先問個(gè)經(jīng)典的問題：為什么鐵鍋能炒菜？我知道你們有點(diǎn)懵，但是這其實(shí)是個(gè)比較嚴(yán)肅的問題。要知道，在鐵鍋出現(xiàn)以前，中原地區(qū)的人幾乎沒有“炒”這個(gè)概念，烹飪食物一般都是采用燉煮蒸的方法。那當(dāng)時(shí)烹飪的容器呢？那當(dāng)然是陶器啦。
問題就出在這個(gè)陶器上：陶器的加熱很慢，放熱也很慢。換個(gè)專業(yè)點(diǎn)的說法就是導(dǎo)熱性很差。如果你吃過砂鍋牛肉一類的東西，你一定會(huì)被叮囑過砂鍋很燙——畢竟上桌的時(shí)候不是用夾子夾上來就是用厚毛巾裹著端上來。
但是問題又來了，為什么不能等砂鍋完全熱了再倒油炒菜呢？
如果去問萬能的奶奶或者外婆，炒菜需要注意什么？她們八成會(huì)回答一個(gè)詞兒：“火候?！背床诵枰蠡鹈统?，這就是火候。那有人就要問了，為啥砂鍋不能大火猛炒呢？還是因?yàn)樯岬膯栴}。你一定聽說過熱脹冷縮這個(gè)東西。砂鍋實(shí)際上是陶瓷類制品，導(dǎo)熱性較差，驟冷驟熱會(huì)導(dǎo)致鍋體受熱膨脹的速度不一樣 。炒菜時(shí)鍋內(nèi)油溫較高，驟然放進(jìn)涼的菜，加上鍋體的內(nèi)力不均勻，砂鍋很容易就會(huì)炸開。相比較下，鐵鍋無論是導(dǎo)熱性能還是結(jié)實(shí)程度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于砂鍋，因此適合大火猛炒。當(dāng)然在鐵鍋出現(xiàn)前，中國(guó)不是沒有金屬器皿。但是青銅器皿產(chǎn)量不多，那只能是貴族使用。廢話說了這么多，下面終于要進(jìn)入正文了——為什么固體導(dǎo)熱率差別如此之大呢？首先咱們都知道，日常見到的東西都是由更小一級(jí)的東西構(gòu)成的。無論是有生命的還是無生命的東西，基本上都是由有機(jī)無機(jī)分子原子離子——為了中和陽離子電荷會(huì)有電子存在，這個(gè)下面會(huì)具體介紹——等等構(gòu)成的。當(dāng)然原子離子可以繼續(xù)細(xì)分，這個(gè)就不在我們討論之內(nèi)了。如果有人問我中子星怎么解釋，我只想說：一般來說，物質(zhì)都具有三態(tài)——像氦那種開量子效應(yīng)掛的除外——分別是固液氣。在液體和氣體中，組成物質(zhì)的微粒并不固定在空間里固定一點(diǎn)，而是不斷地運(yùn)動(dòng)改變位置。這些微粒之間會(huì)互相碰撞，碰撞的時(shí)候也會(huì)互相交換能動(dòng)量。所以如果你在微觀世界里看，液體和氣體就是超級(jí)多的碰碰車在瘋狂相撞，但是撞完之后碰碰車完好無損，只是交換了能動(dòng)量。
那“熱量傳遞”該怎么解釋呢？物理上定義熱量是能量轉(zhuǎn)移的度量，因此本質(zhì)上是能量的交換。對(duì)于氣體來講，一個(gè)最簡(jiǎn)單的模型是理想氣體模型，氣體的內(nèi)能只和分子平均動(dòng)能有關(guān)，而平均動(dòng)能又是和溫度有直接關(guān)系溫度的。因此對(duì)一坨氣體加熱的過程也就可以理解為不斷增加氣體的平均動(dòng)能，然后在不斷碰撞中全體氣體的平均動(dòng)能都增加，溫度也就升高了。對(duì)于液體，雖然分子間勢(shì)能已經(jīng)不可忽略，這個(gè)模型也是可以用來定性分析的。那么對(duì)于固體呢？這個(gè)模型顯然是失效了。因?yàn)楣腆w中的粒子是在穩(wěn)定的位置附近振動(dòng)的——也就是說，根本談不上碰撞，也沒辦法用碰撞理論來解釋導(dǎo)熱了。那固體就不導(dǎo)熱了嗎？不能夠啊，不然鐵板燒存在的意義是什么呢？那固體導(dǎo)熱機(jī)理是啥呢？這就要講到固體物理中一個(gè)極為重要的概念——準(zhǔn)粒子。剛才提到過，固體中的粒子是在穩(wěn)定的位置附近振動(dòng)的。物理上對(duì)振動(dòng)有個(gè)簡(jiǎn)單的處理方式——諧振子，就是把這一長(zhǎng)串的粒子看成一大坨彈簧的疊加。至于彈簧的動(dòng)能和勢(shì)能，這是十分容易寫出的。
實(shí)際上這種處理方式僅限于晶體，因?yàn)榉蔷w不屬于嚴(yán)格意義上的固體，而是屬于粘稠度極大的液體。著名的瀝青實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。這似乎能解釋為什么非晶體的導(dǎo)熱一般都比較差。 那這些等效彈簧會(huì)不會(huì)互相影響呢？這是必然的，哪有這么好的彈簧安排（樂）。但是利用線性代數(shù)可以證明，通過一系列的坐標(biāo)變換，可以化簡(jiǎn)為同樣數(shù)量的、各自獨(dú)立的彈簧。變換之后獨(dú)立的坐標(biāo)稱為“簡(jiǎn)正坐標(biāo)”，在簡(jiǎn)正坐標(biāo)下處理就簡(jiǎn)單得多。而諧振子模型還有另一層含義：量子效應(yīng)。
在量子力學(xué)中，諧振子的能量是量子化的，只能取分立的值。此外，當(dāng)一長(zhǎng)列粒子在穩(wěn)定位置附近振動(dòng)時(shí)，這實(shí)際上對(duì)應(yīng)了量子場(chǎng)論的一個(gè)模型：一維弦的量子化。因此如果采用量子的語言來解釋，諧振子的振動(dòng)模式在行為上可以對(duì)應(yīng)到一些新粒子，每次諧振子能量的升高都對(duì)應(yīng)著產(chǎn)生粒子。這些粒子攜帶著動(dòng)量與能量，相互之間也能發(fā)生能動(dòng)量交換。但是這些新粒子并不實(shí)際存在，僅僅是因?yàn)榭梢缘葍r(jià)描述諧振子的振動(dòng)而被構(gòu)造出來。因此它們被稱為“準(zhǔn)粒子”。在固體物理中，粒子在晶格中的振動(dòng)有兩種模式，其中一種被稱為聲學(xué)支，因此這種準(zhǔn)粒子也被稱為聲子。既然有了聲子的概念，導(dǎo)熱也就可以解釋了。熱量傳遞可以看著是這種準(zhǔn)粒子的運(yùn)動(dòng)，溫度高的地方聲子數(shù)多，溫度低的地方聲子數(shù)少，這就類似于氣體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。通過和氣體類似的方法，就能獲得固體的熱導(dǎo)率。
于是我們終于能夠回答開頭的問題了。引入聲子的概念后，回答大概是這樣的：不同的固體聲子擴(kuò)散速度不同，因此導(dǎo)熱率也大相徑庭。當(dāng)然有人要問了，啊為什么不能直接用振動(dòng)來處理呢？畢竟波的傳播也是能量在傳播啊，好比有個(gè)人在這一頭甩動(dòng)繩子將能量傳到另一頭一樣。話是這么說不假，但是準(zhǔn)粒子的概念讓描述固體導(dǎo)熱更為方便。此外，由于固體中的量子效應(yīng)在宏觀的表現(xiàn)是不可忽視的，準(zhǔn)粒子的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。
聲子是準(zhǔn)粒子，而準(zhǔn)粒子的產(chǎn)生與性質(zhì)的測(cè)量是固體物理的一個(gè)重要方向。不光是導(dǎo)熱，在模擬高能物理預(yù)言的粒子方面，準(zhǔn)粒子也有著重要的作用?？梢哉f，這是一個(gè)充滿前景的方向。圖文 / 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 花祝同 編輯 / 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 陳中旻
轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)
不代表中科院物理所立場(chǎng)
|
