应质量密度升高或温度降低的过程有关，如涡旋运动浓缩质量或不断辐射而降低温度等都属于熵增大过程。也就是说，宇宙或自然界单一能量形式趋匀，往往具有不可逆过程，但整体来看又以其它能量形式实现相反的过程，构成整体的平衡。内能趋匀使热量总是自动地从高温处流向低温处，以使内能或温度趋于均匀，如高温天体向周围不断辐射热量，但又以涡旋运动浓缩质量方式，即引力方式接收能量，以趋于天体整体的平衡。
另外，在温度相同的情况下，各个不同的物体在单位时间内从单位面积上发射出去的能量仍然不同的，即它们发射本领不同的，现在各个物体都要达到平衡辐射，那么只有在发射本领较大的物体同时也吸收较多能量的情况下才有可能。可见当物体间靠辐射能发射和吸收来交换能量时，达到热平衡才有可能的。如基尔霍夫定律描述：物体的发射本领和吸收系数的比值与物体性质无关，对任何物体说，它只是波长（频率）和温度的函数。这进一步证明热力学内能趋匀虽然不可逆的，但又以其它方式构成整体的平衡趋势。
二、物态原理应用
如果物理考察的主要是物质能量与能密度变化有关的问题，那么生化则主要考察物质的质量与质量分布结构变化有关的问题。地面物态是介于物理与化学之间或两者之间过渡的物质状态。在某种意义上也是地学与生化间交叉的物质形态。地面三种物态在技术上应用很大程度上是利用其特性，气体密度低，液固体气化过程中体积膨胀，利用这个特性来推动机械运动，成为机械动力基本组成部分。液体是靠分子间场质交换为主方式，通常在容器中处于交换平衡的连续分布静止状态，一定条件下流动可以成为机械动力。固体主要靠原子、分子的壳粒子交换成体的，但以各种方式交换和结晶方式不同，而使其在熔点、沸点等与硬度、坚韧、延展、易碎等程度不同，可以应用于不同场合技术上。
1、固体状态
宇宙存在低密度、高速的场物质状态与高温、高密度、低速的涡旋运动星质状态，星质的交换构成微涡旋，这些微涡旋冷却则构成宇宙实物的元素原子基础。由于元素是按外层壳粒数目与分布来分类的，因此同元素原子质量不可能完全一样，而有一定统计分布的，原子量是其平均值。各星球同一元素质量分布曲线可能有差异，使其光谱线有所偏移，如红移、紫移等现象出现。不同星球由于内部温度、密度等条件不同，所构成元素成份的分布不完全一样的。虽然表面冷却星体在宇宙中运动，经常从宇宙落入宇宙尘、陨石之类物质沉积，而使太阳系行星、卫星有类似固体存在，但内部仍然存在差别。宇宙尘、陨石多半产生于星体爆炸、喷射、散射的产物，而散射最多的是氢、氦之类轻元素，因此宇宙中氢元素最丰富，其次是氦元素。
地球由地核、地幔、地壳组成的，地核主要是质块与高温高密度岩浆构成的，并在质心不断趋心互相挤压运动中影响着地幔和地壳状态，如地震、火山、板块、气象、水文等状态变化现象。地幔则是各种地面元素产生根源，地幔不同层次温度和压力不同，微涡旋演变的元素原子也有所不同，下层主要形成重元素原子，上层主要产生轻元素原子，如氧、氮、氢等元素。下层微涡旋原子运动中与上层微涡旋原子结合成大量氧化物，有的结成小质块，运动在地幔中，甚至移动到地壳冷却，构成各种各样岩石与矿物。可以说地壳无机矿藏来源于地幔。在地壳上各元素在地面特有条件下生成各自性质，包括熔点与沸点性质。
地球表面在其特有环境条件演变过程中，逐渐形成以氮、氧气为主的大气层和液体水为主的海洋和江河湖泊等的水圈，加上三分之一强陆地等其它星球所没有难得的特有环境。三分之二弱的海洋因其热容量大，对地面气温恒定起了非常重要的作用，构成特有的地面温度、气压和各种气象基础。可以说宇宙几乎找不到第二个地球，或跟地球表面条件大体一样的星球几乎找不到，更找不到类似地面生存的生物。所谓“外星人”不过是个幻想，至少近期内不可能找到的，因此要特别珍惜人类赖以生存的地球环境，国际机构应以保护地球环境作为重要目标和任务。
从元素周期表熔点或沸点分布来看，原子周围交换场物质状态与壳粒子分布情况密切相关的。最外层对称饱和分布2个和8个壳粒子的惰性元素氦、氖、氪、氙等不跟其它元素化合或壳粒交换的，而处于独立原子气体状态，因此熔点与沸点非常低，而且原子质量愈小，壳粒离原子核愈近，愈不易离开，相应熔点与沸点温度愈低。氦的熔点接近绝对温标的零度。对于元素原子外壳层分布7、6、5个壳粒的原子壳粒数愈多且质量愈轻愈易处于气体状态，相应熔点与沸点也愈低（往往在零下百度），愈不易液化，场质交换较弱，如氧、氮等气体。对称趋势又愈易得壳粒，以趋于对称分布，使其非金属性愈强。非金属与金属或各自不同交换组合生成各种各样性质的物质形态。
元素原子周围场物质状态对于物理性质影响很大，也影响某些化学性质。愈在元素周期表左下角主族、副族元素，甚至过渡元素原子最外层只有一、两个壳粒，又离核愈远，愈易丢失壳粒，同时场质交换也愈强，因此金属性愈强。过渡元素多数最外层只有一、两个壳粒，也易丢失壳粒而属于金属性元素。金属性愈强的元素原子壳粒在热运动中易脱离原子，在其所构成的金属体中流动，成为易导电的导体。常温下周期表左下位置的多数元素原子处于靠壳粒交换联结成固体，原子之间存在壳粒交换与场物质交换，熔点与沸点温度较高。而靠近周期表碳元素周围元素如硅、硼等熔点和沸点特别高，碳元素本身最高（可达四千度），它们实际上失去金属性，原子周围场物质交换较弱，因此较难熔化。利用各种物质不同熔点和沸点可以将相应实物成份分离出来。
地面不少非金属元素熔点、沸点低而常温处气体状态，场质交换弱，氢、氦元素原子较轻，易逸出地球，而氢与氧化合成水与其它氢化合物而使氢存留在地面。金属性元素熔点、沸点高而常温处固体状态，壳粒与场质交换强。只极少数（如溴、汞）元素常温处液体状态。它们是构成矿石基础，通过其熔点、沸点不同特点采取不同方法可将需要的元素冶炼出来。各种元素原子结成分子情况则有所不同，不少在分子周围场质交换得到加强，如常处液体状态的水，熔点零度，沸点也不过百度，2个氢与1个氧的壳粒交换结成一定结构的水分子，在地面常温下处于液体状态。在地面特有温度与重力下，氮分子与氧分子稳定地存在于地面上空，形成氮分子与氧分子为主的地面大气层。
2、水流动与溶解
地球自转直照太阳周期性变化，使地面大气与水周期性变化。地面气循环和水循环流动，是地面气象水文主要根源。空气在地球运动中气温冷热变化引起气体膨胀收缩周期变化，构成大气流动，风向、强弱循环变化，风力在某些条件下可做动力，推动机械运动。大面积海洋在太阳光照射下蒸发成水蒸汽，它又比氮、氧分子轻而上浮于大气低上层，遇冷成云雾、雨水、冰雪等，落到地面成水流。利用水自动地从高处流向地面低处，以趋于平衡特性，推动机械运动，水流历来是人类重要的机械动力。现代人类更进一步利用它发电，设计成各种各样水电站。
地球特有温度（距离太阳远近有关）、重力条件下，地壳表面氢与氧化合，生成水的平衡趋势，使其自动流向低洼处，逐渐积累成海洋。以至地面水如此丰富，占地球表面积三分之二弱的海洋，调节了地面气温，成为其它星球所没有的各种生物生存发展的温床。但地球表面淡水却很紧缺，解决办法主要是栏河筑坝和淡化海水。前者成本低些，且易于综合利用，处理得好不仅可减缓淡水紧缺，灌溉农田，增加电能源，而且可以改善生态环境。水加热汽化为水蒸气，降低粒子数密度，压力平衡趋势中膨胀体积，推动机械运动，成为早期火车、轮船和工业的主要动力。
水能溶解众多化学物质，改变温度、压力可以溶解的化学物质不同，具有万能溶剂效果。这主要是在常温常压下水分子处于场质交换为主的液体状态，而且在热运动交换中水分子易分离成氢与氢氧根，即暂时电离状态，但它又很快结合在一起，因此是处于动态电离或更确切地说是处于氢与氢氧根的交换状态。掺入其它化学物质，就比较易离解这些物质，不同化学物质离解情况不同，同一化学物质调节不同温度与压力，离解的程度也不同。溶解程度大体可分为易溶的、微溶的、难溶的化合物，利用这类特性可以较方便地实现人工化学反应与分离提纯一些元素与各种物体的过程。
水与溶液在管道中流动，由于水或溶液分子与管壁分子交换而阻碍其流动性，产生粘滞性，不同溶液具有不同粘度。同一溶液不同温度或结晶方式下粘度不同，如硫，汞粘度就有十来种粘度。有的溶液可使材料粘住，如普通胶水粘在两张纸某些部分，干后场质交换随着水分失去，而被壳粒交换所代替，从而纸张粘住。这类液体材料称为胶合剂，不同的胶合剂的分子或原子对于不同材料具有壳粒子交换不同性质，如普通胶水可粘住纸张之类材料，却粘不住木材、塑料、金属之类材料，因为这类胶水分子与这类材料形成不了壳粒交换。如果换成环氧树脂或聚氨脂之类胶合剂就很容易将木材、塑料、金属等材料胶合住，这类胶合剂有机分子与木材、塑料、金属分子、原子的壳粒可实现交换，而牢固地粘住。
3、燃烧与爆炸
气体压力是混合气体中各自气压之和。地面大气主要成氮分子与氧分子，加上少量水蒸气、氩原子与二氧化碳等构成的，海平面为标准一大气压（760毫米汞柱，标准摄氏零度下，1摩尔体积为22.415升），大气压随高度增大而减少。单位体积的水蒸气与空气混合中所含的水蒸气的重量，用一立方米湿空气中所含水蒸汽的克或公斤数表示，称为绝对湿度。使空气中所含水蒸汽达到饱和时的湿度称饱和绝对湿度。而相对湿度是指在相同温度与压力下，绝对湿度与饱和湿度之比。对容器盛水加热气化，可以增大压力或扩大体积，平衡趋势中推动机械运动。
水蒸汽加热通常依靠煤炭等易燃材料燃烧来加热的。而易燃烧燃料多半是有机物与有机矿物，如木材、煤、石油、天然气等燃料，通常称为能源。燃烧过程是氧化的化学反应过程，并气化产生光、热的物理过程。它的燃烧产生热量可使水气化或本身气化而膨胀体积，推动机械运动，成为机械动力。因此机械热动力实际上是一个热源，温度高于周围环境，必向周围辐射热量，加上余气热量消耗，因此效率不可能百分之百，使它成热力学第二定律另一描述的根据，也是热量自动地从高温处流向低温处的更具体描述或《物性论》趋匀原理具体应用。
蒸汽机靠水间接加热气化，膨胀体积来推动机械运动。而内燃机则直接燃烧燃料气化，直接推动机械运动，减少中间环节与间接热量消耗，以提高燃烧燃料的效率。燃料的燃烧过程是气化放热而气体的体积膨胀的过程，即化学能转化为热量与机械能的过程。但不管怎么样，燃烧本身就是热源之一，必向周围辐射热量，并使本身与周围气体加热，膨胀体积。燃烧热量如干木材为4000到5000卡/克，木炭为7000到7200卡/克，煤为6000到7500卡/克，汽油为11000卡/克左右等。而且作为机械动力还跟燃烧迅速程度密切相关的，汽油燃烧引燃温度（闪点）低且燃烧迅速，更易直接燃烧气化推动机械运动。急剧的燃烧反应往往构成爆炸，如炸药等。
三、问题讨论
热力学第二定律一直有人将其扩大化，甚至推广整个宇宙，引出热寂说。实际上热力学第二定律只是内能或温度趋匀表达方式，只是《物性论》趋匀原理的特例。随意扩大热力学第二定律适用范围，以为宇宙会在热平衡中死寂是毫无根据的。
热温商是元热量对热源温度之比为熵。关于熵的解释有所异义，熵增大多半解释为热运动不可逆过程。按熵的定义，熵的增大，在温度趋于平衡（即恒定常数）时，相应元热量增大，实际上是除内能外的其它能量方式转化而来的。
如果说热力学有第三定律话，那就是物态变换原理，即本文开头所提出：物态变换是微观分子不同交换方式的变换，并呈现出潜热原理。绝对零度不可能达到，本来就是热力学第二定律的特例。
参考资料：
1、《物性论-自然学科间交叉理论基础》 陈叔瑄著 厦门大学出版社1994年出版
2、《物性理论及其工程技术应用》 陈叔瑄著 香港天马图书有限公司2002年出版
3、《思维工程-人脑智能活动和思维模型》 陈叔瑄著 福建教育出版社1994年出版
4、《实用化学手册》 张向宇等编 国防工业出版社1986年出版
（发表于《当代创新专家文论大全》）