作者:张佳欣 来源:科技日报 发布时间:2024/2/9 8:30:46
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加热总是比制冷快?“热力学第2.5定律”挑战传统预期

 

根据人们的生活经验,给物体加热似乎比使其变冷快得多。例如,当我们将食物放进微波炉,几分钟就能加热到100℃甚至更高;如果想让食物降低同样的温度,需要的时间要长得多。

传统热力学认为,加热和制冷本质上是彼此的“镜像”,这两个基本的热力学过程应该是对称的,遵循相似的路径。

然而,最近发表在《自然·物理》杂志上的一篇论文挑战了传统热力学的观点。欧洲研究人员利用二氧化硅微观球进行的实验表明,我们的生活经验对了,而传统热力学错了。他们揭示了加热和制冷的本质不对称性及其沿不同路径演化过程。

传统热力学定律解释了为什么热茶会变凉,但该定律并不能说明全部情况。

图片来源:《新科学家》网站

加热速度快于制冷速度

我们大多数人对温度有直观的感受。比如今天感觉热,那就是温度高;感觉冷,那就是温度低。然而,这都不是温度的本质。几个世纪以来,物理学家一直在争论如何准确定义温度。学校教科书也许会说,温度是物体内部分子热运动强度的度量。

热力学是研究热和其他形式的能量之间关系的学科,它把温度描述为衡量一个系统中所有原子可以拥有多少不同的值(比如速度或能量)配置的指标。这些配置被称为“微观态”。基于这一理解,传统热力学认为,加热和制冷本质上是对称的,是互为镜像的两个过程。不过,这一理论假设温度的变化情况是,要么缓慢发生,要么幅度很小。

当物体在很长时间段内升温或冷却时,传统热力学可能就“失灵”了,结果甚至可能与直觉相反。例如,热水比温水更容易冻结,这种现象被称为姆潘巴效应。

现在,西班牙格拉纳达大学与德国马克斯·普朗克多学科科学研究所的研究人员发现了一个新现象:电场作用下的二氧化硅微观球体在加热和制冷过程中表现出明显的不对称性,即加热速度快于制冷速度。

开展“温泉浴”小球实验

在微观层面,加热和制冷涉及系统内各个粒子之间能量交换和重新分配的过程。加热涉及到给单个粒子注入能量,加剧其运动;而制冷则是释放能量,抑制其运动。但为什么加热过程总是比制冷过程更有效率?

为了解答这一问题,新研究的重点是了解经历热弛豫的微观系统的动力学,即这些系统在温度变化时如何从某一状态演化到平衡态。为此,研究人员采用了复杂的实验装置观察和量化这个过程。

实验的核心是光镊,这是一种利用激光捕获由二氧化硅或塑料制成的单个微粒的强大技术。研究人员将微小的球体放入水中,并使用激光将其捕获。然后,通过施加电场来控制微粒周围环境的温度,类似于让微粒泡“温泉浴”,并测量粒子的抖动和移动程度。他们将这个过程重复了数万次。

用这种方法测量单个粒子,相当于对单一的微观态进行测量。对于由许多粒子组成的材料来说,这样的测量是不可能的,因为它们可能有不计其数的配置。但通过对单个微观粒子进行多次测量,该团队能够绘制出可能出现的微观态的数量。

“这些颗粒与水分子碰撞,以明显随机的方式移动。当它们被镊子限制在一个小区域时,它们会进行所谓的布朗运动。”西班牙格拉纳达大学劳尔·里卡·阿拉尔孔教授解释道。“水的温度越高,这些颗粒与水分子的碰撞更加频繁且剧烈,布朗运动也越强烈。”

另一方面,水的温度越低,单个粒子能量释放,运动受到抑制。

提出“热力学第2.5定律”

接着,研究人员测量了这些粒子通过加热或制冷在两个温度间转变时需要经历多少个不同的微观态。他们发现,相对于制冷过程,在加热过程中粒子所需经历的微观态数量较少,这意味着加热过程的速度更快。

他们提出了热运动学这一新理论框架,用以解释这种不对称现象。研究发现,任意两个温度之间的加热和制冷都具有不对称性,热运动学提供了一种定量解释这一现象的方法。

马克斯·普朗克多学科科学研究所的阿尔贾兹·戈德克表示,尽管还不清楚为什么会存在这种根本性差异,且这种差异也并不常见,但这种差异应该存在于任何一个加热或制冷幅度足够大的系统中。这是因为如此大幅度的温度变化通常引起系统本身的变化,如冻结或煮沸,从而掩盖了这一新观察到的效应。戈德克认为,这种不对称性可能很重要,有助于提高布朗热机、微型货物运输马达以及可自组装或自修复材料的效率。

热力学第二定律认为,热永远都只能由热处传递到冷处。例如,煮好的饭菜不及时吃掉会变凉;冰箱中取出的雪糕会吸收环境热量而融化。但英国埃克塞特大学的珍妮特·安德斯认为,第二定律没有谈及速度,而只谈及了可能性。新发现的效应几乎可以被认为是热力学的一个额外定律,是对第二定律的扩充。

“被我称之为‘热力学第2.5定律’的新理论认为,任何过程都可以发生,但其中某些过程要比反向过程耗时更长一些。”安德斯说。

 
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