既然世界是热平衡的,为什么冷水加热很快,热水降温却很慢?

瞻云 2023-03-29 12:56:27

因为人类实在太渺小了,处于宇宙温度巨尺的底端,

获取热源很容易,但获取冷源很困难。

热量的传递依赖于温差,主要分为两种:热量的辐射和热量的传递。

热辐射:任何有温度的物体,都会对外辐射电磁波。

人体不同区域,温度越高热辐射通量也越高

根据公式,我们可以看出,热辐射通量和温度的四次方差成正比。也就是说,当环境温度不变时,随着温度的升高,热辐射带来的热量损失是四次函数提升的。

热量的传递分成热传导和热对流。

热传导:也即直接接触,高温向低温的传导。

从公式可以看出,当其它条件不变时,热传递的速度和温差成正比。

热对流:当接触面是液体或气体时,流体的流动所带走的热量。

地球内部的热对流现象

从公式可以看出,热对流的热量损失速度同样和温差成正比。

从以上三种主要的热量流失方式,我们可以看出:

当温差足够大的时候,热辐射为主导,热量损失速度随着温度升高四次函数增加。

当在较低温差范围内,热传递和热对流为主导时,热量流失速度和温差成正比。

我们知道当材料性质变化小时,比热容的变化也不大,我们可以近似把温度变化和热量变化等同。

这就决定了,要让水温度变化的速度加快,就需要足够大的温差。

增加温差有两种方式:

1、直接寻找热源或者冷源。

2、通过物质的物理、化学变化,直接制造热源或者冷源。

然而,人类所处的温度区间,决定了:

寻找热源比冷源更加容易,直接制造热源也比冷源更加容易。

宇宙最低温度为无限接近0K,已知最高温度为1.4亿亿亿亿K普朗克温度,人类宜居生活环境为300K左右,这就决定了,从宇宙范围来说,人类能寻找的冷源温差最大也就300K左右(实际超过100K的温差已经十分困难),而热源温差可以达到极高极高。

哪怕对于太阳系范围来说,温差上限也有6000K。

冷源和热源的上下限巨大梯度差异,决定了,相对于常温,人类能够达到的低温有限,而高温上限则很高。

在直接制造热源和冷源方面,物理方法成本相对较大(蒸发、凝固、升华、凝华等等)、化学方法永远是最迅速经济的。

理论上来说,一颗原子无论经历多少的化学变化,当它最后再恢复成一颗原子时,整个过程是热量守恒。

在所有的化学变化过程中,它吸收的热量和释放的热量是相等的。

理论上,所有的化学反应中,吸热反应和放热反应是等量的。

我们知道大部分的合成反应是放热反应,大部分的分解反应是吸热反应。

对于宇宙中的绝大多数化合物来说,1000K的温度以下,都是稳定的。尤其对于大多数的稳定化合物,往往需要达到1500K以上才会分解(例如,水分解就需要2000K)。

吸热反应大多数都在1500K的温度以上发生。

这也决定了,人类在化工领域,主要运用的都是放热反应,例如,燃烧、中和、金属氧化、铝热反应等等。人类可以通过燃烧等剧烈化学反应,轻松制造1000K左右的临时热源,所以加热凉水会很容易。

虽然通过吸热反应,让物体从数千K的温度往下降,是可以很迅速的。然而,对于生活温度范围在300K附近的人类来说,就只有极少的吸热反应能利用,要能迅速降温的就更少。

常温下,像碳酸钠晶体和硝酸氨晶体混合时的典型吸热化学反应,不仅成本很高,也很难全民普及型运用。

现实中,最经济适用的热水快速降温方法,还是把盆子放在冰水中。如果能源源不断提供0℃的冰水,且装热水的盆底足够的大,能够大大提高接触面积,热水的降温速度同样可以大大超过凉水的加热。

这种方法,其实就是尽量增大温差下, 并通过增加散热面积、减少散热厚度来让热量迅速流失。

当然,如果其它条件限定不变,影响结果的就只有温差。

其实,如果宇宙中生活着一种体温1850K的外星人,铁水是他们的饮用水。他们会认为1820K的铁水很凉,1950K的铁水很热。

在他们的知乎上,可能有人会问出这样的问题:

我们可以让热水迅速变凉,为什么不能让凉水迅速变热呢?

虽然这个问题下会有人通过化学反应来等方向来回答,但应该也会有人这么回答:

先问是不是,再问为什么。只要掌握了可控核聚变,就可以轻松让凉水迅速变热。除非,有某个高级文明,认为恒星中的流体是他们眼中的凉水。那样,他们的凉水要迅速加热,就困难得多了。除非……他们能用超新星迅速加热。

2 阅读:1752
评论列表
  • popx 7
    2023-04-29 14:25

    降温要把冰放在上面,加热要把火放在下面。你把冰块放杯子底下当然凉得慢[得瑟]

  • 2023-04-30 12:49

    虽然我是头牛,但是你弹的有助于我睡觉

  • 2023-04-09 12:38

    温差不一样,

  • 2023-04-26 07:54

    以“如何”思考物理问题更合适,“为何”不准确,也是主观思维。

  • 2023-05-02 08:06

    你得看在什么环境下了,你在广州的夏天降温自然是慢,但是你去东北的冬天试试

  • 2023-05-05 09:44

    你自己都说了,加热,当然快了,你给热水加冷,也快啊!

  • 2023-06-18 04:13

    同样加热功率,水的质量一样,温度高的开得快。用负100度,和正90度相比试试,这非常明显。

  • 2023-06-20 22:04

    熱對流的效率遠高于熱輻射。

  • 2023-04-07 06:54

    因为全宇宙也没有零下800度的冰箱

  • 2023-04-24 22:55

    热水降温通过空气散热,同样用热空气给水加温时间上是一样,这就是热平衡。用冰给热水降温,也可以把凉水雾化后加温,同样也是热平衡

  • 2023-05-07 21:42

    阴质吸热,天阳堕慢。

  • 2023-06-13 21:20

    一堆沙子,灌满水很快,让沙堆水流干,很慢。

  • 2023-06-13 21:21

    光子可以停留于原子之中 photon energy and photon behavior discussions

  • 2023-05-01 03:26

    冬天的时候你再来放这个屁?

  • 2023-04-30 20:17

    我夏天喝水为了让水凉的快都是一桶凉水,然后把杯子放凉水了,降的肯快的,有次渴的不行了,我把水倒进盘子里,降的也挺快的

  • 2023-05-08 00:39

    几百度的火加热,散热温度才多少度,你绝对零度降温我看看

瞻云

简介:科普作家,生物学、物理学领域创作者