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麻麻说:你该穿秋裤了

Posted On By smile

  来源:中科院物理所

  你们有谁还记得,整个夏天都在喊天气炎热的小编,最近这几天竟然被服了。


瑟瑟发抖的小编(但是没有拉围脖的人)

  真是应了那句老话:“天道好轮回,‘冷暖’饶过谁。”没想到寒冷竟然来的如此猝不及防,犹记得那天还穿着半袖,第二天穿着半袖打开宿舍楼门的一刹那,我知道错了。在风持续吹拂下,我的体表温度迅速下降,然后就是一连串的“喷嚏”。而反观大家都裹得严严实实,留下了在冷风中凌乱并且打着喷嚏的小编。


打着喷嚏的小编

  然后我就有了一个问题,热量究竟是什么呢?

  热与热力学

  Heat and thermodynamics

  “我觉得”首先应该明确什么是“热”。在热力学中,热是固体,液体和气体中的原子,分子或离子等微小粒子运动的结果。热能可以从一个物体传递到另一物体。由于两个物体之间的温度差而引起的能量传递或流动称为热量。[1]


热的太阳,我想你了

  对热能的现代理解起源于汤普森(Thompson)于1798年提出的热机械力学理论(关于摩擦激发的热源的实验性探究)。而后法国著名的军事科学家和物理学家萨迪·卡诺(Sadi Carnot)在19世纪20年代也做出了类似的研究。与哥白尼一样,卡诺只在1824年出版了一本著作—《关于火的动力学》,该书概述了卡诺热机、卡诺循环和动力之间的基本能量关系,它标志着热力学作为现代科学的开始。所以卡诺通常被称为“热力学之父”,他的主要贡献就是以他名字命名的卡诺热机与卡诺循环。[2]


卡诺热机

  随后,也就是在十九世纪五十年代,差不多同时发现了热力学第一定律和热力学第二定律。

  热力学第一定律指出:一个孤立的系统的内部能量是恒定的,也就是大家耳熟能详的能量守恒定律。而热力学第二定律是指:热量不能自发的从较冷的地方流动到较热的地方,而由此引出了在非平衡系统的所有行为都是使其熵最大的熵增原理,第二定律基本解释了自然界中的不可逆现象。


看上去的能量守恒

  而后发现的第三定律是:作为一个系统的温度接近绝对零度,所有的进程停止,该系统的熵接近最小值。也就是说系统不可能达到绝对零度。除了三大热力学定律,还有一个基本的热力学第零定律:如果两个系统都与第三个系统处于热平衡,他们也彼此热平衡。[3]


两个逐渐热平衡的系统

  热力学发展至今已经发展出好几个相关的分支,每个分支都是用不同的基本模型作为理论或实验基础,或者是将原理应用于各种类型的系统。主要分为:经典热力学、统计热力学、化学热力学、平衡热力学和非平衡热力学等。[3]

  热力学与退火

  Thermodynamics and annealing

  当物体在加热的时候,可以液化或者汽化从而变成液体或者气体,到处移动。但是一旦冷却下来,就只能变成固态,做一个静静的美男子。物体这样,人其实也这样。以前天气暖和的时候,可以到处蹦跶到处跑,但是突然降温,添衣服不及时的话,就会发现,屋子里才是待着最舒服的地方。


屋子里最舒服

  这个原理被称为退火,本来这是一个冶金里面的专有名词,是对材料的一种处理手段。所谓退火,就是将材料加热后再经特定速率冷却,其目的是增大晶粒的尺寸,并减少晶格里面的缺陷。原本材料刚成型的时候,材料中的原子只会停留在能量局部最小值的位置,并不会自动优化到更好的结构。但是,一旦加热,能量变大,原子就能够随机地在其他位置中移动。


退火

  这种方法实在是很有效,其使用也远远地超出了材料领域。人们把这个算法抽象出来,用在实际问题中,用来求解全局的最值问题。我们可以设想有一个池子,池子里面原本有很高的水位,所以到处都是水。随着池子里面的水位逐渐下降,能去的地方就只能是原来的小凹槽了,假设我们还可以晃一晃这个池子,让水可以遍布各个凹槽。水位继续下降的时候,高的凹槽里面的水会越来越少,我们最终也就得到了依概率收敛的系统全局最优解。这样的算法就被成为‘模拟退火算法’。


算法

  如果退火冷却时速度越慢,那么原子就有更多的可能可以找到比原先更低的位置。换句话来说,谁都想摸鱼,要给他们摸鱼的时间,同理降温也不要降这么快啊,我摸鱼还没有摸够,还没有退火完成找到最舒服的位置呢(哭)。


  如何让自己“暖”起来

  How to warm yourself up

  那么热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决问题的方法了,保暖也不例外。


抱团取暖

  热能一般通过三种方式进行传输和流动,也就是热传导、对流和辐射。

  在微观尺度上,当快速移动或振动的原子(分子)与相邻的原子(分子)相互作用时,就会将其一些能量转移到这些相邻的粒子中,这就是热传导。因为金属还包括了自由电子的移动,所以它传热速度更快。传导是固体内部或固体之间热接触的最重要的传热手段。流体,尤其是气体,导热性较低。[4]


热传导

  而这预示着,你不能够在冬天去舔大铁门(虽然啥时候都不太行)!这样子你不仅会和铁门黏在一起,还会损失很多的热量(是不是感觉贼亏)。而且热传导定律结合热力学第二定律的话,为了保暖,我们应该去触摸比体温温度更高的物体来吸收热量,比如舍友的“脖颈”(逃)。


当然不会像这样!!!

  而流体主要的热传输过程是对流,对流是指通过流体的运动将热量从一个地方转移到另一个地方,这一过程实质上是通过质量转移进行的热量转移。流体的整体运动在许多物理情况下(例如,在固体表面和流体之间)增强了热传递。对流通常是液体和气体中热传递的主要形式。当由于流体温度变化引起密度变化而引起大量流体运动(水流和水流)时,就会发生自然对流。[5]


全球对流情况

  猫猫是液体,而人不是液体。所以这一条是不是不太适用?


是你在说我?

  等等,但是人是活在流体的世界中的,比如周围的空气和水。又因为对流传热是由流体在人体表面上运动带走的热量,所以对流强度取决于接触的身体表面积,空气流速以及皮肤表面与周围空气的之间的温度梯度。而这个时候要想在冷风中立于不败之地,一定要裹紧自己的小外套,不裸露自己的皮肤,这样就可以让冷风少带走一些热量。


清风吹拂

  另一方面,如果我能和风一个速度,它是不是就带走的少了呢?还更多的创造了热?(我真的是太机智了)

  最后一种热传递方式就是热辐射。热辐射是物质以电磁波的形式把热能发射出去,这是因为所有物质的温度都超过绝对零度,正因为热辐射是电磁波,所以它可以在真空中传播。热辐射其实是物质中原子或分子随机运动的直接结果,由于这些原子和分子由带电粒子(质子和电子)组成,因此它们的运动会发射电磁波,从而将能量从表面带走。[6] 虽然辐射通常对非常热的物体或温差较大的物体很重要。


一个物体的热成像图

  麻麻叫我穿的秋裤

  Mom told me to put on my long pants。

  这个时候就需要拿出看家本领——麻麻认为该穿的“秋裤”。这个不仅可以减少空气对流带走的热,还能减缓辐射带走的热,并且能够在接触凉板凳的时候,也能减少与凉板凳过度接触造成的热量损失。哇咔咔,简直是防寒利器


  可是我看了看在门口的自己,什么都没有。

  不说了,今天不出门了,我要回被窝里慢慢等着了。

  因为:说出来你可能不信

  下个月,就有暖气了!!!


下个月抱住暖气的小编