冰学中的科学

《饮 品 中 你 不 知 道 的 热 力 学》

从图片中可以看出美丽的冰冰姐左手拿着一杯饮品，面对着镜头微笑，那么这一杯饮品里到底有多少你不知道的秘密呢？带着疑问开启今天的学习吧。 探究一个物体的性质首先就要确定这个物体是什么，一旦当问题涉及到定义时，量子力学就会给予我无穷的知识，从而开始了每篇科普必备的我自己的防伪标识，今天不想多讲，只是因为冰冰姐，但还是简单概括下，探究饮品的热力学性质，就要下一个定义，什么是饮品，或者说满足什么样的条件才能算得上是饮品，可是一切的一切都有一个大前提，我们要对这个物体进行观察，一观察可就出事了，宏观上看是没什么事，我看了它一眼，很显然，它并没有改变什么，可是改变角度，这如果是极小的微观世界呢，有人觉得宏观和微观有啥不一样，我跟你讲，差别非常大，通俗的不能再通俗地讲，微观是不确定的，它只能用概率去表示，先别急，薛定谔的那只神奇小猫咪还记得吗，先来简单回顾下吧，假设有这样一个密闭的、不透明的盒子，现在将猫放进去，箱子里有一个装置，这个装置触发的可能性为50%，如果装置触发，则猫咪死亡，若未触发，则猫咪存活，那么我们该如何判断这只猫的状态呢？是观察，观察会带给我们两种结果，活猫或死猫，但都是确切的结果，那如果不打开观察，那么这只猫就处于一种生与死的叠加态里，这时观察就将这个系统的状态从量子叠加态转变为一个确定的状态，由此可以得出结论：观察会改变物体的状态，也就是说我们无法为一个没有观察到的物体下定性，可一旦观察便会改变物体的状态。好了，话不多说，现在就开始吧 首先先来判断一下饮品属于什么，饮品是一种液体，我们常见的无非就是固、液、气三态，知道的多一些的可能还会知道等离子态（就好比等离子电视什么的），对于物理所的凝聚态方向的大佬们再熟悉不过的就是玻色-爱因斯坦凝聚态，还有一种费米子凝聚态，以上这些被称为物质六态，对于物质来讲，无非由分子、原子、离子组成，他们到底是怎样组成的呢？使原子和原子或分子和分子结合起来的作用力称为化学键化学键有强有弱，强的化学键有离子键、共价键、金属键，而弱的化学键有范德瓦尔斯键和氢键，现在开始讲解这些个东西都是什么离子键最好理解，正电性元素（化学反应中易失电子）和负电性元素（化学反应中易得电子）组成晶体，正电性元素失去电子成为正离子，负电性元素得到电子成为负离子，正负离子之间的静电力使它们结合在一起形成晶体，而这种在离子键作用下组成的晶体叫做离子晶体，最典型的莫过于NaCl晶体了吧 共价键讲的是两个相同的原子为什么会结合成为分子，它是因两个原子共享它们的价电子而形成的，由于量子力学，在一定的量子态（成键态）中这种共有的价电子有很大的概率处于两原子核联线的中垂面附近在那里形成密度较大的电子云，电子云带负电，原子核带正电，于是就将原子核拉到一起，共价键的本质依旧是静电力，可是又多了一些量子力学的基础，其实不只是同种原子，就算是不同种原子也会形成共价键，原子通过共价键形成的晶体叫做原子晶体，典型的就是金刚石，共价键还有两个特点一是饱和性，二是方向性，这里不做细致了解 金属键就是金属中原子结合的力，孤立的金属原子常有束缚较松散的外层电子，其余的电子形成束缚较紧的原子实，原子实是什么？在原子中原子核及除价电子以外的其他的内层电子，与对应惰性元素具有相同的封闭电子构型部分的内层电子组成原子实，当几个这样的原子凑在一起时，外层电子被共有化，可以在整个晶体内自由移动，这些自由电子把原子实维系在一起形成有序的晶体，金属键不像共价键那样有饱和性和方向性，金属原子总是尽可能地和别的原子“贴贴”，堆积在一起，这就是为什么金属的密度都比较大的原因，金属材料也具有良好的导电性和导热性，通电后，电子定向移动形成电流，但电子的流动并不完美，当电子在材料中移动时，原子会发生振动，或者晶格中存在缺陷，电子运动就可能会与振动的原子碰撞，发生散射，部分能量释放给了原子，使原子振动更剧烈，导致晶格振动得更多导致金属升温，电流的热效应就产生了，金属相比于其他的固体材料而言，它还具有延展性，这又是为什么呢？离子晶体内的相邻离子都是带异种电荷的，一旦受力后，晶体从局部滑移，那么就变成了同种电荷相邻，我们知道同性相斥异性相吸，所以原先原子所受的引力改为斥力，晶体破碎，再看看金属的内部，从上面可以看出原子实是浸没在电子的海洋中的，所以再怎么受力，金属键也依然存在，所以金属在宏观上就表现为延展性 以上呢就是三种强化学键的讲解，接下来还有两种弱化学键，强弱化学键的区别就在于受力对象（作用范围）不同，强化学键是把原子或离子键合到一起，而弱化学键则是把分子和分子键合在一起 范德瓦尔斯键，看着名字一大串，实际用途也不少，提到壁虎，它的断尾能力似乎要比它的攀爬能力出名很多，而它的攀爬也有着很多知识，例如壁虎爬墙与重力平衡的力是什么力，我想大部分人都会认为是摩擦力，可事实上大部分的贡献都是范德瓦尔斯力提供的，壁虎与小猫爬墙不同，壁虎的脚上有很多的小吸盘，这是壁虎与其他动物最大的不同之处，再来看看范德瓦尔斯键，它与离子键一样基本上也是静电力，不过它不是带电系统之间的吸引力而是整体不带电系统之间的偶极力，为了方便理解偶极力，这里用磁的相互作用举例小磁针有南北极，是磁偶极子，两个小磁针之间的吸引力便是偶极力，小磁针也可以吸引本来未磁化的软铁钉，那是因为铁钉在磁针的作用下暂时磁化了，再想想两个未磁化的铁钉可以相互吸引吗，有人说会，因为铁钉有质量，有万有引力，不过我们讨论的是铁钉之间会不会存在着磁力，经典物理会说绝对不可能，可是你们的主讲人是我，一个疯狂拓展的人，那么这个问题量子理论宣称这有一定的可能性，两个极性分子间的偶极作用相当于两磁针之间的吸引力，极性分子可以诱导其他的分子极化相当于磁针使铁钉磁化，两个无极分子（以上涉及到的无极分子和极性分子见下文详解）就像两个未磁化的铁钉，它们之间的偶极相互作用只能用量子涨落来解释，而量子涨落就需要你们自己去探求了，先告诉你们这是一个有关反物质的效应，剩下的就需要你们自己去探求，了解到这些后，再来看看，所有分子和原子正常情况下都不显电性，但是它们正负电荷的“重心”有点可以重合，有的不可以重合，，可以重合的叫做无极分子，不可以重合的叫做极性分子，在适当的取向下，两个极性分子是可以互相吸引的，这是偶极子之间的静电力，当一个极性分子与另一个分子靠近时可促使后者的正负电荷分开，即产生诱导的偶极性因诱导偶极性而产生的吸引力叫做诱导力，经典理论说：无极分子之间是没有吸引力的，但是由于量子涨落效应它们又会产生瞬时的偶极性，这样一来就会产生诱导偶极性，瞬时偶极性与诱导偶极性之间的作用叫做色散力，偶极的静电力、诱导力、色散力总和叫做范德瓦尔斯力，现在你总该知道壁虎爬墙的原理了吧 氢键是由氢原子参与的一种特殊类型的化学键，但其实具体来讲我还生怕讲不好，生怕举了一些错误的例子（不想写了），所以我决定简单提一嘴，其实氢键本质上也是一种范德瓦尔斯键，只不过具有一定的饱和性和方向性，冰在融化成水、水在沸腾时都会有氢键断裂，从而释放能量，氢键决定了水的一系列化学性质，氢键也在生命中起着非常重要的作用 这是五大化学键，以上说的都是固体，气体和液体我便不详细展开，有机会一定会着重讲一下这其中的转换过程……（没机会了） 讲了这么多始终也没见到热力学一点东西，别急，这就来了 一杯饮品有的是由速溶粉加水冲泡出来，可是我们似乎没见到过一杯饮品自发的变为饮品粉和水，这是为什么呢？这个就是热力学第二定律——熵增定律，今天详解来了 首先先要知道怎么去表述出来，我们可以从宏观去描述，相应的我们也可以从微观去描述，宏观的描述是克劳修斯说的：热量无法从自发的从低温物体流向高温物体而不产生影响。而微观的描述是玻尔兹曼提出的：一个封闭系统的熵永远不会自发减小。这就是熵增定律的由来，先来看宏观上的解释，看着看着，我就有了个疑问，空调明明可以将冷空气吹到热的屋子里，这不就违反热力学第二定律了吗？其实你能想到的早就有人替你想过了，注意，定义中提到了“自发”两个字，那空调是不是自发的呢？那肯定不是了，空调的运转是因为里面有压缩机在工作，设定温度与室外温度相差不大的时候就可以适当的“摸鱼”，如果温差很大，那可就是“职场精英”了 说了那么多，什么是熵呢？熵是一个用来描述物理系统混乱程度的物理量，一个屋子很久都没有人去住，那么很久以后，里面会落灰，还可能会有蜘蛛网，现在将屋子想象为封闭系统，里面的各种东西比作微观粒子，可以得出结论，一个封闭系统只会越来越乱，注意这里强调了封闭，是指不受外界任何影响 那就会想，如果不封闭会怎样，它始终与外界有能量交换，这里就是最后一个知识点——耗散结构了，我决定轻松地以一个实验结束，拿出家里的平底锅，锅中加入薄薄的一层水，在火上加热，之后打开上面的抽油烟机，你会发现水并没有沸腾，而是以六边形的结构排列起来（可能不会成功，但理论可行），这就是耗散结构对熵增定律的影响了，一个封闭系统会熵增，那向系统输入能量反而会得到新的秩序，我们生物又何尝不是耗散结构的伟大作品呢？在远古的地球，雷电、地震、火山喷发……正是这些恶劣的自然环境为生命的诞生提供了能量，才得以有现在的地球和多种多样的生命 现在已经是尾声了，一杯饮品便有如此奥秘，有没有被知识洗礼呢，又有什么收获呢？下期见~

下期节目——《从光学到核物理》 —敬请期待