金镜反应化学方程式,金镜反应的原理

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-05-15 00:54:29

补充一点额外的有关微波炉的知识,相信大家都有这样的经验:有时候食物会均匀地被加热、有时候内热外冷、有时候内冷外热,这是怎么回事呢?这是由于微波的穿透能力也是有限的,并且不同物质对微波的吸收能力也不一样。如果食物的表层很干燥,内部含水量很多,就可能导致内部对微波吸收多,出现内热外冷的情况;而如果食物放得太多,微波无法完全穿透,就可能出现内冷外热的情况。

保温瓶为什么要镀银?

金镜反应化学方程式,金镜反应的原理(17)

保温瓶中的水散热主要有两个途径:热传导和热辐射(见第五节)。影响保温瓶的保温效果的因素主要有两个:一是真空层,一是镀银层。真空层是为了使水处于真空环境中,因而无法通过空气分子的热传导散热。而银对于大部分波长的辐射都是高反射率的(见上一个问题),能够将水发出的热辐射反射回去被水重吸收,提高保温效果。

空调和冰箱的原理是什么?

空调和冰箱这种设备的功能简单来说就是:让冷的更冷,热的更热。这和麦克斯韦妖实现的功能是一样的,不过空调冰箱远远没有那么智能。它们需要一种介质(例如氟氯昂)在两个热源之中循环传递热量,以空调制冷为例:高温高压的气态氟氯昂在户外放热(所以空调热机吹出热风),变成常温高压的液态氟氯昂,然后回到室内机,通过增大体积的方式吸收室内的热量(见第四节的气体定律:先是体积增大导致压力减小,变为气态吸热),变成低温低压的气态氟氯昂,再由压缩机压缩回高温高压的气态氟氯昂,完成循环。

空调的功耗主要在压缩机对氟氯昂的压缩,它使得热量从低温物质流向高温物质的循环得以完成,但代价是需要外界提供能量,正是由于热力学第二定律的存在(见第六节),才使得我们要多花这么电费去开空调。

最后,CPU为什么会发热?

这个问题可能是最贴近各位读者日常生活的问题了,也可能有的人会说:“所有的用电器都在发热嘛,这很正常。”关于这个问题我会从理论和技术两个层面给出解答。

计算机被认为是一种可以消耗能量以进行数学工作的引擎,从一开始人们就想知道这种引擎的效率是否有一个最基本的热力学限制。1949年冯·诺依曼在讲座中认为在温度T下处理每个bit,计算机至少消耗能量kTIn2。50年代布里渊的光子探测思想也印证了这种观点(见第七节)。然而,1982年贝纳特指出,原则上利用的能量可以进行任意大量的计算。但是,他和兰道尔也指出,逻辑不可逆操作(例如擦除数据)每bit必须要消耗kTIn2的能量。

金镜反应化学方程式,金镜反应的原理(18)


图片来源:f1000

由于我们的CPU不可能无限制地缓存信息,我们在高速计算的时候必然要擦除上一个计算过程中存储单元的信息,因而兰道尔原理给出了我们计算的理论热力学能耗下限。兰道尔原理的直接结果是摩尔定律在理论上的终结(虽然早在理论下限达到之前,摩尔定律早已因各种技术原因趋于终结),因为材料的散热性能是有限的,芯片的集成度不可能无限地提高下去。当然这只是能耗的理论下限,虽然贝纳特指出了几种在零速率下实现解决零耗散的热计算机模型,但实际上现在的微电子元件每bit的能耗都要比kTIn2大一亿倍以上。DNA也是一种信息载体,据估计,DNA中复制每1bit的能耗仅20-100kT,效率比现在的计算机高几百万倍。

下面我们就来解释一下,CPU为什么会比理论效率低了那么多——要知道,白炽灯的发光效率为10%左右,而LED灯的发光效率为90%左右(LED把电能的90%用于发光,10%用于发热,所以你摸LED几乎是冷的),相比之下,CPU的计算效率基本是0(相比于兰道尔擦除下限),这要从CPU的结构说起。

CPU的基本组成单元是逻辑门,而其对应的物理实现的基本单元是晶体管。1947年,美国贝尔实验室的巴丁等人发明了晶体管,并获得1956年的诺贝尔物理学奖,而巴丁是历史上唯一一个两次获得诺贝尔物理学奖的人,他在1972年又因为超导BCS理论被授予了诺奖。以半导体材料制成的晶体管成为今天集成电路的基本元件也是核心元件,也是CPU发热的主要部件,因而我们要看一下晶体管的结构。注意我们平时用到是词汇“二极管”、“三极管”、“CMOS”等等都属于晶体管的范畴,在这里我们简要看一下二极管及其构成的基本逻辑门电路:

金镜反应化学方程式,金镜反应的原理(19)

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