搜索
跳转到指定楼层
楼主
发表于 2020-2-19 10:11 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
热”究竟是什么?
作者: 潘羿 来源: 无主界 编辑: 1月29日

  • [url=][/url]
  • [url=] 评论[/url]
  • 550 阅览
  • [url=][/url]
[size=1em][size=1em]所属分类:科技/文教


[size=1.52]

[size=1.05em]某天,笔者在被窝里思考的时候,突然某种“神秘力量”问了我一个问题:“热是什么?”

物体的温度

[size=1.05em]本来已经睡眼惺忪的笔者,忽然来了精神。对啊,“热”是什么?通过对自己已有基础知识的回忆,笔者很自然的给出了“物体的温度是多少”的结论。但笔者很快否定了自己。因为这种“物体的温度是多少”的结论根本没有任何意义。它并没有实际解释“热”的含义,这只是利用了一个衡量热的单位解释了热的本质。这种解释的实质更像是一种文字游戏,一种自我论证。

分子的不规则运动

[size=1.05em]于是乎笔者想到了来自中学的知识,其中最为简单的解释便是热是来自于分子的不规则运动。当然在描述的准确性上,这里的“热”更加应该称之为内能。分子运动的越剧烈,内能越大,反之亦然。

[size=1em]

[size=1.05em]到了这一步,我们已经从宏观描述热的方式转到了微观热产生的原因。似乎至此,这种的解释已经可以被接受了。但真的是这样吗?并不是。如果仔细想一想,这种解释和之前的解释是没什么区别的。我们不妨问个问题:“为什么分子的不规则的运动导致了热的产生?”

热传导、热辐射、热对流

[size=1.05em]上述问题使我们知道,我们依然没有解释什么是“热”。要回答该问题,笔者很自然的想到能否从热的传递方式中找到热产生的原因。于是笔者罗列了热的传递方式:热传导、热辐射、热对流。

[size=1.05em]这三者我们能得到很多关于热的知识。首先,热传导是指当不同物体之间或同一物体内部存在温度差时,就会通过物体内部分子、原子和电子的微观振动、位移和相互碰撞而发生能量传递现象。这让我们知道,热本身确实是一种分子的无规则运动,这种运动会通过上述的几种方式进行传递。那么,反之若我们人为的隔断传递的途径,比如让物体周围真空,使热传导没法进行,那么自然也起到了“保温”的作用,现实中的例子便是各种真空杯。

[size=1.05em]当然,如今对于真空中的热传导有了新的认知,有兴趣的同学可以看《改写教科书?真空中可以进行热传导、传播声音》这篇文章。

[size=1em]

[size=1.05em]其次,热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。其现实应用就是保温杯内胆镀银反射热辐射实现保温的作用。这就很有意思了,从上面的热传导看是分子的无规则运动,而这边的热辐射居然把热定义成了辐射的电磁波。难道热的本身是有两种产生途径吗?

电磁波

[size=1.05em]并不是。我们通过上面对热传递不完全的描述知道了,热本身似乎有两个属性,一个是我们还未解决的疑惑——分子的无规则运动,另一个是热产生的辐射。笔者在这里想说,其实笔者不小心把大家带入了一个思维陷阱,分子的无规则运动于热辐射并不是并列关系,而是分子的无规则运动是导致热辐射的原因之一。

[size=1em]

[size=1.05em]所以,热是电磁波,是分子无规则运动产生的电磁波。也就是说,分子无规则运动导致了电磁波产生,进而导致了热。有此结论,似乎我们再一次了解了热是什么。但笔者相信,各位读者会问接下来的问题:“为什么分子不规则运动产生了电磁波?”

电子跃迁

[size=1.05em]原来,分子在运动时会相互碰撞,这便激活一些分子的表层电子,这些电子进入了不稳定状态,也就是激发态,这个过程就是电子跃迁。当电子从跃迁后的能级返回到低能级时,便会发出能量,这些能量是以电磁波的形式向外发射的。这类跃迁能量并不大,以波长较长的红外光的形式发射,也就是我们所说的热辐射。值得注意的是,这里的辐射方式并不是热的全部形式。

[size=1.05em]这使我们明白一个道理。在现实生活中,手机、Wi-Fi、基站产生的也是电磁波,我们可以不负责任的认为这也是一种“热辐射”,只是这种“热”的波长更长而已。因此像一些手机辐射致癌、Wi-Fi信号晚上要关闭等结论,笔者觉得实在有些无稽之谈。

[size=1em]

[size=1.05em]现在,我们似乎又更加接近“热”是什么了。虽然分子碰撞导致的电子跃迁并不是热的全部形式,但是我们能知道的是,电子跃迁可以导致热的产生。得到这样的结论,笔者相信,各位细想定会问接下来的问题:“为什么电子跃迁能产生电磁波?”

量子场论

[size=1.05em]我们终于到了这一步,我们要开始研究物理学的前沿——量子力学了。

[size=1.05em]笔者得承认,以笔者现在知识的积累,要想从量子场论角度解释清楚这类现象实在有些强人所难。

[size=1em]

[size=1.05em]笔者在这里就简单的给出了笔者认为较为靠谱的解释:在电子跃迁时,电荷分布是震荡的。例如氢基1S态波函数是f(r),2P波函数是g(r)cos(theta),两者都不具有电偶极矩,但是一叠加就会形成f(r)+g(r)cos(theta),这时电子分布得一边多一边少,具有电偶极矩。在跃迁过程中,电子就处在变化的叠加态中,也就是有震荡的偶极矩。所以这个跃迁也叫电偶极子跃迁。电偶极子跃迁是原子或原子核发射或吸收光子过程中最重要的一种跃迁。当然,另外还有磁偶极跃迁以及4极跃迁8极跃迁之类的。

[size=1.05em]从描述中,我们知道,“热”是一种场,是一种波,也是光子本身。这似乎已经到达了我们所能探索的最深处。悲哀的是,笔者相信,你我都明白,我们最终还是没能解释“热”究竟是什么。

现象思考

[size=1.05em]仔细思索,我们对于“热”探索的整个过程其实很具有代表性。每一次的成功解释带来了更多的问题,而解决这些问题的方法则给社会带来了很大的发展。

[size=1.05em]但对于我们个体而言。现今社会的教育更多偏向于应用学科。比如对于热的应用中有化学的熵、焓等,这能使我们很好的利用“热”本身的性质,但于此同时也限制了我们的视野,在不知不觉中形成了对事物的固有认知。对于这些认知,就如笔者所言只是一个现象解释另一个现象,根本不是事物的本质。

[size=1em]

[size=1.05em]出现这种情况,笔者觉得在情理之中。笔者对人的主观能动性持悲观态度,笔者认为人是没有任何想象力的。在没有观察到事物时,我们没有办法发现任何新的结论。也就是意识的绝对物质性。对于处于现代社会的我们,虽然面临着观察的极限,但同时由上述原因,观察本身的累积也已经达到了一定的高度;加之社会对快速应用观察的需求,这便使得我们容易迷失在观察与结论之间。




沙发
 楼主| 发表于 2020-2-19 10:14 | 只看该作者
改写教科书?真空中可以进行热传导、传播声音
作者: 潘羿 来源: 无主界 编辑: 1月29日

  • [url=][/url]
  • [url=] 评论[/url]
  • 226 阅览
  • [url=][/url]
[size=1em][size=1em]所属分类:科技/文教


[size=1.52]

[size=1.05em]在笔者之前的文章《“热”究竟是什么?》中,对于“热”本身进行了一些探讨。笔者在文中指出,对于热在真空中的传播只能通过热辐射的方式进行。然而,知识更新的速度很快。前段时间,由华人团队在natural杂志刊登的一篇论文,文中描述的实验验证:“热传导”是可以在真空中传递,甚至声音也能在真空中传播。

真空也会产生压力

[size=1.05em]1948年,一位名叫卡西米尔的荷兰物理学家预测,在真空中的两块中性的金属板会受到压力的作用而相互靠近。当金属板的距离缩小到10纳米,也就是大约100个原子直径时,真空施加的压力将会达到1个大气压。

[size=1.05em]十年后,他的预言得到了实验验证。

[size=1.05em]那么为何真空会产生压力呢?“真空”真的是空无一物吗?量子力学不这么认为。

[size=1.05em]量子力学认为,一个物体的位置和速度不可能同时测准,也就是说物体不可能完全静止下来(否则速度精确为零)。这也就意味着,即使处在最低能量的状态,能量也不可能为零。

[size=1.05em]因此,即使一个空间中没有任何原子、没有光的“真空”中仍然存在一些量子场的波动。就好像有无数弹簧和小球充满了我们所在的空间,而且在不停地振动。这种现象被物理学家叫做量子涨落

[size=1.05em]一般情况下,这些振动产生的效应是相互抵消的,但是,当两个非常平滑的金属板相互靠近时,金属板之间因量子涨落产生的电磁波会受到限制,只有一些特殊的波会存在,它们在金属板表面处的振幅必须为零。

[size=1em]

[size=1.05em]在金属板外,电磁波不会受到这样的限制,因此外部存在的电磁波模式会多于内部。由于外面的电磁波更多,产生的压力也更大,所以会产生一个总体向内的压力。这一物理现象被称为卡西米尔效应,真空产生的力也被叫做卡西米尔力

[size=1.05em]现实生活中,壁虎的脚能粘到墙上,是卡西米尔力宏观体现的一个例子。 壁虎的脚上有数万根刚毛,每一根都极其细小,小到每根刚毛和墙壁间的距离都只有纳米级。

[size=1em]

[size=1.05em]前面提到过,如果两个板的间距很小,那么卡西米尔效应可以施加非常可观的压力将两个板压在一起。所以,壁虎脚上的刚毛相当于产生了数万组卡西米尔效应,最终将它挂在墙上。通常,壁虎爬墙被解释为是由于刚毛和墙壁之间的范德华力。而范德华力是卡西米尔效应的微观角度描述,是分子尺度的卡西米尔效应,二者等价。

[size=1.05em]当然卡西米尔力会随着距离的增加而迅速下降,只有在亚微米的距离上才能观测到。因此直到纳米技术的发展才让观测卡西米尔力成为可能。

真空热传导

[size=1.05em]《“热”究竟是什么?》的文章中我们提到过,热量,是物体内部原子振动,物理学家把这种原子的集体振动叫做声子。声子不是真实的粒子,只是描述原子振动模式的一种“准粒子”。

[size=1.05em]在这些声子的作用下,物体的表面会随着时间而起伏。当两个物体相互靠近时,由于第一个物体表面的起伏,第二个物体因受到卡西米尔力的作用,也会同样起伏。于是乎,声子就这样穿过真空,传输到了第二个物体上。

[size=1em]

[size=1.05em]在声子传递的过程中,热量也随之进行了传递。当两者距离很小时,卡西米尔效应产生的热传导将超过热辐射,占据主导地位。

[size=1.05em]这种由卡西米尔力传导热量的现象,早在2011年就已经被理论模型所预测,但是这种效应太微弱了,很容易被其他现象掩盖。现在,加州大学伯克利分校的科学家们,通过实验精确测量了这种传热模式。

实验过程

[size=1.05em]那么如何证明真空中能实现热传导呢?团队在真空环境里放了两片氮化硅膜,它们之间相距几百纳米。两片氮化硅膜的尺寸不一样,一片是330×330微米,另一片是280×280微米,但厚度都是0.1微米。

[size=1em]

[size=1.05em]两片薄膜之所以面积不一样,是为了让二者在不同的温度下有相同的振动频率,让两片薄膜达到共振,更高效地交换能量。同时为了产生卡西米尔效应,科学家在每片氮化硅膜的两面都镀了金 (75纳米) ,在真空中反射电磁波。

[size=1.05em]另外,两侧还要用激光干涉技术来测量膜表面的分子热运动。其目的是避免热光加热 (Thermo-Optical Heating) 产生的影响,最大程度保证温度的升高就是来自真空热传导。于是,团队用最低功率的激光,以20dB的信噪比解决了基本频率下的热机械噪音。

[size=1em]

[size=1.05em]经过实验,研究人员发现,通过加热其中一片氮化硅膜,另一片氮化硅膜也被加热了,膜两侧出现了温度差。

[size=1.05em]根据热传导定律,温度差与两个相互作用的膜之间的传热量成正比。研究人员测量了在不同距离真空间隙的条件下,膜之间传递的热量。他们发现测量结果准确地符合了卡西米尔效应传热的理论估计值。

[size=1em]

[size=1.05em]至于温度是怎样测定的,团队依靠声子模式 (Phonon Modes) 的热布朗运动,来量化它们的温度变化。热布朗运动的测量,可以与膜表面的原子温度关联起来,所以也可以用作为衡量温度的工具。

[size=1.05em]他们发现,当膜之间的距离小于600纳米时,开始表现出其他现象无法解释的温度变化。在400纳米以下,热交换速率足以使两片膜很快达到几乎相同的温度。

[size=1.05em]研究人员由此计算出,大约需要50秒时间,才能将能量转移到一个可见光子中。这个数字看似微不足道,但研究人员指出,它仍然构成了“物体之间热量传递的新机制”。

研究意义

[size=1.05em]对于这项研究突破,论文共同一作李昊坤表示:

[size=1.05em]新传热机制的发现,为纳米级热管理开创了前所未有的机会,这对于高速计算和数据存储非常重要。现在,我们可以设计量子真空来提取集成电路中的热量了。

[size=1.05em]也就是说,对于受散热问题制约的计算机芯片及其他纳米级电子元件的设计工作而言,这一新的发现可能会产生深远的影响。随着电子设备尺寸变得越来越小,这一发现可能让硬件工程师来设计纳米尺度下中的散热。我们的硬盘就可能用到这项技术,在机械硬盘中,读写磁头到盘面的距离仅为3纳米。

[size=1.05em]还有网友认为,这样效应对微机电系统(MEMS)的设计也有重要意义:

[size=1.05em]根据维基百科,在10nm的间隔中,卡西米尔效应产生的压力相当于1个大气压。这是超微米尺度上的主要作用力。揭开这种力量的面纱将会帮助MEMS进一步小型化。

[size=1.05em]还有网友补充说,想来通过光刻技术制造各种尺寸芯片所需的光频率,与卡西米尔效应中的截止频率之间存在着对应关系。

[size=1.05em]不过也有网友指出,声音的音量呈指数衰减,因此在真空中听到声音的前提条件是,得像本实验中的氮化硅膜那样靠得非常近(0.0004毫米)。




板凳
 楼主| 发表于 2020-2-19 10:14 | 只看该作者
改写教科书?真空中可以进行热传导、传播声音
作者: 潘羿 来源: 无主界 编辑: 1月29日

  • [url=][/url]
  • [url=] 评论[/url]
  • 226 阅览
  • [url=][/url]
[size=1em][size=1em]所属分类:科技/文教


[size=1.52]

[size=1.05em]在笔者之前的文章《“热”究竟是什么?》中,对于“热”本身进行了一些探讨。笔者在文中指出,对于热在真空中的传播只能通过热辐射的方式进行。然而,知识更新的速度很快。前段时间,由华人团队在natural杂志刊登的一篇论文,文中描述的实验验证:“热传导”是可以在真空中传递,甚至声音也能在真空中传播。

真空也会产生压力

[size=1.05em]1948年,一位名叫卡西米尔的荷兰物理学家预测,在真空中的两块中性的金属板会受到压力的作用而相互靠近。当金属板的距离缩小到10纳米,也就是大约100个原子直径时,真空施加的压力将会达到1个大气压。

[size=1.05em]十年后,他的预言得到了实验验证。

[size=1.05em]那么为何真空会产生压力呢?“真空”真的是空无一物吗?量子力学不这么认为。

[size=1.05em]量子力学认为,一个物体的位置和速度不可能同时测准,也就是说物体不可能完全静止下来(否则速度精确为零)。这也就意味着,即使处在最低能量的状态,能量也不可能为零。

[size=1.05em]因此,即使一个空间中没有任何原子、没有光的“真空”中仍然存在一些量子场的波动。就好像有无数弹簧和小球充满了我们所在的空间,而且在不停地振动。这种现象被物理学家叫做量子涨落

[size=1.05em]一般情况下,这些振动产生的效应是相互抵消的,但是,当两个非常平滑的金属板相互靠近时,金属板之间因量子涨落产生的电磁波会受到限制,只有一些特殊的波会存在,它们在金属板表面处的振幅必须为零。

[size=1em]

[size=1.05em]在金属板外,电磁波不会受到这样的限制,因此外部存在的电磁波模式会多于内部。由于外面的电磁波更多,产生的压力也更大,所以会产生一个总体向内的压力。这一物理现象被称为卡西米尔效应,真空产生的力也被叫做卡西米尔力

[size=1.05em]现实生活中,壁虎的脚能粘到墙上,是卡西米尔力宏观体现的一个例子。 壁虎的脚上有数万根刚毛,每一根都极其细小,小到每根刚毛和墙壁间的距离都只有纳米级。

[size=1em]

[size=1.05em]前面提到过,如果两个板的间距很小,那么卡西米尔效应可以施加非常可观的压力将两个板压在一起。所以,壁虎脚上的刚毛相当于产生了数万组卡西米尔效应,最终将它挂在墙上。通常,壁虎爬墙被解释为是由于刚毛和墙壁之间的范德华力。而范德华力是卡西米尔效应的微观角度描述,是分子尺度的卡西米尔效应,二者等价。

[size=1.05em]当然卡西米尔力会随着距离的增加而迅速下降,只有在亚微米的距离上才能观测到。因此直到纳米技术的发展才让观测卡西米尔力成为可能。

真空热传导

[size=1.05em]《“热”究竟是什么?》的文章中我们提到过,热量,是物体内部原子振动,物理学家把这种原子的集体振动叫做声子。声子不是真实的粒子,只是描述原子振动模式的一种“准粒子”。

[size=1.05em]在这些声子的作用下,物体的表面会随着时间而起伏。当两个物体相互靠近时,由于第一个物体表面的起伏,第二个物体因受到卡西米尔力的作用,也会同样起伏。于是乎,声子就这样穿过真空,传输到了第二个物体上。

[size=1em]

[size=1.05em]在声子传递的过程中,热量也随之进行了传递。当两者距离很小时,卡西米尔效应产生的热传导将超过热辐射,占据主导地位。

[size=1.05em]这种由卡西米尔力传导热量的现象,早在2011年就已经被理论模型所预测,但是这种效应太微弱了,很容易被其他现象掩盖。现在,加州大学伯克利分校的科学家们,通过实验精确测量了这种传热模式。

实验过程

[size=1.05em]那么如何证明真空中能实现热传导呢?团队在真空环境里放了两片氮化硅膜,它们之间相距几百纳米。两片氮化硅膜的尺寸不一样,一片是330×330微米,另一片是280×280微米,但厚度都是0.1微米。

[size=1em]

[size=1.05em]两片薄膜之所以面积不一样,是为了让二者在不同的温度下有相同的振动频率,让两片薄膜达到共振,更高效地交换能量。同时为了产生卡西米尔效应,科学家在每片氮化硅膜的两面都镀了金 (75纳米) ,在真空中反射电磁波。

[size=1.05em]另外,两侧还要用激光干涉技术来测量膜表面的分子热运动。其目的是避免热光加热 (Thermo-Optical Heating) 产生的影响,最大程度保证温度的升高就是来自真空热传导。于是,团队用最低功率的激光,以20dB的信噪比解决了基本频率下的热机械噪音。

[size=1em]

[size=1.05em]经过实验,研究人员发现,通过加热其中一片氮化硅膜,另一片氮化硅膜也被加热了,膜两侧出现了温度差。

[size=1.05em]根据热传导定律,温度差与两个相互作用的膜之间的传热量成正比。研究人员测量了在不同距离真空间隙的条件下,膜之间传递的热量。他们发现测量结果准确地符合了卡西米尔效应传热的理论估计值。

[size=1em]

[size=1.05em]至于温度是怎样测定的,团队依靠声子模式 (Phonon Modes) 的热布朗运动,来量化它们的温度变化。热布朗运动的测量,可以与膜表面的原子温度关联起来,所以也可以用作为衡量温度的工具。

[size=1.05em]他们发现,当膜之间的距离小于600纳米时,开始表现出其他现象无法解释的温度变化。在400纳米以下,热交换速率足以使两片膜很快达到几乎相同的温度。

[size=1.05em]研究人员由此计算出,大约需要50秒时间,才能将能量转移到一个可见光子中。这个数字看似微不足道,但研究人员指出,它仍然构成了“物体之间热量传递的新机制”。

研究意义

[size=1.05em]对于这项研究突破,论文共同一作李昊坤表示:

[size=1.05em]新传热机制的发现,为纳米级热管理开创了前所未有的机会,这对于高速计算和数据存储非常重要。现在,我们可以设计量子真空来提取集成电路中的热量了。

[size=1.05em]也就是说,对于受散热问题制约的计算机芯片及其他纳米级电子元件的设计工作而言,这一新的发现可能会产生深远的影响。随着电子设备尺寸变得越来越小,这一发现可能让硬件工程师来设计纳米尺度下中的散热。我们的硬盘就可能用到这项技术,在机械硬盘中,读写磁头到盘面的距离仅为3纳米。

[size=1.05em]还有网友认为,这样效应对微机电系统(MEMS)的设计也有重要意义:

[size=1.05em]根据维基百科,在10nm的间隔中,卡西米尔效应产生的压力相当于1个大气压。这是超微米尺度上的主要作用力。揭开这种力量的面纱将会帮助MEMS进一步小型化。

[size=1.05em]还有网友补充说,想来通过光刻技术制造各种尺寸芯片所需的光频率,与卡西米尔效应中的截止频率之间存在着对应关系。

[size=1.05em]不过也有网友指出,声音的音量呈指数衰减,因此在真空中听到声音的前提条件是,得像本实验中的氮化硅膜那样靠得非常近(0.0004毫米)。




地板
发表于 2020-2-19 11:30 来自手机浏览器 | 只看该作者
不成熟的小建议:这种帖子是不是意义不大?
5#
 楼主| 发表于 2020-2-19 11:32 | 只看该作者
卞龙翔 发表于 2020-2-19 11:30
不成熟的小建议:这种帖子是不是意义不大?

挺有意思的,思考思考
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

Archiver|手机版|小黑屋|千帆网 ( )

GMT+8, 2020-4-5 05:21 , Processed in 0.037263 second(s), 16 queries .

Powered by Discuz! X3.4

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表