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我们可以让凉水迅速变热,为什么不能让热水迅速变凉呢?

如题,除了用降温的方法还有什么办法么?

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评论 5

  1. #1

    所谓热量,就是物质分子的运动,如果物质分子『震颤』得越剧烈,温度就越高,如果『震颤』得越舒缓,温度就越低,如果完全不『震颤』,那就是绝对零度了。

    想象一下,你拿了一筐豆子,这些豆子外表相当润滑,差不多就相当于物质内的分子。现在,你要让这些豆子升温,也就是增加他们的热量,用各种方法都可以做到这一点,可以通过剧烈震动这个筐,让豆子颤动起来,也可以往筐里面扔一个炮仗,让豆子被冲击而动起来——所以让豆子(分子)动起来,可以很快达到,只要施加外力。

    现在,你想让已经动起来的豆子静止下来,也就是等同于让分子静下来减少运动,怎么办呢?因为每个豆子的『震颤』都是随机的,各自为战的,某个时刻,这个豆子是朝东运动,旁边的豆子朝西、朝南、朝北偏东10度、朝南偏西5.2度…….各种方向运动,你无法预测,也无法控制——也就是,你无法施加一个外力让这些各种方向运动的豆子静止下来。

    你能做的,是倒更多豆子进去,中和豆子的动量,或者让豆子去接触其他物体,吸收掉动能,这个过程,肯定比扔一个炮仗进去要慢得多。

    简单说来,温度就是分子运动的体现,让分子动起来可以很快快,让分子静下来慢没法很快,因为分子动起来是乱的。

    程墨Morgan1年前 (2023-02-18)回复
  2. #2

    升温容易降温难,这大约是人类最司空见惯,却又最难解释的自然现象了。

    因为现代热学从一开始就定了一个基调,即温度就跟时间、空间一样,是一个平直的变量,不同温度没有任何自然选择的差异。那么从高温到低温,和从低温到高温,理应是相互对称,满足细致平衡的。

    然而实际上呢?远古人类就学会了用火来加热食物,而发明冰箱来冷冻食物却是近代文明才有。我们似乎有无数种产生热量的方法,但降温方法却永远只有一种:相变。

    要回答为什么,我们不妨先来分析一下日常温度变化。显然,空气和水是对每日温度变化最敏感的物质,白天太阳升起时,辐照进入地球大气层,使得空气分子运动更加剧烈无规,也就是气温开始升高。

    问题来了,太阳辐射从直觉上看,理应是一束束有序的光线,这个光打在空气分子上,是如何令其力学运动变得无规则?传统热力学似乎解释不了这个问题。

    我们现在知道,太阳光作为非相干光源,它本身就是一个经典的热化系统。这个系统中光子的频率分布足够宽,当它被空气分子吸收时,会形成振动、转动等不同的激发态运动模式。分子多了之后,运动模式也足够多,所以一定可以满足各态历经假说。

    从这个角度去分析,即使微观的空气分子是经典可积系统,它与非相干光组合起来的混合系统也是不可积的。光子会像推倒多米诺骨牌一样让分子迅速热化,这个过程像雪崩一样自然发生,所以温度得以迅速升高。

    这个图像当然也适用于水,以及地球上的其它物质。不仅如此,无论是烧火,还是用电阻丝,其它加热过程无论释放的是化学能、还是电磁能,其本质均可以用玻色型的热辐射场来理解,与非相干光源有共同的统计规律。

    下面再来看降温的情况。到了夜晚,太阳下山以后,光照消失,空气开始缓慢地冷却。为什么不是迅速冷却呢?如果仅从吸热和放热角度看,这二者确实应该有相同速率。

    但如果是从热化的角度分析,没有光之后就只剩下空气分子自己,它们重新回到自身更高的对称性。此时,它们要想冷却,唯一的办法是发生对称性破缺,从而向宇宙空间释放自己的自由能,逐渐降低自己的温度,这也就是一开始讲的相变。

    释放自由能不像升温那么简单,系统需要有一个自组织过程去不断尝试,直到在高维空间中找到更小自由能的那个点并跳进去。这就像在泥水里随便跳跳衣服就脏了,要洗干净却要反复地搓打。

    所以,人体要降温最简单就是扇扇子,让水相变成水蒸汽带走热量。冰箱降温靠制冷剂的相变,地球降温也是靠海洋与大气中的水循环,一场秋雨一场凉嘛。这类水汽一级相变是唯一能让热化趋势逆向变化的自然现象,而相变的发生则依赖于对称性的自发破缺。

    由此推而广之,宇宙的降温是对称性破缺导致微观粒子的出现,地球的降温是对称性破缺导致固态星球的形成。相变几乎是宇宙中令温度降低的唯一工具。

    现代量子涨落理论已经证明了,宇宙热化的终态一定是温度无穷大的微正则分布。所以如果没有相变,我们生活的世界将以不可思议的速度迅速变热,直到归于寂灭。

    所幸我们生活在一个由水循环和碳循环保护的地球,这才让我们有了一个相对恒温的舒适环境,它很可能是宇宙中绝无仅有的。

    洗芝溪1年前 (2023-02-18)回复
  3. #3

    温度没有上限,但是有下限。

    100度热源的加热速度,跟-80度热源的制冷速度差不多。

    100度的热源很简单,800度的也日常。

    -80度的热源不好找吧,-800度的不可能。

    综上。

    李临川1年前 (2023-02-18)回复
  4. #4

    热力学第二定律:在自然条件下热量只能从高温物体向低温物体转移,而不能由低温物体自动向高温物体转移。

    这就是为什么人们能够让凉水迅速变热,而没办法让热水迅速变凉的原因。

    给凉水加热的时候,只需要注入能量(比如电加热)即可;而给热水降温的时候,则很多情况下得通过做功才实现。

    这就是制冷比制热的难度更高的原因。

    自然界中也是,热源更容易获得,烧把火就可以了;而冷源则比较少,比如井水,海底,雪山等。

    生活中更是,加热方式要更丰富;而制冷方式,主流的都是压缩制冷,当然也有热电制冷,但热电制冷的功率通常比较低。

    日常生活中,让饮用的热水迅速变凉最快的方式,是直接兑冷水。

    杯子里先接一小半的热水(比如1/4,100℃),然后再倒入冷水(3/4,20℃),这样混合得到的就是40℃的温水。

    而如果要比加热和冷却的速度,究竟是热的快,还是冷的快,这问题就复杂了,与物性变化有关,还与过冷度,以及过热度等有关。

    如果涉及到结晶问题,那除了传热过程,还有传质过程,以及界面的作用有关。

    比如经典的100摄氏度和50摄氏度的水结冰问题,姆潘巴通过实验观察到100摄氏度的水比50摄氏度的水先结冰[1]

    关于这问题还有不同的解释和争议,直观上会觉得热水降温速度快,是因为温度梯度大,对流速度快;但其实由于涉及到结冰问题,应该从结晶的角度去分析。

    参考

    1. ^http://scitech.people.com.cn/n1/2017/0908/c1007-29522884.html
    王之葵托利1年前 (2023-02-18)回复
  5. #5

    这是一个很有趣的问题。从物理学角度来看,我们可以将其解释为热力学的第二定律,即热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。这个定律解释了为什么凉水可以很快变热,但热水却不能很快变凉。

    首先,我们需要理解一些基本的热力学概念。热量是一种能量形式,它可以传递热量的物质被称为热媒介。热力学第一定律告诉我们,能量守恒,即在一个系统中,能量的总量保持不变。如果我们将热量从一个物体传递到另一个物体,热量的总量不会改变,只是从一个物体转移到了另一个物体。

    现在我们来看一下凉水迅速变热的原因。当我们将热水和凉水混合在一起时,热量会从热水中流向凉水中。这是因为热量总是从高温物体流向低温物体,以使两个物体的温度达到平衡状态。当热量从热水中流向凉水时,热水的温度会下降,而凉水的温度则会上升,直到两者的温度达到平衡状态。

    这种传热过程称为热传导。热传导的速度取决于温度差,传导距离,和材料的导热性质等因素。因此,当我们将凉水和热水混合在一起时,热量可以通过热传导很快地从热水中流向凉水中,使凉水迅速变热。

    但是,如果我们想要让热水迅速变凉,那么就需要将热量从热水中移除,使其温度降低。然而,根据热力学第二定律,热量不会自发地从低温物体传递到高温物体。这意味着我们不能简单地将热量从热水中移除,使其迅速变凉。

    当我们想要降低热水的温度时,通常会采用冷却方法,例如将热水放在冰箱中或者将冷水从水龙头中流过。这些方法都需要将热量从热水中移除,使其温度降低。这种移除热量的过程称为热传递。

    逻辑1年前 (2023-02-18)回复

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