麻麻説：你該穿秋褲了~_風聞

中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-10-13 15:06

2019-10-13

原創：中科院物理所

你們有誰還記得，整個夏天都在喊天氣炎熱的小編，最近這幾天竟然被凍服了。

瑟瑟發抖的小編（但是沒有拉圍脖的人）

真是應了那句老話：“天道好輪迴，‘冷暖’饒過誰。”沒想到寒冷竟然來的如此猝不及防，猶記得那天還穿着半袖，第二天穿着半袖打開宿舍樓門的一剎那，我知道錯了。在風持續吹拂下，我的體表温度迅速下降，然後就是一連串的“噴嚏”。而反觀大家都裹得嚴嚴實實，留下了在冷風中凌亂並且打着噴嚏的小編。

打着噴嚏的小編

然後我就有了一個問題，熱量究竟是什麼呢？

熱與熱力學

Heat and thermodynamics

“我覺得”首先應該明確什麼是“熱”。在熱力學中，熱是固體，液體和氣體中的原子，分子或離子等微小粒子運動的結果。熱能可以從一個物體傳遞到另一物體。由於兩個物體之間的温度差而引起的能量傳遞或流動稱為熱量。[1]

熱的太陽，我想你了

對熱能的現代理解起源於湯普森(Thompson)於1798年提出的熱機械力學理論（關於摩擦激發的熱源的實驗性探究）。而後法國著名的軍事科學家和物理學家薩迪·卡諾（Sadi Carnot）在19世紀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—《關於火的動力學》，該書概述了卡諾熱機、卡諾循環和動力之間的基本能量關係，它標誌着熱力學作為現代科學的開始。所以卡諾通常被稱為“熱力學之父”，他的主要貢獻就是以他名字命名的卡諾熱機與卡諾循環（高中物理的噩夢）。[2]

卡諾熱機

隨後，也就是在十九世紀五十年代，差不多同時發現了熱力學第一定律和熱力學第二定律。

熱力學第一定律指出：一個孤立的系統的內部能量是恆定的，也就是大家耳熟能詳的能量守恆定律。而熱力學第二定律是指：熱量不能自發的從較冷的地方流動到較熱的地方，而由此引出了在非平衡系統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象。

看上去的能量守恆

而後發現的第三定律是：作為一個系統的温度接近絕對零度，所有的進程停止，該系統的熵接近最小值。也就是説系統不可能達到絕對零度。除了三大熱力學定律，還有一個基本的熱力學第零定律：如果兩個系統都與第三個系統處於熱平衡，他們也彼此熱平衡。[3]

兩個逐漸熱平衡的系統

熱力學發展至今已經發展出好幾個相關的分支，每個分支都是用不同的基本模型作為理論或實驗基礎，或者是將原理應用於各種類型的系統。主要分為：經典熱力學、統計熱力學、化學熱力學、平衡熱力學和非平衡熱力學等。[3]

熱力學與退火

Thermodynamics and annealing

當物體在加熱的時候，可以液化或者汽化從而變成液體或者氣體，到處移動。但是一旦冷卻下來，就只能變成固態，做一個靜靜的美男子。物體這樣，人其實也這樣。以前天氣暖和的時候，可以到處蹦躂到處跑，但是突然降温，添衣服不及時的話，就會發現，屋子裏才是待着最舒服的地方。

屋子裏最舒服

這個原理被稱為退火，本來這是一個冶金裏面的專有名詞，是對材料的一種處理手段。所謂退火，就是將材料加熱後再經特定速率冷卻，其目的是增大晶粒的尺寸，並減少晶格里面的缺陷。原本材料剛成型的時候，材料中的原子只會停留在能量局部最小值的位置，並不會自動優化到更好的結構。但是，一旦加熱，能量變大，原子就能夠隨機地在其他位置中移動。

退火

這種方法實在是很有效，其使用也遠遠地超出了材料領域。人們把這個算法抽象出來，用在實際問題中，用來求解全局的最值問題。我們可以設想有一個池子，池子裏面原本有很高的水位，所以到處都是水。隨着池子裏面的水位逐漸下降，能去的地方就只能是原來的小凹槽了，假設我們還可以晃一晃這個池子，讓水可以遍佈各個凹槽。水位繼續下降的時候，高的凹槽裏面的水會越來越少，我們最終也就得到了依概率收斂的系統全局最優解。這樣的算法就被成為「模擬退火算法」。

算法

如果退火冷卻時速度越慢，那麼原子就有更多的可能可以找到比原先更低的位置。換句話來説，誰都想摸魚，要給他們摸魚的時間，同理降温也不要降這麼快啊，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

How to warm yourself up

那麼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。

抱團取暖

熱能一般通過三種方式進行傳輸和流動，也就是熱傳導、對流和輻射。

在微觀尺度上，當快速移動或振動的原子（分子）與相鄰的原子（分子）相互作用時，就會將其一些能量轉移到這些相鄰的粒子中，這就是熱傳導。因為金屬還包括了自由電子的移動，所以它傳熱速度更快。傳導是固體內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，導熱性較低。[4]

熱傳導

而這預示着，你不能夠在冬天去舔大鐵門（雖然啥時候都不太行）！這樣子你不僅會和鐵門黏在一起，還會損失很多的熱量（是不是感覺賊虧）。而且熱傳導定律結合熱力學第二定律的話，為了保暖，我們應該去觸摸比體温温度更高的物體來吸收熱量，比如舍友的“脖頸”（逃）。

當然不會像這樣！！！

而流體主要的熱傳輸過程是對流，對流是指通過流體的運動將熱量從一個地方轉移到另一個地方，這一過程實質上是通過質量轉移進行的熱量轉移。流體的整體運動在許多物理情況下（例如，在固體表面和流體之間）增強了熱傳遞。對流通常是液體和氣體中熱傳遞的主要形式。當由於流體温度變化引起密度變化而引起大量流體運動（水流和水流）時，就會發生自然對流。[5]

全球對流情況

貓貓是液體，而人不是液體。所以這一條是不是不太適用？

是你在説我？

等等，但是人是活在流體的世界中的，比如周圍的空氣和水。又因為對流傳熱是由流體在人體表面上運動帶走的熱量，所以對流強度取決於接觸的身體表面積，空氣流速以及皮膚表面與周圍空氣的之間的温度梯度。而這個時候要想在冷風中立於不敗之地，一定要裹緊自己的小外套，不裸露自己的皮膚，這樣就可以讓冷風少帶走一些熱量。

清風吹拂

另一方面，如果我能和風一個速度，它是不是就帶走的少了呢？還更多的創造了熱？（我真的是太機智了）

最後一種熱傳遞方式就是熱輻射。熱輻射是物質以電磁波的形式把熱能發射出去，這是因為所有物質的温度都超過絕對零度，正因為熱輻射是電磁波，所以它可以在真空中傳播。熱輻射其實是物質中原子或分子隨機運動的直接結果，由於這些原子和分子由帶電粒子（質子和電子）組成，因此它們的運動會發射電磁波，從而將能量從表面帶走。[6] 雖然輻射通常對非常熱的物體或温差較大的物體很重要。