加熱總是比制冷快？“熱力學(xué)第2.5定律”挑戰(zhàn)傳統(tǒng)預(yù)期
根據(jù)人們的生活經(jīng)驗，給物體加熱似乎比使其變冷快得多。例如，當(dāng)我們將食物放進(jìn)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(tǒng)熱力學(xué)認(rèn)為，加熱和制冷本質(zhì)上是彼此的“鏡像”，這兩個基本的熱力學(xué)過程應(yīng)該是對稱的，遵循相似的路徑。
然而，最近發(fā)表在《自然·物理》雜志上的一篇論文挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)熱力學(xué)的觀點。歐洲研究人員利用二氧化硅微觀球進(jìn)行的實驗表明，我們的生活經(jīng)驗對了，而傳統(tǒng)熱力學(xué)錯了。他們揭示了加熱和制冷的本質(zhì)不對稱性及其沿不同路徑演化過程。
傳統(tǒng)熱力學(xué)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(xué)家》網(wǎng)站
加熱速度快于制冷速度
我們大多數(shù)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(zhì)。幾個世紀(jì)以來，物理學(xué)家一直在爭論如何準(zhǔn)確定義溫度。學(xué)校教科書也許會說，溫度是物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動強(qiáng)度的度量。
熱力學(xué)是研究熱和其他形式的能量之間關(guān)系的學(xué)科，它把溫度描述為衡量一個系統(tǒng)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(biāo)。這些配置被稱為“微觀態(tài)”。基于這一理解，傳統(tǒng)熱力學(xué)認(rèn)為，加熱和制冷本質(zhì)上是對稱的，是互為鏡像的兩個過程。不過，這一理論假設(shè)溫度的變化情況是，要么緩慢發(fā)生，要么幅度很小。
當(dāng)物體在很長時間段內(nèi)升溫或冷卻時，傳統(tǒng)熱力學(xué)可能就“失靈”了，結(jié)果甚至可能與直覺相反。例如，熱水比溫水更容易凍結(jié)，這種現(xiàn)象被稱為姆潘巴效應(yīng)。
現(xiàn)在，西班牙格拉納達(dá)大學(xué)與德國馬克斯·普朗克多學(xué)科科學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個新現(xiàn)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(xiàn)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?qū)嶒?/strong>
在微觀層面，加熱和制冷涉及系統(tǒng)內(nèi)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(yùn)動；而制冷則是釋放能量，抑制其運(yùn)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(jīng)歷熱弛豫的微觀系統(tǒng)的動力學(xué)，即這些系統(tǒng)在溫度變化時如何從某一狀態(tài)演化到平衡態(tài)。為此，研究人員采用了復(fù)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(qiáng)大技術(shù)。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(huán)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(fù)了數(shù)萬次。
用這種方法測量單個粒子，相當(dāng)于對單一的微觀態(tài)進(jìn)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(shù)的配置。但通過對單個微觀粒子進(jìn)行多次測量，該團(tuán)隊能夠繪制出可能出現(xiàn)的微觀態(tài)的數(shù)量。
“這些顆粒與水分子碰撞，以明顯隨機(jī)的方式移動。當(dāng)它們被鑷子限制在一個小區(qū)域時，它們會進(jìn)行所謂的布朗運(yùn)動。”西班牙格拉納達(dá)大學(xué)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(yùn)動也越強(qiáng)烈。”
另一方面，水的溫度越低，單個粒子能量釋放，運(yùn)動受到抑制。
提出“熱力學(xué)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(zhuǎn)變時需要經(jīng)歷多少個不同的微觀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)，相對于制冷過程，在加熱過程中粒子所需經(jīng)歷的微觀態(tài)數(shù)量較少，這意味著加熱過程的速度更快。
他們提出了熱運(yùn)動學(xué)這一新理論框架，用以解釋這種不對稱現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，任意兩個溫度之間的加熱和制冷都具有不對稱性，熱運(yùn)動學(xué)提供了一種定量解釋這一現(xiàn)象的方法。
馬克斯·普朗克多學(xué)科科學(xué)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(yīng)該存在于任何一個加熱或制冷幅度足夠大的系統(tǒng)中。這是因為如此大幅度的溫度變化通常引起系統(tǒng)本身的變化，如凍結(jié)或煮沸，從而掩蓋了這一新觀察到的效應(yīng)。戈德克認(rèn)為，這種不對稱性可能很重要，有助于提高布朗熱機(jī)、微型貨物運(yùn)輸馬達(dá)以及可自組裝或自修復(fù)材料的效率。
熱力學(xué)第二定律認(rèn)為，熱永遠(yuǎn)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(huán)境熱量而融化。但英國埃克塞特大學(xué)的珍妮特·安德斯認(rèn)為，第二定律沒有談及速度，而只談及了可能性。新發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)幾乎可以被認(rèn)為是熱力學(xué)的一個額外定律，是對第二定律的擴(kuò)充。
“被我稱之為‘熱力學(xué)第2.5定律’的新理論認(rèn)為，任何過程都可以發(fā)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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