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專業熱設計人必學必會182講---電子產品散熱設計理論視頻課程（國內首套有關散熱理論設計的系統培訓課程）

正文

       任何物質在常溫常壓都呈現一種狀態，在常溫常壓下水是液態，氧是氣態。這些固態、液態、氣態統稱為相態。物質所具備的物理特性，很大程度上取決于它的相態。我們平時所喝的水，當溫度在0℃下結成了冰，冰是固體，很難把堅硬有形的冰與柔軟流動的水相比。工程技術人員對鋼的強度、硬度關心備至，然而到了1400℃的高溫下，鋼鐵相態改變，熔成鐵水，錚錚鐵骨蕩然無存，強度、硬度也無從談起。我們所說的物質的物理特性，都是在一定相態下所具有的，相態變化--相變了，流水成了堅冰；鋼筋鐵骨成了鋼水鐵水，諸多的物理特性都面目全非。
　　眾所周知，溫度、壓力是物質相變的重要原因。（為了便于討論，我們先把引起相變的兩因素中，暫時固定一個，即在一個標準大氣壓下，溫度對相變的作用。）溫度的作用雖然至關重要，然而只有達到了某一特定值，相變才能發生，這就是我們熟知的熔點、沸點，在大多情況下，溫度變化并不能導致相變，只能使物質發生熱脹冷縮。

　　熱脹冷縮 

       隨著溫度的變化，物質會熱脹冷縮，溫度升高體積增大。人們已經很精密的測量到一些物體隨溫度升高時長度增加，精確地記錄了一些物體的線膨脹系數。
因為物質是是由原子構成，熱脹了，肯定是原子之間的間隙增大、或是原子半徑脹大了。為什么溫度升高能夠增加間隙、增大半徑？
　　"溫度"最初是人類對外界冷熱的感知，現代有了各種溫度計來測量物質的冷熱程度。溫度實質上就是核外電子運轉的速度。核外電子速率加快，宏觀的表現就是溫度升高。
核外電子繞著原子核快速運轉著，價和電子則是繞著兩個核心進行價和運轉。溫度升高，核外電子速率加快，使得向心力加大，運轉的半徑也略微加大，結構元也略微加大，宏觀的表現是熱脹。反之，溫度降低，核外電子速率降低，減小了向心力--運轉半徑--結構元，宏觀的表現是冷縮。
　　然而，有的物質是冷脹熱縮，如零下4℃的水和冰。

　　溫度的作用 

       溫度對物質形態及結構的作用是巨大的。而熱脹冷縮的這種熱脹是有限的，這個限度是隨著溫度的升高，物質自身的狀態發生了變化。
　　如果溫度壓力超過了一定限度，物質的形態會發生巨大的變化，物質不只是簡單的熱脹冷縮，而是物質的相態發生了變化--相變，即：隨著物質的溫度升高、固體能相變成液體、液體能相變成氣體。而且這種相變的是可逆的，即隨著溫度的降低、氣體能相變成液體、液體能相變成固體。相變了，物質的物理性質、機械性能發生了不可比擬的巨大變化。這樣的變化，外因是溫度壓力，內因是什么？現代教課書上把內因籠統地歸結為分子的熱運動，熱是怎樣使得分子運動的？分子在熱作用下是如何運動的？說得模糊含混。
　　相變在物質內是如何進行，原子之間是如何緊密地連系--形成固體；如何"松散"地連系--形成液體；如何又分道揚鏢--形成氣體？有的氣體物質如：水蒸氣，在大氣中僅占千分之幾，它們如何在"茫茫人海"找到同類、相聚成液體？原子之間是如何牽手分手，分子之間如何相聚相散，仍是當代科技研究的前沿課題。
　　本文的核心是正視電子的運動，探索核外電子的運動在物質構成、變化中所起的作用。在此，以核外電子的運動為線索，探討物質相變的本來面目。
　　原子的核外電子是運動、變化的，而且運轉速率與溫度直接相關。物質之所以呈現為氣、液、固態，溫度、壓力是外因，物質的電子運動狀態（線路、速率），及由此導致的結構元之間連接形式，則是構成物質相態的根本原因。
　　物質的結構形狀是由其電子運動狀態所決定的，溫度對電子運動狀態的作用是通過原子核來實現。以往囿于原子是化學反應的基本微粒的理論而把原子核看成一個僵化的質點，忽略了原子核對周圍電子的需求和控制作用。加之有些理論認為電子的運動是模糊的、不確定的。從而使研究工作陷入主觀盲目之中。
　　原子雖小，但它也有復雜的構成，是一個運動著的有機的整體。所有物質的核外電子有規定的數目、在有規律的層面（能級）、以規律的線路、規律的速率運轉著。在原子的最外層客觀地存在著各面對電子的需求、故而兩原子相互結合成結構元。
　　前已述及溫度就是核外電子運轉的速度。溫度升高則核外電子速率加快，反之溫度降低則核外電子速率減慢。溫度對物質的相變的作用是巨大的，實質上也就是說價和電子的運轉對物質相變的作用是至關重要的。

　　熔化 

       隨著外界溫度升高，一般物體都是由固體相變成液體--熔化（如鐵熔成了鐵水）；由液體相變成氣體（由水蒸發成水蒸氣）。千百年來人們總是在思索，這樣的變化是如何進行的？溫度是怎樣起作用的？
熔化是物質由固態相變成液態的過程，為此，先從固態物體的物質結構入手，在原子之間、在結構元之間看它是如何運動變化、是怎樣進行熔化的。
　　宏觀上看，固態物質有一定的自身形狀、有一定的剛性，能承受一定的外力，它不會象液體那樣充滿容器，又不會象氣體那樣被壓縮。固態是在較低溫度條件下的物質狀態、固態是物質的最低能量狀態。
物質的結構是由價和電子的運轉所形成，在固體物質中，位于原子外層、次外層的所有價電子全部參入價和運轉。價和電子的運轉的速率雖不是很高，但運轉線路在固定的平面卻相當穩定，價和力、電磁力的方向十分穩定，從而使各結構元的位置相對固定，形成了具有剛性的固體結構。
　　當物質的外電子數大于三時，物質是由結構元所連成的空間架體結構，構成了固體，價和力是其主要內力。
　　價電子數等于或小于三的物質一般是金屬，金屬物體則是由結構元之間穩定的電磁力把結構元相互吸引，使結構元整齊有序的排列，構成固體，電磁力是其主要內力。
　　可見，價和力和定向的電磁力是支撐物質固體結構的骨架，而相變成液態物質就喪失了這些骨架。價和力與電磁力都是價和電子運轉所至，所以，要了解相變，就必須關注價和電子的運動與變化。價和電子運動的線路和速率的變化，使得構成結構元的價和力和結構元之間的電磁力改變，物質的內聚力變化了、結構元之間的連接方式改變了，從而也改變了物質的相態。
　　在金屬物體或以電磁力為主的固體中，隨著外界溫度的升高，價和電子的速率升高，許多結構元擠在一起，不可能有更多的膨脹空間，于是，許多價和電子脫離了原相互穩定平行的平面軌道，在一定的角度范圍內圍繞兩核心進行空間立交的扭曲運轉，從而使得電磁力方向在一定角度范圍內搖轉，造成了電磁力方向紊亂，因而也導致了相鄰的結構元的電磁力方向的紊亂，這樣紊亂的電磁力使得結構元之間的的引力不穩，在外力的作用下容易換位移動，宏觀的表現是物體此時受到外力時很容易變形，物體的剛性降低、塑性增加。
　　當溫度進一步升高，價和電子的速率更高、扭轉角度更大，電磁力的方向更加紊亂，結構元失去了定向電磁力的支持，同時又受到側向電子間斥力的干擾，在物質內換位、滾動、轉向、重組。原來的金屬物體的剛性徹底消失--物體熔化了，相變成了液體。
　這樣，熔化的過程已經明朗了：溫度升高，導致了價和電子的運動速率加快并由平面進入到立交，形成了扭曲運轉，從而使得電磁力方向紊亂，結構元之間喪失了定向的連接，宏觀的表現就是熔化。
　　需說明的是在液體內部物質仍然以結構元的形式存在，這些結構元成鏈成團成環、時合時分，不能形成整齊連續的架體結構，但物質內仍有一定的價和力、電磁力，（但方向紊亂、瞬變），正是如此才構成了液體的內聚力，構成了液體內分子的布朗運動，構成了液體表面張力。
　　溫度降低時液體內結構元間電磁力較持久、結構元間聚合力增大，(鏈長團大）宏觀的表現就是粘度增大、表面張力增大。
　在熔化過程中，最先受熱的部分結構元的電磁力方向的紊亂，激化和干擾了鄰近的結構元也必須加快價和電子的速率以適應這種變化，電子加快速率必須吸收熱量，（吸收周圍物質的電磁波輻射，使周圍物質降溫。）宏觀的表現則是熔化時的吸熱現象。化雪時氣溫降低就是由這種吸熱所導致的。
　　凝固是熔化的逆過程，是由于溫度的降低，物質由液態相變成固態的過程。簡述為：溫度降低，價和電子速率下降，運轉線路由空間扭曲進入到穩定平面，電磁力方向穩定，結構元之間的位置相對固定，宏觀的表現就是凝固。凝固時物質一般都釋放熱量。

　　布朗運動 

        布朗運動是液體中懸浮的微粒所作的不規則的運動，也是研究液體內部運動的一種方式。取一滴稀釋了的墨汁放到顯微鏡下觀察，可以看到小碳粒在做無規則的布朗運動。
布朗運動是怎樣產生的呢？布朗運動產生于液體內部，產生于成鏈成團、時合時分的結構元，產生于價和電子的立體運動。
　　正如上文所述，熔化的發生--液體的形成，是由于在較高溫度條件下價和電子的立體運動。在這樣的立交運動中，價和電子是在上下扭曲地運轉著，在運轉的垂直方向所產生的電磁力的方向是晃動不穩的，同時，在扭曲運轉的平行方向伴生著相斥力，于是結構元之間的結合是不穩的。結構元時而結合時而分手，有時幾個結構元結合，上下運動、左右翻滾。外來的微粒到了這樣的環境里，時而被拉一把、時而被踢一腳，所受的吸力或斥力是極不規則的，受力的方向是紊亂的，因而也就形成了這人們眼中所看到的布朗運動。
實驗表明，布朗運動隨著溫度條件變化，溫度升高，運動激烈，溫度降低，運動趨緩。這種現象是與價和電子的運動是息息相關的，溫度升高，價和電子運動速率加大，運轉扭曲角度增加，立交范圍變寬，導致電磁力晃動加劇，結構元之間的翻轉運動加劇，液體內的結構元結合成的鏈短團小，內聚力減小，表面張力減小，布朗運動加劇。
　　布朗運動形式上是分子的運動，實質上是價電子的立交扭轉運動所致。溫度降低，整個情況與上相反，導致布朗運動趨緩。

　　氣化　　

       氣化是物質由液態相變成氣態的過程。若溫度進一步升高，價和電子速率進一步增高，運轉線路的扭轉角度越來越大,形成了包圍核心的空間立體運轉，空間立體運轉時，價和電子在其表面形成了一個包圍兩核心的飽滿的殼層，殼層之間價和電子相斥，斥力推開鄰近的結構元，于是一個個結構元（分子）就從液體中飄逸而出，占據較大的空間形成了氣態,此時，這些個結構元就形成了一個個氣體分子，如氧氣、氮氣等。正是由于殼層間的斥力使結構元之間盡量分離，于是就形成了氣體體積比液態時的體積要大上千倍，而且總是充滿空間。
　　如果是化合物，則是由幾個不同元素的原子，以共有價電子數趨向穩定的方式進行組合，相互結合成幾個緊密相連的結構元，價和電子在其間有規律地進行立體運轉，結合成三仁花生狀或其它狀的殼層，形成氣體。如 二氧化碳（O∞C∞O 氧- 碳-氧）、水蒸汽(H∞O∞H氫-氧-氫)等。（用"∞"代表價和運轉）。
　　物質呈氣態時，其價和電子的速率比液態時更高，具有更多的能量，所以物質在氣化時必須吸收大量的熱量。電冰箱、空調就是利用了物質在氣化時大量吸熱來制冷、降溫。
　　若外界壓力較大，液體中的價和電子必須具備更高的速率，才能使結構元間有較大的斥力，形成氣體。所以當氣壓較高時，液體必須在較高的溫度條件下才能沸騰，即壓力高，液體的氣化熱較高。
　　在元素周期表的最右邊有一族元素叫惰性物質，在常溫下，這些元素總是呈氣態，于是人們常把它們叫作惰性氣體。為什么惰性物質總是呈氣態？為什么很少見到惰性液體、惰性固體？大家了解了上述物質氣態的形成，也就不難回答這一問題了。惰性元素除了氦的核外電子是兩個，其它惰性元素的核外電子都是8個，原子的外層電子是均衡、穩定的，所以惰性物質的原子之間沒有價和運轉，不需要與其它原子結合構成結構元，（或者說單個原子自成結構元）從而，確立了元素的惰性。氦的2個均衡空間扭轉高速運行的電子；或其它惰性元素的8個均衡穩定的外層電子繞著一個核心，形成飽滿的殼層，斥力使得原子之間推開距離，形成氣體。只有在極低的溫度條件下，氦的兩個電子才由空間運轉轉入立交運轉，形成液態。其它惰性元素的8個核外電子總是均布在空間運轉，飽滿的殼層難以出現空缺，所以也就很難出現液化、難以呈現液態。熔點、沸點 溫度是使物質發生相變的關鍵因素，然而只有達到了某一特定值，相變才能發生。這就是我們熟知的熔點、沸點，不同的物質，其熔點、沸點是不一樣的，這也就是說不同物質其價和電子發生空間立交運轉的條件是不相同的。在20℃時，有的物質呈氣態，如氧氣，其價和電子在空間球面高速運轉；有的物質呈液態，如水，其價和電子在空間立交面運轉；有的物質呈固態，其價和電子在穩定平面運轉。一般來講，在常溫下呈氣態的物質的分子量較小，價和電子運轉受內層電子的牽連較小、速率很高。呈固態的物質的原子量較大，價和電子運轉線路平穩，速率相對低些。液態物質則介于二者之間。
　　物質熔點、沸點較高的物質，其原子直徑較小，價和電子與內層電子的層間較小、運轉受內層電子的牽連較大，速率相對較高，要改變其運轉線路--從平面到立交，即物體從固態熔化成液態，需要有更多的能量，也就是需要更高的溫度，所以熔點較高。
物質沸點的高低情同此理，不再贅述。

　　氣體的性質

       兩個（或幾個）空間運轉的價和電子形成一個橄欖狀、三仁花生狀或其它狀的殼層，其產生的電磁力方向肯定紊亂瞬變，于是導致了氣體的分子處在不斷變向的斥力或引力之中，因此就形成了氣體分子的不規則的布朗運動，并且也導致了氣體的其它許多性質：
　　結構元之間的斥力總是使氣體的分子盡量分離，向四面八方占據空間，于是，殼層間的斥力總是與外界的壓力達到某種平衡，即氣體內部的分子在不斷地相互"碰撞"（沒有實際的碰撞，只是相互接近、排斥，進行著氣體的布朗運動）。這樣，就導致了氣體內部的壓力，這壓力隨著氣體的密度、外界的溫度、壓力而變化，且向四周均勻傳遞。
　　氣體內的壓力是氣體分子之間的斥力形成的，外界壓力大，氣體分子之間的距離近，單位體積內的氣體分子多，分子之間的斥力也較大。如果外界壓力相同，（都是一個標準大氣壓，）那么氣體分子之間的距離相同，單位體積內的氣體分子就會一樣多，這樣就有了阿佛加德羅常數。（即在一個標準大氣壓下，單位體積內的氣體分子的個數都是6.02×10 ）.盡管不同分子的原子個數相差幾倍，但是分子的體積與所占空間相比是微不足道的，所以阿佛加德羅常數一般是準確的，適用于各種氣體。
由于氣體分子之間的距離較大，當外界壓力增大，可以使得氣體分子間距被擠小，這就形成了氣體的可壓縮性。當氣體被壓縮時，氣體的分子的間距被迫減小。分子之間的斥力增大，分子外圍的價和電子的運行受到鄰近分子斥力的干擾，價和電子就加速運轉，增加斥力，以抵御外力（外來干擾），這種加速運轉就形成了氣體被壓縮時的發熱升溫。
　若氣體的溫度升高、核外電子速率加快，使得結構元間的斥力增大，若體積不變，則壓力會增大。

　　凝華 

      凝華是由氣體相變成液體的過程。當溫度降低時，氣體物質的價和電子速率降低，氣體中某一種價和電子速率降低到不能形成飽滿的殼層，由空間立體運轉進入到扭曲運轉，在殼層出現破口，斥力減小，具有大致方向的電磁力顯現出來。這種帶有破口的氣體分子在空氣中轉擺滾動，同類物質的分子也都出現了相同的狀況，同類相逢就相互吸引，逐漸聚合成微小的液體。在空氣中，水蒸汽就這樣聚合成云，溫度降低，小液滴進一步聚合成大液滴，于是由云聚成了雨。
　　晚上靠近地面的水蒸汽就這樣在小草上聚集成露珠。小草在白天勤奮地進行著光和作用，光和作用中形成的氧帶走了熱量，使小草的溫度較低。晚上，氣溫降低，在較涼的小草附近，水蒸氣的價和電子速率首先降低，分子殼層出現破口，電磁力在破口處產生吸向小草，漸漸地附近更多的水蒸氣降溫，產生的電磁力與小草上那個先形成的電磁力相互吸引，如此越聚越多，逐漸聚成小露珠。
　　熱天，把冰棒放進杯子里，一會兒，杯子外面結出了一些小水珠，這些小水珠是從哪里來的？是空氣中的水蒸氣凝結而成，其凝結的過程與小草上露珠的形成是一樣的。
　　在分子的這種聚合中，彼此的價和電子都要降低速率，才能維持或加強這種相聚，于是聚在一起的分子都放出了熱量。這就形成了凝結時的放熱，這種放熱在天冷時不明顯，夏天，下雨前的悶熱就是由這種放熱所形成。
　　在較冷的空氣中，由于價和電子速率較低，空氣中的水蒸汽大部分都凝結成水或冰，所以冷空氣較為干燥。
　　空氣是氮、氧、二氧化碳等多種氣體的混合物，而液氮、純氧、干冰（固態的二氧化碳）在國民經濟中各有較大的用途，如何把它們從空氣中分離出來？在制氣工業中就是利用了不同分子的結構元在不同溫度條件下的價和電子的速率和線路的破口相聚凝結的特性，在很低溫度條件下，把空氣逐步冷凝，首先除去了水份，接著二氧化碳凝結成液體，進一步凝固成干冰，氧氣凝結成液態氧、氮氣凝結成液氮。升華 有些非金屬固體物質，在溫度升高時，它不是先相變成液體、再相變成氣體，而是直接由固態相變成氣態，這種相變形式叫升華。升華的過程是:當溫度升高，價和電子速率增加，并且也開始了空間運轉，然而這種物質有多個價電子，每個核心有多組價和電子圍繞，一組價和電子進行空間運轉，必然擠得別的價和電子無路可走，于是，核心回收了部分次外層電子，部分結構元解體，每個原子外不足四個結構元，不能建立空間架體結構。結構元失去了原來三維方位的價和力的支持，不能維持在原相對固定的位置，剩下的價和電子的速率立即升高，形成了圍繞核心空間的立體運轉。結構元間的斥力驟增，物質由固體直截相變成氣體，即形成了固體的升華。如碳、萘等都是直截由固體升華成氣體。溶解　　溶解是溶質的分子均勻地擴散到溶劑之中，與溶劑中的結構元重新組合，形成溶液的過程。固態物質如鹽溶解在水中，固體相變成液體；氣態物質如二氧化硫溶解在水里，形成了硫酸，氣態物質也相變了，所以不同相物質的溶解也存在著相變問題。
　　溶解的過程是溶劑中的價和電子（正在不斷組建或離散結構元）沖擠和損毀著溶質的結構元，使溶質中原有的結構元部分地解體，從而能較均勻地分散到溶劑中，與溶劑中部分結構元重新組合成一種新物質--溶液。
　　在溶液中，構成溶質、溶劑結構元的價和電子在其間自相、互相價和或解體，因此溶解的重要條件是溶質和溶劑的價和電子速率應一致或相互調節達到一致或成整數比，否則就不能溶解。在溶解時電子速率可塑性大的原子將增加或減少庫侖力以利調節電子速率，因而也導致了溶解過程中常伴生的吸熱或放熱現象。
　　在溶液中，溶質、溶劑的結構元部分解體，不同元素的原子相距很近，各原子都加強了對自身電子的控制以免被鄰近原子俘獲，于是庫侖力增加，各原子相互牽制以維持現有的共存狀態，保持現存的相態，不易達到沸騰和凝固，從而導致了溶液的沸點升高，凝固點下降，蒸氣壓降低。正因為溶液中各原子增加了內聚趨勢，故而也導致了溶劑向溶液的滲透現象。

THE END

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