德国科学家提出“热力学第2.5定律”
参考消息网2月4日报道据英国《新科学家》周刊网站1月29日报道，根据一项拟议中的热力学新原理，加热某种东西总是要比让它冷却下来更快一些。这两个长期以来被物理学家们认为是同一枚硬币正反两面的过程，实际上似乎存在本质差异。
报道称，尽管大多数人对于什么是温度拥有直觉的理解，但几个世纪以来，物理学家们一直围绕某个精确的定义争论不休。学校教科书也许会说这是衡量某个系统中原子运动活跃程度的指标。但热力学——即研究热与其他形式能量间关系的学科——把温度描述为衡量某个系统中所有原子拥有多少种各项数值(例如速度或能量数值)配置的指标。这些配置被称为“微观态”。
基于这一理解，传统热力学认为，加热与冷却基本上是互为镜像的两个过程。不过，这一理论假设温度的变化是缓慢发生或小幅进行的。
当系统在很大的间隔时间内加热或冷却时，其中的物理学过程则没有得到人们的充分理解——而且结果可能是反直觉的。例如，热水结冰的速度要快于冷水，这一现象被称为姆潘巴效应。
现在，德国马克斯·普朗克多学科科学研究所的阿利亚兹·戈代奇及其同事发现，一个由电场迅速加热或冷却的二氧化硅微观球体似乎是以某种不均衡的方式进行加热或冷却的，即加热过程比冷却过程更加迅速。
戈代奇说：“这让人非常意外。到目前为止，我们知道这是真的，因为我们已证明了这一点，但我不认为我们可以说我们理解了发生这种状况的原因。”
戈代奇及其团队把这个微观球体置于水中，并用激光将其固定住。然后他们用电场对其进行加热或冷却，并测量该粒子抖动和移动的程度。他们数万次重复进行了这个过程。
以这种方式测量单个粒子相当于对某个单一的“微观态”进行测量。而对于由许多粒子组成的材料来说，由于它们存在不计其数的可能配置，这样的测量是无法进行的。但是，通过对单个微观粒子进行多次测量，研究团队得以详细推算出它可能具有的微观态数目。
接着，研究人员测量了这颗粒子通过加热或冷却在两个温度间转变时需要经历多少个不同的微观态。他们发现，相对于冷却过程，在加热过程中所需经历的微观态的数目较少，这意味着加热过程的速度更快一些。
戈代奇说，尽管还不清楚为什么会存在这种根本性差异，但这种差异应该存在于任何一个加热或冷却幅度足够大的系统中，尽管这样的差异通常难以看到。这是因为，如此大的温度变化通常会诱发系统自身的明显变化，例如冻结或沸腾，从而掩盖了这种新观察到的效应。他说，尽管如此，这种不对称性对于改善微型热机或发动机等微观系统的效率可能具有重要意义。
英国埃克塞特大学的珍妮特·安德斯说：“这是一项极其有趣的研究。真正重要的是考虑这项研究结果可以用来解释自然界中的哪些现象。”
安德斯说，戈代奇及其团队所发现的效应几乎可以被认为是一条额外的热力学定律。它是对热力学第二定律的扩充，第二定律认为热的东西总会冷却下来，除非有外力加以制止。她说：“第二定律没有谈及速度，它谈论的是可能性。而这条第2.5定律——我这样称呼它——认为加热和冷却都可以发生，但其中某些过程会比反向过程耗时更长一些。”（编译/曹卫国）