互动科普

热从温度高的地方向低的地方传递

想要温暖身体，就打开暖气，或者喝热的饮料。反过来，想要降温，就开空调吹冷风或者洗个冷水澡。我们从经验中得知，“热在有温度差的物体之间传递”。

热在物体间传递时，到底发生了什么呢。让我们再一次回到热和温度的本源——分子、原子的振动。比如下图所示，用凉手拿着一罐热咖啡。在这种情况下，热会从热的咖啡罐传递到凉手上。热的咖啡罐表面的金属原子，因有一定的温度而激烈振动，另一方面，凉手上的分子并没有振动得那么剧烈。

注意，在罐子和手的交界处，振动程度不同的原子和分子正在互相接触。原子和分子之间不断碰撞，渐渐地，手上的分子受到金属原子振动的影响，振动也逐渐剧烈起来。也就是说，金属原子动能的一部分，传递给了构成手的分子。最终，罐子和手的温度差消失（即直到分子与原子的振动不再有差异），动能的传递停止。

烧开水的时候情况也是如此。火焰中所包含的高温气体分子，与锅底的金属原子碰撞，逐渐使锅底的金属原子的振动变得剧烈（也有火焰所发出的电磁波的加热，如辐射）。锅变热后，锅内侧的金属原子将影响水分子的运动，最终火焰中气体分子的能量就传递到锅里的水分子中去了。

用电使热从温度较低的物体向较高的物体传递

热会自发地从温度较高的物体向温度较低的物体传递。如果想要让物体的温度升高，只要让其与更热的物体接触就行；如果想要让其变冷，去与更冷的物体接触就好。如果没有特殊情况，热一定会从高温处向低温处移动。这就是热力学中的普遍原理：热力学第二定律。

但是，如果从外部施以能量，就可以使热从温度较低的物体向较高的物体移动。这个装置就是“热泵”。冬天用于取暖的空调，以及热泵式热水器都是应用热泵原理。热泵利用压缩机来传递热量。利用电能将热泵中的热媒（介质）压缩使之达到高温，从而放热使室内空气升温，或将水烧热。

图1. 利用气体的压缩和膨胀获取热量的“热泵”

图为空调制热时室内机和室外机运作模式的示意图。空调通过热机这种装置，从外部的空气获取热，把室内空气加热。空调内，循环着即使在非常低温时仍能在压力的作用下以气态存在的物质（热媒)。首先，使比外部空气更冷的热媒（液体）与外部气体接触而升温（1）。这时，热媒从外部气体吸收了大量的热，变成气态。其后，热媒在压缩机中被急剧压缩，变成高温高压的气体（2）。高温高压的气体被输入室内机，经过热交换机使室内空气升温（3）。这时，热媒损失了大量的热，变为液体。在这之后，热媒再次被运往室外机。在中途经过膨胀阀，被快速降压，变成比室外空气还要冷的低温液体（4）。通过这个循环的反复进行，使室内变暖。热泵中，为了压缩气体而使用了电能。由于从外部获取了能量，从更冷的外部空气中获得热量因此成为可能。

空气中既有“热”分子，也有“冷”分子

到此，我们已经说明了温度是原子或分子运动的剧烈程度。那么在某个温度下，气体中所含分子的速度全都是相同的吗？

比如，如果在1立方米中仅有数个分子，他们在空中以相同的速度运动可能没什么稀奇。但是，在实际的空气中，1立方米中含有10的19次方个（10000000000000000000个）之多的原子和分子，它们一边来回碰撞一边四处飞散。分子间的每次碰撞都会改变速度。因此，实在无法想象所有分子都以相同的速度运动。

实际上，某个温度下的气体所含的分子的速度，并不是一定的。由于空气中的原子或分子间会相互碰撞，速度快和速度慢的分子都普遍存在。也就是说，空气所含的气体分子中，不仅有运动快的“热”分子，也有运动慢的“冷”分子。气体的温度，是由这些以各种各样的速度运动的气体分子的速度分布来决定的。

在温度较高的空气中，整体来说以高速运动的分子的比例更高，反过来在较低温的空气中，运动慢的分子的比例较大。实际上，大量气体分子的速度各有不同。英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦表明，在一个平衡系统中，在某一特定速度范围的分子所占比例是确定的，满足“麦克斯韦分布”。

麦克斯韦分布，是气体温度一定时（热平衡状态）的气体分子的速度分布。因此，在出现热量转移时，气体分子的速度并不遵循这一分布。另外，即使在相同的温度下，如果气体分子质量不同，速度分布也并不相同。即使以相同的速度运动，质量大的粒子的动能更高。因此，在相同温度下（能量相同），由质量更大的分子构成的气体中，慢速运动的分子比例更大。

从麦克斯韦分布中可以看到，在300K（约27℃）的氮气中，既有速度为100米每秒的分子，也有以1000米每秒的速度高速运动的分子。但是，同一个粒子并不会始终以同样的速度运动。气体分子间会互相碰撞，因此总是在运动的同时改变速度和方向。

物质的“宿命”就是变得乱七八糟

像下图那样向咖啡中加入牛奶，不搅拌的话会怎么样呢？在放置很长时间以后，开始时仅仅占了一小部分空间的牛奶会扩散到整杯咖啡。比起各自分离，咖啡和牛奶无序地混合在一起才是更自然的。

实际上，我们周围的物体都背负着从如同咖啡和牛奶分离时的“有序”状态到两者混杂在一起的“无序”状态的宿命。描述这个无序或者物体的混乱程度的概念，就是“熵”。

在咖啡和牛奶相互分离时，是低熵状态（有序）。反之，在两者混合时则是高熵状态（无序）。如果想要让已经搅拌过的咖啡和牛奶回到原来相互分离的状态，必须通过外部来操作。然而，即使这样可行，包含外部在内全体的熵也始终在增大，绝不会减少。这就是“熵增原理”。

其实，描述热必然会从温度高的地方向温度低的地方移动的热力学第二定律与熵增原理所表现的本质相同。在物体内部存在温度差时，在不同的部位，构成物体的原子的运动的剧烈程度（动能）各有偏重（有序），即处于低熵状态。反之，在热传递后温度达到统一的情况下，原子运动的剧烈程度（动能）分散到整个物体（无序），是高熵状态。为使整体温度最终达成统一，热必然从温度高的地方向温度低的地方传递这一过程，毫无疑问是熵增过程。

图2. 混合后的牛奶无法复原

在咖啡中加入牛奶后，不搅拌而长时间放置，牛奶会自然扩散开。虽然牛奶和咖啡分属不同的物质，与互不干扰地保持各自的状态相比，两者在整体上均匀混合状态下的熵（混乱程度）更高。

现今生活中五花八门的热机

通过对自然界中各种各样的法则，尤其是对关于热的各种原理加以利用，我们的生活有了巨大的进步。以前，曾经有研究人员试图制作出不依赖外界能源而持续运作的热机（永动机）。而现在，通过热力学第一定律和热力学第二定律，人们已经明白永动机是无法实现的。

虽说永动机之梦破灭了，但现今也有以空调和冰箱以及汽车发动机和温差发电元件等为基础，巧妙地利用了热的性质设计出五花八门的装置。虽说本文话题是从高中物理所学的热力学为中心展开的，但试着找找身边有哪些例子利用了热的性质，也是很有趣的吧？

（本文发表于《科学世界》2016年第10期）