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麻麻說：你該穿秋褲了~

2019-10-17 10:03 作者:二次元的中科院物理所 0人讀過 | 我要投稿

你們有誰還記得，整個(gè)夏天都在喊天氣炎熱的小編，最近這幾天竟然被凍服了。

真是應(yīng)了那句老話：“天道好輪回，‘冷暖’饒過誰。”沒想到寒冷竟然來的如此猝不及防，猶記得那天還穿著半袖，第二天穿著半袖打開宿舍樓門的一剎那，我知道錯(cuò)了。在風(fēng)持續(xù)吹拂下，我的體表溫度迅速下降，然后就是一連串的“噴嚏”。而反觀大家都裹得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，留下了在冷風(fēng)中凌亂并且打著噴嚏的小編。

然后我就有了一個(gè)問題，熱量究竟是什么呢？

熱與熱力學(xué)

“我覺得”首先應(yīng)該明確什么是“熱”。在熱力學(xué)中，熱是固體，液體和氣體中的原子，分子或離子等微小粒子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。熱能可以從一個(gè)物體傳遞到另一物體。由于兩個(gè)物體之間的溫度差而引起的能量傳遞或流動(dòng)稱為熱量。[1]

對(duì)熱能的現(xiàn)代理解起源于湯普森(Thompson)于1798年提出的熱機(jī)械力學(xué)理論（關(guān)于摩擦激發(fā)的熱源的實(shí)驗(yàn)性探究）。而后法國(guó)著名的軍事科學(xué)家和物理學(xué)家薩迪·卡諾（Sadi Carnot）在19世紀(jì)20年代也做出了類似的研究。與哥白尼一樣，卡諾只在1824年出版了一本著作—《關(guān)于火的動(dòng)力學(xué)》，該書概述了卡諾熱機(jī)、卡諾循環(huán)和動(dòng)力之間的基本能量關(guān)系，它標(biāo)志著熱力學(xué)作為現(xiàn)代科學(xué)的開始。所以卡諾通常被稱為“熱力學(xué)之父”，他的主要貢獻(xiàn)就是以他名字命名的卡諾熱機(jī)與卡諾循環(huán)（高中物理的噩夢(mèng)）。[2]

隨后，也就是在十九世紀(jì)五十年代，差不多同時(shí)發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律。

熱力學(xué)第一定律指出：一個(gè)孤立的系統(tǒng)的內(nèi)部能量是恒定的，也就是大家耳熟能詳?shù)?span id="s0sssss00s" class="color-purple-01">能量守恒定律。而熱力學(xué)第二定律是指：熱量不能自發(fā)的從較冷的地方流動(dòng)到較熱的地方，而由此引出了在非平衡系統(tǒng)的所有行為都是使其熵最大的熵增原理，第二定律基本解釋了自然界中的不可逆現(xiàn)象。

而后發(fā)現(xiàn)的第三定律是：作為一個(gè)系統(tǒng)的溫度接近絕對(duì)零度，所有的進(jìn)程停止，該系統(tǒng)的熵接近最小值。也就是說系統(tǒng)不可能達(dá)到絕對(duì)零度。除了三大熱力學(xué)定律，還有一個(gè)基本的熱力學(xué)第零定律：如果兩個(gè)系統(tǒng)都與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡，他們也彼此熱平衡。[3]

熱力學(xué)發(fā)展至今已經(jīng)發(fā)展出好幾個(gè)相關(guān)的分支，每個(gè)分支都是用不同的基本模型作為理論或?qū)嶒?yàn)基礎(chǔ)，或者是將原理應(yīng)用于各種類型的系統(tǒng)。主要分為：經(jīng)典熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、平衡熱力學(xué)和非平衡熱力學(xué)等。[3]

熱力學(xué)與退火

當(dāng)物體在加熱的時(shí)候，可以液化或者汽化從而變成液體或者氣體，到處移動(dòng)。但是一旦冷卻下來，就只能變成固態(tài)，做一個(gè)靜靜的美男子。物體這樣，人其實(shí)也這樣。以前天氣暖和的時(shí)候，可以到處蹦跶到處跑，但是突然降溫，添衣服不及時(shí)的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，屋子里才是待著最舒服的地方。

這個(gè)原理被稱為退火，本來這是一個(gè)冶金里面的專有名詞，是對(duì)材料的一種處理手段。所謂退火，就是將材料加熱后再經(jīng)特定速率冷卻，其目的是增大晶粒的尺寸，并減少晶格里面的缺陷。原本材料剛成型的時(shí)候，材料中的原子只會(huì)停留在能量局部最小值的位置，并不會(huì)自動(dòng)優(yōu)化到更好的結(jié)構(gòu)。但是，一旦加熱，能量變大，原子就能夠隨機(jī)地在其他位置中移動(dòng)。

這種方法實(shí)在是很有效，其使用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出了材料領(lǐng)域。人們把這個(gè)算法抽象出來，用在實(shí)際問題中，用來求解全局的最值問題。我們可以設(shè)想有一個(gè)池子，池子里面原本有很高的水位，所以到處都是水。隨著池子里面的水位逐漸下降，能去的地方就只能是原來的小凹槽了，假設(shè)我們還可以晃一晃這個(gè)池子，讓水可以遍布各個(gè)凹槽。水位繼續(xù)下降的時(shí)候，高的凹槽里面的水會(huì)越來越少，我們最終也就得到了依概率收斂的系統(tǒng)全局最優(yōu)解。這樣的算法就被成為「模擬退火算法」。

如果退火冷卻時(shí)速度越慢，那么原子就有更多的可能可以找到比原先更低的位置。換句話來說，誰都想摸魚，要給他們摸魚的時(shí)間，同理降溫也不要降這么快啊，我摸魚還沒有摸夠，還沒有退火完成找到最舒服的位置呢（哭）。

如何讓自己“暖”起來

那么熱量是如何在身上逃出去的呢？一般找到了原因也就可以找到解決問題的方法了，保暖也不例外。

熱能一般通過三種方式進(jìn)行傳輸和流動(dòng)，也就是熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。

在微觀尺度上，當(dāng)快速移動(dòng)或振動(dòng)的原子（分子）與相鄰的原子（分子）相互作用時(shí)，就會(huì)將其一些能量轉(zhuǎn)移到這些相鄰的粒子中，這就是熱傳導(dǎo)。因?yàn)榻饘龠€包括了自由電子的移動(dòng)，所以它傳熱速度更快。傳導(dǎo)是固體內(nèi)部或固體之間熱接觸的最重要的傳熱手段。流體，尤其是氣體，導(dǎo)熱性較低。[4]

而這預(yù)示著，你不能夠在冬天去舔大鐵門（雖然啥時(shí)候都不太行）！這樣子你不僅會(huì)和鐵門黏在一起，還會(huì)損失很多的熱量（是不是感覺賊虧）。而且熱傳導(dǎo)定律結(jié)合熱力學(xué)第二定律的話，為了保暖，我們應(yīng)該去觸摸比體溫溫度更高的物體來吸收熱量，比如舍友的“脖頸”（逃）。

而流體主要的熱傳輸過程是對(duì)流，對(duì)流是指通過流體的運(yùn)動(dòng)將熱量從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方，這一過程實(shí)質(zhì)上是通過質(zhì)量轉(zhuǎn)移進(jìn)行的熱量轉(zhuǎn)移。流體的整體運(yùn)動(dòng)在許多物理情況下（例如，在固體表面和流體之間）增強(qiáng)了熱傳遞。對(duì)流通常是液體和氣體中熱傳遞的主要形式。當(dāng)由于流體溫度變化引起密度變化而引起大量流體運(yùn)動(dòng)（水流和水流）時(shí)，就會(huì)發(fā)生自然對(duì)流。[5]

貓貓是液體，而人不是液體。所以這一條是不是不太適用？

等等，但是人是活在流體的世界中的，比如周圍的空氣和水。又因?yàn)閷?duì)流傳熱是由流體在人體表面上運(yùn)動(dòng)帶走的熱量，所以對(duì)流強(qiáng)度取決于接觸的身體表面積，空氣流速以及皮膚表面與周圍空氣的之間的溫度梯度。而這個(gè)時(shí)候要想在冷風(fēng)中立于不敗之地，一定要裹緊自己的小外套，不裸露自己的皮膚，這樣就可以讓冷風(fēng)少帶走一些熱量。

另一方面，如果我能和風(fēng)一個(gè)速度，它是不是就帶走的少了呢？還更多的創(chuàng)造了熱？（我真的是太機(jī)智了）

最后一種熱傳遞方式就是熱輻射。熱輻射是物質(zhì)以電磁波的形式把熱能發(fā)射出去，這是因?yàn)樗形镔|(zhì)的溫度都超過絕對(duì)零度，正因?yàn)闊彷椛涫请姶挪?，所以它可以在真空中傳播。熱輻射其?shí)是物質(zhì)中原子或分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的直接結(jié)果，由于這些原子和分子由帶電粒子（質(zhì)子和電子）組成，因此它們的運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)射電磁波，從而將能量從表面帶走。[6]?雖然輻射通常對(duì)非常熱的物體或溫差較大的物體很重要。