Охладить труднее, чем нагреть?

Ваше наблюдение верно, хотя, как и следовало ожидать, оно обычно формулируется более точно. Причина связана со вторым законом термодинамики. Хорошая статья на эту тему находится здесь ( https://www.livescience.com/50941-second-law-thermodynamics.html ), и ниже я представлю аргумент своими словами.

Второй закон термодинамики касается поведения величины, называемой энтропией. Энтропия, по сути, отслеживает количество возможных состояний, в которых может находиться система. Вы часто будете слышать это выражение как «количество беспорядка в системе»; это определение работает до тех пор, пока вы не считаете что-то особенно сумасшедшим, но «количество беспорядка» не является количественно измеримой вещью, поэтому это не особенно хорошее формальное определение. Тем не менее, любое из этих определений должно работать, чтобы объяснить ваши наблюдения, поэтому не стесняйтесь использовать то, что интуитивно понятно на данный момент.

Приложив немного прикладной статистики, оказывается, что в целом холодные объекты более упорядочены (т.е. у них меньше возможных состояний, в которых они могут находиться). С другой стороны, горячие объекты имеют тенденцию быть более беспорядочными; поскольку их молекулы движутся быстрее, система имеет доступ к большему количеству состояний. Если вы предположите, что на микроскопическом уровне каждое состояние молекул системы в основном равновероятно (что является хорошим предположением для подавляющего большинства реальных систем), то вы, вероятно, пришли бы к заключению, что в конечном итоге система, оставленная на своем own, с гораздо большей вероятностью окажется в конфигурации, которая охватывает множество возможных состояний (что означает, что он находится в конфигурации с более высокой энтропией). Поздравляем, вы только что вывели второй закон термодинамики! Формально говорится, чтоэнтропия замкнутой системы не убывает со временем . В просторечии это означает, что изначально упорядоченная система (например, с разделением на горячее и холодное) будет стремиться к беспорядку, если оставить ее в покое (где, например, все нагрелось примерно до одной и той же температуры). Создание холодного региона эквивалентно созданию региона более высокого порядка или более низкой энтропии; такой процесс статистически маловероятен, поэтому его трудно осуществить.

Но есть еще одна оговорка, о которой мы должны беспокоиться. Я осторожно заявил, что энтропия закрытой системы не уменьшается со временем; но оказывается, что для того, чтобы энтропия оставалась неизменной во времени, вы должны воздействовать на свою систему бесконечно быстро, что, очевидно, нецелесообразно! Итак, для любого реального процесса, занимающего конечное время, энтропия замкнутой системы будет возрастать. Что это означает практически? Это означает, что все, что вы делаете, чтобы попытаться, например, создать холодную точку, неизбежно приведет к потере некоторой энергии, увеличивающей энтропию окружающей среды. Эта потраченная впустую энергия и есть тепло, которое вы наблюдаете.

Хороший вопрос! Однако один из способов думать об этом состоит в том, что холод — это отсутствие тепла. Тело придет в тепловое равновесие с окружающей средой. Таким образом, при нормальной температуре горячее тело охлаждается, если оно находится в более прохладной среде. Это нормально для горячих объектов и окружающей среды с комнатной температурой. В этом случае гораздо легче нагреть чувственный объект, который остывает сам по себе. Однако иногда требуется охладить объекты на много градусов ниже комнатной температуры. Может быть, даже 270 градусов ниже нуля! Здесь вы должны охладить сам объект или создать такую ​​же холодную среду. Следовательно, в подобных случаях охлаждение объекта требует больших усилий и энергии.

Возможно проще...

1. Второй закон термодинамики в основном утверждает, что энтропия имеет тенденцию к росту.
2. Энтропия — сложный для понимания термин, потому что он подразумевает изменения, но хорошее понятие можно уловить, думая о нем как о «рассеивании энергии». Следовательно, второй закон гласит, что «энергия имеет тенденцию рассеиваться».
3. Горячее имеет больше энергии, чем холодное (да, в адекватных условиях). Итак, если вы поместите два тела в контакт, теплота будет течь от горячего тела к холодному, а не наоборот. Почему? Потому что горячее тело имеет больше энергии, чем холодное, и «энергия имеет свойство рассеиваться».
4. Если вы пытаетесь охладить тело, вы, по сути, пытаетесь извлечь из него энергию. Это можно сделать, только если сосредоточить его энергию на втором теле. Но это противозаконно! (ну, 2-я термодинамика). Это то, что охлаждать вещи сложно.
5. Единственный способ сконцентрировать рассеянную энергию — использовать больше энергии. Вы можете извлечь выгоду из того, что расширяющиеся газы поглощают тепло (за счет увеличения объема), или, другими словами, расширяющиеся газы поглощают энергию в виде тепла. Итак, соприкоснитесь своим телом и расширяющимся газом. Вуаля!... Кажется, вы не использовали больше энергии. Но подождите... Как вы получили газ под давлением? Вот оно. Вы вложили энергию, чтобы оказать на него давление.

Это означает, что если вы оставите дверцу холодильника открытой, чтобы охладить дом, в итоге вы получите более горячее место. Концентрация энергии требует больше энергии. Это трудно для нас. И именно поэтому вы не можете охладить тело до 0 Кельвина, используя этот метод (или другие): любой расширяющийся газ всегда будет иметь некоторую энергию.

Согласно закону Ньютона об охлаждении скорость теплоты, наблюдаемая телом dQ, прямо пропорциональна разности температур окружающей среды (Q1 - Q2), где Q1 - температура окружающей среды, а Q2 - температура тела, поэтому холодное тело имеет скорость наблюдения высока, а температура быстро увеличивается, поэтому мы не можем долго сохранять холодный объект, но для процесса нагрева у нас есть другой источник, который помогает легко генерировать тепло....

Нагревание увеличивает беспорядок, а охлаждение уменьшает его. Последнее всегда будет сложнее чисто из-за статистики.