熱傳遞的三種方式

在初高中的物理學課上，都會涉及聲、光、電、力、熱這幾個部分。其中在講到熱力學時，老師通常會說，熱傳遞有三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。

那這三種方式該如何去理解呢？

首先，我們要知道的是，萬物都是由粒子構成的。但是粒子自身並不是原地不動，而是到處亂晃的。

科學家發現，同等條件下，溫度越高的物體的分子總體的運動越是劇烈，反之亦然。也就是說，分子總體的動能和溫度是有關的。科學家用分子的平均動能來描述溫度。分子的平均動能越高，溫度就越高，反之亦然。

一般來說，熱能其實都是從高溫向低溫來進行傳遞。其中，熱傳導的本質就是一個分子向另一個分子傳遞動能；

熱對流是指流體的宏觀運動導致流體各部分之間發生了相對位移，冷熱流體就會發生互相摻雜，也就實現了熱量傳遞的過程；

熱輻射是指物體透過電磁波輻射來傳遞熱量，太陽輻射就是典型的熱輻射。

我們會發現，以往的熱傳遞方式都是我們可以透過宏觀的手段來進行觀測的。但是一直以來，在這個領域有個看不到的“幽靈”纏繞著科學家們。在真空中如果要實現熱傳遞，按照上面說到的三種方式，目前來看只有透過電磁波。那如果沒有電磁波，能實現熱量的傳遞嗎？

事實上，科學家早就發現了，在奈米尺度上，承載大規模的積體電路裝置的電子元器件傳遞熱量要比理論激素按要高出一些來。那這些高出理論的熱量是從哪裡來的呢？

這個問題一直就沒有能夠很好地被解決。

第四種熱傳遞方式

最近，由物理學家張翔帶隊的考研團隊，透過實驗證實了，在奈米尺度之下，真空環境下會發生真空聲子傳熱，也就是一種全新的熱傳遞方式。他們還在《自然》上發表了相關的學術論文。這裡補充一點，這裡的“聲子”是翻譯而來的一個名字，它的傳遞是不需要介質的，是在真空狀態下完成的。那張翔的團隊是如何證實的呢？

要了解這個過程，我們就得先來說一說量子力學。在量子力學的框架當中，真空其實不空，而且還非常的熱鬧。根據量子力學，我們知道，真空中雖然不存在實粒子，但是卻存在著虛粒子。而虛粒子並不是單個出現的，而是成對出現的，一正一反，並且會在極其短的時間內發生湮滅。

雖然虛粒子對會在短時間內快速湮滅，但是它們卻十分活躍，不斷地出現和消失，所以真空在這個尺度下是非常熱鬧。

而在不斷地湮滅I產生的過程當中，還會伴隨著力的作用。科學家還真的用時間驗證過這個力的作用。

它們把兩塊平板平行放置到足夠近的距離，這時候兩個平板之間就會產生一種吸引力，這其實就是虛粒子造成的，最後會把兩個平板吸引到一起。科學家也把這個叫做：卡西米爾效應。

卡西米爾效應讓我們明白一個道理，虛粒子對產生的力可以穿越真空進行傳導，那有沒有可能在這個過程中實現真空聲子傳熱呢？

張翔所帶領的團隊就是想要測出這個過程是否有熱傳遞。他們把兩塊100奈米厚的氮化矽薄膜在真空中平行放置，並且控制兩個薄膜一端熱，一段冷。

於是，他們就發現，隨著兩個薄膜之間的距離逐漸減少，薄膜的溫度慢慢地趨於一致。即便是讓一開始兩個薄膜的溫度差達到25度，在隨著薄膜距離的靠近，溫度也會趨於一致。

也就是說，在這個過程中，熱能從溫度高的薄膜傳遞到了溫度低的薄膜上，這其實就是透過真空聲子傳熱實現的。只不過，這種熱傳遞極其微弱，還不到熱輻射所引起的熱傳遞的4%。這也是為什麼這種熱傳遞的機制很難被發現的主要原因，但它很有可能是熱傳遞的三種方式之外的第四種。未來是否會改寫現有的物理學教材，還需要全球的相關學者對整個機制和實驗進行復現和確定。

真空聲子傳熱有什麼用？

相信很多人也會想即便是整個事實被確認了，那又能如何呢？

其實整個發現會深深影響我們的生活，我們就舉一個例子。如今的許多精密儀器都達到了奈米尺度，尤其是晶片已經做到7奈米左右的水平。但是晶片的散熱問題一直無法得到解決，也成了科技發展的一個瓶頸之一。當科學家完全搞清楚了真空聲子傳熱，那就可以最佳化晶片的設計，進一步縮小體積，同時降低能耗和散熱。所以，這個熱傳遞的發現很有可能會改變晶片領域的發展。

而晶片效能的提高，也就會大幅度提高我們使用的手機、計算機等儀器的效能。