科技日報記者?張佳欣
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)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
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。
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)部分子熱運動強度的度量。
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)”?；谶@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?/span>
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(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)行所謂的布朗運動?！蔽靼嘌栏窭{達(dá)大學(xué)勞爾·里卡·阿拉爾孔教授解釋道?！八臏囟仍礁撸@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?！?/p>
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(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、微型貨物運輸馬達(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，是對第二定律的擴充。
“被我稱之為‘熱力學(xué)第2.5條定律’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?！卑驳滤拐f。
