加熱總是比制冷快？“熱力學第2.5定律”挑戰傳統預期
根據人們的生活經驗，給物體加熱似乎比使其變冷快得多。例如，當我們將食物放進微波爐，幾分鐘就能加熱到100℃甚至更高；如果想讓食物降低同樣的溫度，需要的時間要長得多。
傳統熱力學認為，加熱和制冷本質上是彼此的“鏡像”，這兩個基本的熱力學過程應該是對稱的，遵循相似的路徑。
然而，最近發表在《自然·物理》雜志上的一篇論文挑戰了傳統熱力學的觀點。歐洲研究人員利用二氧化硅微觀球進行的實驗表明，我們的生活經驗對了，而傳統熱力學錯了。他們揭示了加熱和制冷的本質不對稱性及其沿不同路徑演化過程。
傳統熱力學定律解釋了為什么熱茶會變涼，但該定律并不能說明全部情況。
圖片來源：《新科學家》網站
加熱速度快于制冷速度
我們大多數人對溫度有直觀的感受。比如今天感覺熱，那就是溫度高；感覺冷，那就是溫度低。然而，這都不是溫度的本質。幾個世紀以來，物理學家一直在爭論如何準確定義溫度。學校教科書也許會說，溫度是物體內部分子熱運動強度的度量。
熱力學是研究熱和其他形式的能量之間關系的學科，它把溫度描述為衡量一個系統中所有原子可以擁有多少不同的值（比如速度或能量）配置的指標。這些配置被稱為“微觀態”。基于這一理解，傳統熱力學認為，加熱和制冷本質上是對稱的，是互為鏡像的兩個過程。不過，這一理論假設溫度的變化情況是，要么緩慢發生，要么幅度很小。
當物體在很長時間段內升溫或冷卻時，傳統熱力學可能就“失靈”了，結果甚至可能與直覺相反。例如，熱水比溫水更容易凍結，這種現象被稱為姆潘巴效應。
現在，西班牙格拉納達大學與德國馬克斯·普朗克多學科科學研究所的研究人員發現了一個新現象：電場作用下的二氧化硅微觀球體在加熱和制冷過程中表現出明顯的不對稱性，即加熱速度快于制冷速度。
開展“溫泉浴”小球實驗
在微觀層面，加熱和制冷涉及系統內各個粒子之間能量交換和重新分配的過程。加熱涉及到給單個粒子注入能量，加劇其運動；而制冷則是釋放能量，抑制其運動。但為什么加熱過程總是比制冷過程更有效率？
為了解答這一問題，新研究的重點是了解經歷熱弛豫的微觀系統的動力學，即這些系統在溫度變化時如何從某一狀態演化到平衡態。為此，研究人員采用了復雜的實驗裝置觀察和量化這個過程。
實驗的核心是光鑷，這是一種利用激光捕獲由二氧化硅或塑料制成的單個微粒的強大技術。研究人員將微小的球體放入水中，并使用激光將其捕獲。然后，通過施加電場來控制微粒周圍環境的溫度，類似于讓微粒泡“溫泉浴”，并測量粒子的抖動和移動程度。他們將這個過程重復了數萬次。
用這種方法測量單個粒子，相當于對單一的微觀態進行測量。對于由許多粒子組成的材料來說，這樣的測量是不可能的，因為它們可能有不計其數的配置。但通過對單個微觀粒子進行多次測量，該團隊能夠繪制出可能出現的微觀態的數量。
“這些顆粒與水分子碰撞，以明顯隨機的方式移動。當它們被鑷子限制在一個小區域時，它們會進行所謂的布朗運動。”西班牙格拉納達大學勞爾·里卡·阿拉爾孔教授解釋道。“水的溫度越高，這些顆粒與水分子的碰撞更加頻繁且劇烈，布朗運動也越強烈。”
另一方面，水的溫度越低，單個粒子能量釋放，運動受到抑制。
提出“熱力學第2.5定律”
接著，研究人員測量了這些粒子通過加熱或制冷在兩個溫度間轉變時需要經歷多少個不同的微觀態。他們發現，相對于制冷過程，在加熱過程中粒子所需經歷的微觀態數量較少，這意味著加熱過程的速度更快。
他們提出了熱運動學這一新理論框架，用以解釋這種不對稱現象。研究發現，任意兩個溫度之間的加熱和制冷都具有不對稱性，熱運動學提供了一種定量解釋這一現象的方法。
馬克斯·普朗克多學科科學研究所的阿爾賈茲·戈德克表示，盡管還不清楚為什么會存在這種根本性差異，且這種差異也并不常見，但這種差異應該存在于任何一個加熱或制冷幅度足夠大的系統中。這是因為如此大幅度的溫度變化通常引起系統本身的變化，如凍結或煮沸，從而掩蓋了這一新觀察到的效應。戈德克認為，這種不對稱性可能很重要，有助于提高布朗熱機、微型貨物運輸馬達以及可自組裝或自修復材料的效率。
熱力學第二定律認為，熱永遠都只能由熱處傳遞到冷處。例如，煮好的飯菜不及時吃掉會變涼；冰箱中取出的雪糕會吸收環境熱量而融化。但英國埃克塞特大學的珍妮特·安德斯認為，第二定律沒有談及速度，而只談及了可能性。新發現的效應幾乎可以被認為是熱力學的一個額外定律，是對第二定律的擴充。
“被我稱之為‘熱力學第2.5定律’的新理論認為，任何過程都可以發生，但其中某些過程要比反向過程耗時更長一些。”安德斯說。
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