麻麻说：你该穿秋裤了~_风闻

中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-10-13 15:06

2019-10-13

原创：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，最近这几天竟然被冻服了。

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（高中物理的噩梦）。[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。