物理知识-耗散 Dissipation

文章转载自:https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=77275

一般大家提起耗散,最容易直接联想到的是一个电器发热然后发烫的样子,因为我们通常会很直觉的认为热是一种作功的表现,但我们又知道发烫并无助于我们正要一个电器为我们所做的事情,因此我们认为这就是耗散,然而这样的认知当然太过狭隘,耗散并不是那么简单的一件事情,最重要的概念应该是,当输入的能量中某些部分并不以我们期待的型式输出,我们就称它为耗散,像是风力发电机必定会有部分能量损耗在转动的轮轴磨擦上,像是一个设计不良的微波电路会有辐射的效应去降低信号处理的效果,或是单纯的电阻发热等许多例子。

而耗散是怎么来的呢?首先我们要先认识热力学第二定律,这个定律告诉大家凡是在开放式系统(指物质跟能量能与外界交换的系统)内不可逆的物理过程,都势必造成系统内某个特殊物理量的变化,而且一旦变化就再也回不去当初的样子。

这样讲实在是太拗口了,我们就用停脚踏车的例子来说明。今天有一个脚踏车停放处(系统)慢慢的停放了许多的车辆(有了组成),但还是有空位,此时你可以自由的牵出牵入一个停车格,这就是一个可逆的过程,但慢慢的车辆越停越多,停车场开始变得混乱(系统变得复杂),你牵出牵入脚踏车的困难度都会增高,最后,你一定会遇到自己无法以当初牵入脚踏车的方式牵出脚踏车的困境(可逆的过程往往像这样,限制非常多),更甚者当你一旦停好脚踏车,就会发生踏板卡在别人车轮里的悲剧(图一;绝对是不可逆的过程,对吧?),此时你要花很大的力气才能把你的脚踏车拔出来,但把脚踏车拔出来的动作却没有你花在解开踏板与车轮的牵连还要久,对吧?这就是热力学第二定律最好的例子。

当你有了这样的概念后,你可以把耗散造成的效果理解成:为了因应系统内变化,从此必须多付出能量,也就是说今天系统若要有所改变,但它又不能主动地产生所需能量给自身,因此今天你从外面给予它能量,它会先把部分拿去做自己想做的事情,然后再解决你叫它做的事情,这就是耗散的由来。

关于耗散的例子我就不再多提,我想你们一定会觉得能量就这样浪费掉了很可惜,因此在这边向大家介绍一个很新潮的应用-猎能(Energy harvesting),顾名思义就是捕捉能量并加以利用,但这并不是一个很新的概念,像是太阳能板就是一种捕捉太阳能的装置,而近年来大家把歪脑筋动到了辐射以及废热的头上,在微波的应用中,就有人设计了主动式(意味着你还要供给电源)的电路去截取辐射出去的能量回到电路中储存或是另做他用,至于在废热上也有使用超材料(metamaterial) 去做废热的回收,虽然还是在发展中的技术,但是其实在许多短期结果看来都有十足的成长,若是更有效率的方法被发明的话,或许耗散就不会再是个令人头疼的议题了。

文章写得好 赏颗六味地黄丸补补

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