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教材要改写了(物理教科书将被改写,科学家发现了一种前所未有的热传递方式)

更新时间:2022-10-27 19:31:20

综述

物理学中有很多的定律和理论,因为在很长的时间里都没有发现能够挑战其权威性的反例,所以也就成为了人们眼中的铁律,就像太阳东升西落一样,是绝对不可能有错的。

不过有些时候,技术的进步可以从一些新的角度对这些铁律形成挑战,比如我们接下来要讨论的这个的例子,科学家在真空当中发现了一种前所未有的热传递方式,可以让热量的传递不仅限于传统的几种途径,一些人也据此认为,物理教科书也应该被改写了。

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热传递

说到热量的传递,我们大概都还记得这样一些关键词,温度差、从高到低和三种方式,虽然这些特别划定的名词看起来似乎让人觉得陌生,但实际上它们广泛地存在于我们的生活当中,温度差很好理解,就是温度值上存在高低之分的现象。

就我们的日常生活来说,这个差距一般不会太大,但是我们却可以清晰地分辨出来,比如是热水还是冷水,是天冷还是天热,而当冷热两种感受同时存在于一个情境当中的时候,就很有可能会出现传递的现象,尤其是二者之间形成接触之后。

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最简单的例子,冬天的时候一些人很容易出现手脚冰凉的情况,而另外一些人却能像火炉一样持续保温,这时候如果两只手靠在一起,就能让温度从热的一方传到冷的一方,这也就是从高到低的意思,意思是温度只能从高的一边去到低的一边,但是反过来却不能做到,这也是热传递的基本性质。

热传递还存在于其它一些我们看不到的地方,比如大气、太空,而它们所采用的方式又是不一样的。

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就目前的物理研究来说,热传递被认为包含三种最根本的方式,分别是传导、对流和辐射。首先是热传导,它本质上是通过粒子层面的接触和位移等实现的能量转移,大部分的固态物体都是通过这种方式来传递热量的,当然在气体和液体当中也会部分用到。

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对于固体来说,它的导热能力好坏有很多影响因素,比如它本身的材质,所处环境的温度,当时的大气压强等等。

比如从材料上来看,金属的导热能力就是固体当中最强的。

热辐射跟传导不一样,它所依靠的不是分子,而是电磁波,这种辐射也不是某种物质特有的,只要是能被称得上是有温度的物体,都是存在热辐射的,而且这个温度值越高,辐射也就越强。

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跟传导不一样的是,热辐射不需要传播介质,甚至可以在真空中完成整个传递的过程,我们所获的太阳光就是这样来到地表的。

最后一种热对流,与其说它是传递,不如说它是位移,这种传递形式特别限于流体物质,由其中的质点来担任整个传递的使者,不过在实际的应用当中,对流通常会伴随着传导一起来完成。

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真空声子传热

按照中学物理教材的说法,这三种方式就是热量传递的全部内容了,但是就在2019年,一项新的研究却打破了这一陈规,科学家找到了第四种热量传递的方式。这项研究来自美国加州大学的伯克利分校,主题是真空声子传热

乍一听,这似乎也是某种形式的粒子传导,跟固体中的热传导可能没什么区别,不过声子虽然也有子,但是却和分子、原子这样的粒子不同,它本质上是能量中的结构单位,而且还有一点不同在于,它要想实现热传递,还需要另外的介质来帮助,我们很自然想到,这种所谓的声子肯定无法实现真空中的热量传递了。

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不过这个项目的突破口却正好在于此,大多数人都把真空视为零物质的空间,认为这里确实什么都没有,但实际上这种什么都没有只是一个结果,而真正的过程却是充满了粒子之间的对抗。

用专业说法来讲,真空的当中存在的叫做虚粒子,它们在性质上有正反的区分,而且一个正的虚粒子可以抵消一个负的虚粒子,而它们又像双生子一样总是同时出现。

结果就是,它们会在出现的瞬间消亡,也算是真正方生方死了。

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当然,要在实证的基础上说明真空不空这一点并不容易,科学家为了直观地展示出来,借助了它们之间的相互作用,然后用非常细微的材料进行了试探,结果也确实看到了一种靠近的趋势,证实了这些虚粒子的存在。

不过这也并不意味着它们就能担任热传递的使者,因为它本身的尺度非常细微,即便可以通过振动来实现,但是大概率也会被其它一些作用完全覆盖,伯克利分校的这个团队要做的就是去除这些作用的干扰。

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他们使用了专门制作的氮化硅薄膜,并且在上面加装了金属层,这样一来,薄膜就能加强粒子之间的温度差,把热传递集中到最高的程度,同时这个装置也能最大程度去除外部因素的干扰,让这些粒子实现有效的传递。

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结语

虽然就目前的研究来说,还存在一些小瑕疵,比如整体的传热效率还是不够高,应用价值也因此受到限制,但是比起这些,它的开创意义更值得关注,尤其是在航空航天领域,可以预见将会有极大的作用。

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