《飲 品 中 你 不 知 道 的 熱 力 學(xué)》

從圖片中可以看出美麗的冰冰姐左手拿著一杯飲品，面對(duì)著鏡頭微笑，那么這一杯飲品里到底有多少你不知道的秘密呢？帶著疑問開啟今天的學(xué)習(xí)吧。 探究一個(gè)物體的性質(zhì)首先就要確定這個(gè)物體是什么，一旦當(dāng)問題涉及到定義時(shí)，量子力學(xué)就會(huì)給予我無窮的知識(shí)，從而開始了每篇科普必備的我自己的防偽標(biāo)識(shí)，今天不想多講，只是因?yàn)楸?，但還是簡(jiǎn)單概括下，探究飲品的熱力學(xué)性質(zhì)，就要下一個(gè)定義，什么是飲品，或者說滿足什么樣的條件才能算得上是飲品，可是一切的一切都有一個(gè)大前提，我們要對(duì)這個(gè)物體進(jìn)行觀察，一觀察可就出事了，宏觀上看是沒什么事，我看了它一眼，很顯然，它并沒有改變什么，可是改變角度，這如果是極小的微觀世界呢，有人覺得宏觀和微觀有啥不一樣，我跟你講，差別非常大，通俗的不能再通俗地講，微觀是不確定的，它只能用概率去表示，先別急，薛定諤的那只神奇小貓咪還記得嗎，先來簡(jiǎn)單回顧下吧，假設(shè)有這樣一個(gè)密閉的、不透明的盒子，現(xiàn)在將貓放進(jìn)去，箱子里有一個(gè)裝置，這個(gè)裝置觸發(fā)的可能性為50%，如果裝置觸發(fā)，則貓咪死亡，若未觸發(fā)，則貓咪存活，那么我們?cè)撊绾闻袛噙@只貓的狀態(tài)呢？是觀察，觀察會(huì)帶給我們兩種結(jié)果，活貓或死貓，但都是確切的結(jié)果，那如果不打開觀察，那么這只貓就處于一種生與死的疊加態(tài)里，這時(shí)觀察就將這個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)從量子疊加態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)確定的狀態(tài)，由此可以得出結(jié)論：觀察會(huì)改變物體的狀態(tài)，也就是說我們無法為一個(gè)沒有觀察到的物體下定性，可一旦觀察便會(huì)改變物體的狀態(tài)。好了，話不多說，現(xiàn)在就開始吧 首先先來判斷一下飲品屬于什么，飲品是一種液體，我們常見的無非就是固、液、氣三態(tài)，知道的多一些的可能還會(huì)知道等離子態(tài)（就好比等離子電視什么的），對(duì)于物理所的凝聚態(tài)方向的大佬們?cè)偈煜げ贿^的就是玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，還有一種費(fèi)米子凝聚態(tài)，以上這些被稱為物質(zhì)六態(tài)，對(duì)于物質(zhì)來講，無非由分子、原子、離子組成，他們到底是怎樣組成的呢？使原子和原子或分子和分子結(jié)合起來的作用力稱為化學(xué)鍵化學(xué)鍵有強(qiáng)有弱，強(qiáng)的化學(xué)鍵有離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵，而弱的化學(xué)鍵有范德瓦爾斯鍵和氫鍵，現(xiàn)在開始講解這些個(gè)東西都是什么離子鍵最好理解，正電性元素（化學(xué)反應(yīng)中易失電子）和負(fù)電性元素（化學(xué)反應(yīng)中易得電子）組成晶體，正電性元素失去電子成為正離子，負(fù)電性元素得到電子成為負(fù)離子，正負(fù)離子之間的靜電力使它們結(jié)合在一起形成晶體，而這種在離子鍵作用下組成的晶體叫做離子晶體，最典型的莫過于NaCl晶體了吧 共價(jià)鍵講的是兩個(gè)相同的原子為什么會(huì)結(jié)合成為分子，它是因兩個(gè)原子共享它們的價(jià)電子而形成的，由于量子力學(xué)，在一定的量子態(tài)（成鍵態(tài)）中這種共有的價(jià)電子有很大的概率處于兩原子核聯(lián)線的中垂面附近在那里形成密度較大的電子云，電子云帶負(fù)電，原子核帶正電，于是就將原子核拉到一起，共價(jià)鍵的本質(zhì)依舊是靜電力，可是又多了一些量子力學(xué)的基礎(chǔ)，其實(shí)不只是同種原子，就算是不同種原子也會(huì)形成共價(jià)鍵，原子通過共價(jià)鍵形成的晶體叫做原子晶體，典型的就是金剛石，共價(jià)鍵還有兩個(gè)特點(diǎn)一是飽和性，二是方向性，這里不做細(xì)致了解 金屬鍵就是金屬中原子結(jié)合的力，孤立的金屬原子常有束縛較松散的外層電子，其余的電子形成束縛較緊的原子實(shí)，原子實(shí)是什么？在原子中原子核及除價(jià)電子以外的其他的內(nèi)層電子，與對(duì)應(yīng)惰性元素具有相同的封閉電子構(gòu)型部分的內(nèi)層電子組成原子實(shí)，當(dāng)幾個(gè)這樣的原子湊在一起時(shí)，外層電子被共有化，可以在整個(gè)晶體內(nèi)自由移動(dòng)，這些自由電子把原子實(shí)維系在一起形成有序的晶體，金屬鍵不像共價(jià)鍵那樣有飽和性和方向性，金屬原子總是盡可能地和別的原子“貼貼”，堆積在一起，這就是為什么金屬的密度都比較大的原因，金屬材料也具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，通電后，電子定向移動(dòng)形成電流，但電子的流動(dòng)并不完美，當(dāng)電子在材料中移動(dòng)時(shí)，原子會(huì)發(fā)生振動(dòng)，或者晶格中存在缺陷，電子運(yùn)動(dòng)就可能會(huì)與振動(dòng)的原子碰撞，發(fā)生散射，部分能量釋放給了原子，使原子振動(dòng)更劇烈，導(dǎo)致晶格振動(dòng)得更多導(dǎo)致金屬升溫，電流的熱效應(yīng)就產(chǎn)生了，金屬相比于其他的固體材料而言，它還具有延展性，這又是為什么呢？離子晶體內(nèi)的相鄰離子都是帶異種電荷的，一旦受力后，晶體從局部滑移，那么就變成了同種電荷相鄰，我們知道同性相斥異性相吸，所以原先原子所受的引力改為斥力，晶體破碎，再看看金屬的內(nèi)部，從上面可以看出原子實(shí)是浸沒在電子的海洋中的，所以再怎么受力，金屬鍵也依然存在，所以金屬在宏觀上就表現(xiàn)為延展性 以上呢就是三種強(qiáng)化學(xué)鍵的講解，接下來還有兩種弱化學(xué)鍵，強(qiáng)弱化學(xué)鍵的區(qū)別就在于受力對(duì)象（作用范圍）不同，強(qiáng)化學(xué)鍵是把原子或離子鍵合到一起，而弱化學(xué)鍵則是把分子和分子鍵合在一起 范德瓦爾斯鍵，看著名字一大串，實(shí)際用途也不少，提到壁虎，它的斷尾能力似乎要比它的攀爬能力出名很多，而它的攀爬也有著很多知識(shí)，例如壁虎爬墻與重力平衡的力是什么力，我想大部分人都會(huì)認(rèn)為是摩擦力，可事實(shí)上大部分的貢獻(xiàn)都是范德瓦爾斯力提供的，壁虎與小貓爬墻不同，壁虎的腳上有很多的小吸盤，這是壁虎與其他動(dòng)物最大的不同之處，再來看看范德瓦爾斯鍵，它與離子鍵一樣基本上也是靜電力，不過它不是帶電系統(tǒng)之間的吸引力而是整體不帶電系統(tǒng)之間的偶極力，為了方便理解偶極力，這里用磁的相互作用舉例小磁針有南北極，是磁偶極子，兩個(gè)小磁針之間的吸引力便是偶極力，小磁針也可以吸引本來未磁化的軟鐵釘，那是因?yàn)殍F釘在磁針的作用下暫時(shí)磁化了，再想想兩個(gè)未磁化的鐵釘可以相互吸引嗎，有人說會(huì)，因?yàn)殍F釘有質(zhì)量，有萬有引力，不過我們討論的是鐵釘之間會(huì)不會(huì)存在著磁力，經(jīng)典物理會(huì)說絕對(duì)不可能，可是你們的主講人是我，一個(gè)瘋狂拓展的人，那么這個(gè)問題量子理論宣稱這有一定的可能性，兩個(gè)極性分子間的偶極作用相當(dāng)于兩磁針之間的吸引力，極性分子可以誘導(dǎo)其他的分子極化相當(dāng)于磁針使鐵釘磁化，兩個(gè)無極分子（以上涉及到的無極分子和極性分子見下文詳解）就像兩個(gè)未磁化的鐵釘，它們之間的偶極相互作用只能用量子漲落來解釋，而量子漲落就需要你們自己去探求了，先告訴你們這是一個(gè)有關(guān)反物質(zhì)的效應(yīng)，剩下的就需要你們自己去探求，了解到這些后，再來看看，所有分子和原子正常情況下都不顯電性，但是它們正負(fù)電荷的“重心”有點(diǎn)可以重合，有的不可以重合，，可以重合的叫做無極分子，不可以重合的叫做極性分子，在適當(dāng)?shù)娜∠蛳拢瑑蓚€(gè)極性分子是可以互相吸引的，這是偶極子之間的靜電力，當(dāng)一個(gè)極性分子與另一個(gè)分子靠近時(shí)可促使后者的正負(fù)電荷分開，即產(chǎn)生誘導(dǎo)的偶極性因誘導(dǎo)偶極性而產(chǎn)生的吸引力叫做誘導(dǎo)力，經(jīng)典理論說：無極分子之間是沒有吸引力的，但是由于量子漲落效應(yīng)它們又會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的偶極性，這樣一來就會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極性，瞬時(shí)偶極性與誘導(dǎo)偶極性之間的作用叫做色散力，偶極的靜電力、誘導(dǎo)力、色散力總和叫做范德瓦爾斯力，現(xiàn)在你總該知道壁虎爬墻的原理了吧 氫鍵是由氫原子參與的一種特殊類型的化學(xué)鍵，但其實(shí)具體來講我還生怕講不好，生怕舉了一些錯(cuò)誤的例子（不想寫了），所以我決定簡(jiǎn)單提一嘴，其實(shí)氫鍵本質(zhì)上也是一種范德瓦爾斯鍵，只不過具有一定的飽和性和方向性，冰在融化成水、水在沸騰時(shí)都會(huì)有氫鍵斷裂，從而釋放能量，氫鍵決定了水的一系列化學(xué)性質(zhì)，氫鍵也在生命中起著非常重要的作用 這是五大化學(xué)鍵，以上說的都是固體，氣體和液體我便不詳細(xì)展開，有機(jī)會(huì)一定會(huì)著重講一下這其中的轉(zhuǎn)換過程……（沒機(jī)會(huì)了） 講了這么多始終也沒見到熱力學(xué)一點(diǎn)東西，別急，這就來了 一杯飲品有的是由速溶粉加水沖泡出來，可是我們似乎沒見到過一杯飲品自發(fā)的變?yōu)轱嬈贩酆退?，這是為什么呢？這個(gè)就是熱力學(xué)第二定律——熵增定律，今天詳解來了 首先先要知道怎么去表述出來，我們可以從宏觀去描述，相應(yīng)的我們也可以從微觀去描述，宏觀的描述是克勞修斯說的：熱量無法從自發(fā)的從低溫物體流向高溫物體而不產(chǎn)生影響。而微觀的描述是玻爾茲曼提出的：一個(gè)封閉系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會(huì)自發(fā)減小。這就是熵增定律的由來，先來看宏觀上的解釋，看著看著，我就有了個(gè)疑問，空調(diào)明明可以將冷空氣吹到熱的屋子里，這不就違反熱力學(xué)第二定律了嗎？其實(shí)你能想到的早就有人替你想過了，注意，定義中提到了“自發(fā)”兩個(gè)字，那空調(diào)是不是自發(fā)的呢？那肯定不是了，空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)是因?yàn)槔锩嬗袎嚎s機(jī)在工作，設(shè)定溫度與室外溫度相差不大的時(shí)候就可以適當(dāng)?shù)摹懊~”，如果溫差很大，那可就是“職場(chǎng)精英”了 說了那么多，什么是熵呢？熵是一個(gè)用來描述物理系統(tǒng)混亂程度的物理量，一個(gè)屋子很久都沒有人去住，那么很久以后，里面會(huì)落灰，還可能會(huì)有蜘蛛網(wǎng)，現(xiàn)在將屋子想象為封閉系統(tǒng)，里面的各種東西比作微觀粒子，可以得出結(jié)論，一個(gè)封閉系統(tǒng)只會(huì)越來越亂，注意這里強(qiáng)調(diào)了封閉，是指不受外界任何影響 那就會(huì)想，如果不封閉會(huì)怎樣，它始終與外界有能量交換，這里就是最后一個(gè)知識(shí)點(diǎn)——耗散結(jié)構(gòu)了，我決定輕松地以一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，拿出家里的平底鍋，鍋中加入薄薄的一層水，在火上加熱，之后打開上面的抽油煙機(jī)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)水并沒有沸騰，而是以六邊形的結(jié)構(gòu)排列起來（可能不會(huì)成功，但理論可行），這就是耗散結(jié)構(gòu)對(duì)熵增定律的影響了，一個(gè)封閉系統(tǒng)會(huì)熵增，那向系統(tǒng)輸入能量反而會(huì)得到新的秩序，我們生物又何嘗不是耗散結(jié)構(gòu)的偉大作品呢？在遠(yuǎn)古的地球，雷電、地震、火山噴發(fā)……正是這些惡劣的自然環(huán)境為生命的誕生提供了能量，才得以有現(xiàn)在的地球和多種多樣的生命 現(xiàn)在已經(jīng)是尾聲了，一杯飲品便有如此奧秘，有沒有被知識(shí)洗禮呢，又有什么收獲呢？下期見~

下期節(jié)目——《從光學(xué)到核物理》 —敬請(qǐng)期待