被误解百年的热力学研究：它不止是课本上的四大定律

你上学的时候是不是觉得热力学就是一堆背了就忘的公式？是考试前熬夜画的PV图？我当年读物理系大一，第一次上完热力学课，把书一扔就骂。这玩意除了算蒸汽机效率还有啥用？

从蒸汽机到量子芯片，热力学研究早翻了旧皇历

我们课本上学的，几乎全是平衡态经典热力学，是两百年前卡诺、开尔文那辈人，为了改良蒸汽机搞出来的框架。这个框架太好用了，好用到大家觉得热力学也就这样了。 不对。早在上世纪中叶，非平衡热力学就已经起来了。最近二十年，随着微纳加工和量子观测技术成熟，热力学研究早就钻进了常人想不到的角落。 实验室非平衡热力学微纳系统实验装置 说实话，我也是前几年帮半导体行业做技术咨询才惊醒。现在3nm、5nm的先进制程芯片，每平方厘米的功耗能到上百瓦，比炼钢炉的单位面积热功率还高。传统的平衡态热传导公式算出来的散热结果，误差能到20%以上。这放在工业生产里是什么概念？就是一批上亿的晶圆，做出来直接报废。 现在芯片设计环节，必须用小系统非平衡热力学涨落模型重新计算热分布。就这么一个小小的模型修正，帮台积电、三星这些厂商少扔了不知道多少货。 很多人觉得老学科没新东西，其实只是你没跟进而已。诺奖得主帕里西去年发的成果，还在修正玻璃态系统的熵计算公式呢。哪有什么一成不变的真理。

碳中和浪潮里，热力学研究憋了个大招

所有人都在盯着光伏、锂电找碳中和的突破，没人想到热力学研究在这里藏着大惊喜。 读过高中物理都知道，卡诺效率是热机的天花板——任何热机的效率都不可能超过1减低温热源温度比高温热源温度。这句话说了快两百年，没人敢质疑。 量子热力学的兴起，直接给这个结论打了个补丁。当然，不是说卡诺错了，是在有量子相干性和量子关联的系统里，等效的温度标度和传统宏观系统不一样，我们能实现比传统卡诺热机更高的输出功率，在特定工况下甚至能突破传统的效率上限。 量子热机金刚石NV色心实验平台 去年中科大的团队已经在实验室里把这个做出来了，用金刚石里的NV色心做工作介质，实现了超越传统卡诺极限的输出功率。这个技术一旦成熟，聚光型热电光伏的转换效率直接能从现在的46%提升到60%以上。 这是什么概念？同样的光伏占地面积，发电量直接涨三分之一。全球碳中和的成本能降多少，算都算得出来。 不过话说回来，现在这个技术还在实验室单量子系统阶段，离产业化至少还有二三十年。但是架不住它冲击力大啊。两百年的铁律都能修正，还有什么不可能？ 现在锂电领域也在用新的热力学成果。锂电池衰减的核心原因，就是循环过程中非平衡熵产生累积，堵了电极里的锂离子输运通道。用新的非平衡热力学模型预测衰减，能把寿命预测的准确率提高30%以上，现在国内头部的动力电池厂商已经在用这个技术了，已经装车的新车，实际寿命比原来高了快10%。 真不是纸上谈兵。

热力学研究最迷人的，从来都不是公式

热力学研究最迷人的，从来都不是公式 很多人对物理的印象就是堆公式、算数值，热力学不一样。它从诞生起，就是一门讲“规矩”的学科——什么过程能自发发生，什么过程永远不可能发生，不用管你是化学、生物还是量子物理，都得守它的规矩。 现在的新热力学研究，其实就是在找原来规矩的边界。原来麦克斯韦妖困扰了物理学家一百多年，现在信息热力学把这个问题解决了：信息本身就是有熵的，擦除信息一定会产热，但是我们也可以利用信息来从热噪声里提取功啊。现在已经有实验室做出来了信息引擎，能给纳米级的机器人供能。说不定几十年后，我们就能造出能在人体内自主工作的纳米机器人，靠体液的热噪声就能做功，不用外接电池。 太酷了对不对？ 我前几年参加热力学的闭门研讨会，有个七十多的老院士说，我们搞热力学的，其实就是在给所有技术找天花板，也给所有技术找新的窗户。原来你觉得路走到底了，换个热力学的框架，前面就是一片新旷野。 现在很多人吐槽基础研究没用，都是发论文骗经费。你看看热力学研究，两百年了，从蒸汽机到芯片到碳中和，每一次技术大爆发，都离不开它的新突破。只是它太基础了，普通人看不到而已。 这门从蒸汽时代走出来的老学科，才刚刚露出它最迷人的样子。