耗散

耗散 (Dissipation)
國立臺灣大學電信所電波組 林庭毅

一般大家提起耗散，最容易直接聯想到的是一個電器發熱然後發燙的樣子，因為我們通常會很直覺的認為熱是一種作功的表現，但我們又知道發燙並無助於我們正要一個電器為我們所做的事情，因此我們認為這就是耗散，然而這樣的認知當然太過狹隘，耗散並不是那麼簡單的一件事情，最重要的概念應該是，當輸入的能量中某些部分並不以我們期待的型式輸出，我們就稱它為耗散，像是風力發電機必定會有部分能量損耗在轉動的輪軸磨擦上，像是一個設計不良的微波電路會有輻射的效應去降低訊號處理的效果，或是單純的電阻發熱等許多例子。

而耗散是怎麼來的呢？首先我們要先認識熱力學第二定律，這個定律告訴大家凡是在開放式系統（指物質跟能量能與外界交換的系統）內不可逆的物理過程，都勢必造成系統內某個特殊物理量的變化，而且一旦變化就再也回不去當初的樣子。

這樣講實在是太拗口了，我們就用停腳踏車的例子來說明。今天有一個腳踏車停放處（系統）慢慢的停放了許多的車輛（有了組成），但還是有空位，此時你可以自由的牽出牽入一個停車格，這就是一個可逆的過程，但慢慢的車輛越停越多，停車場開始變得混亂（系統變得複雜），你牽出牽入腳踏車的困難度都會增高，最後，你一定會遇到自己無法以當初牽入腳踏車的方式牽出腳踏車的困境（可逆的過程往往像這樣，限制非常多），更甚者當你一旦停好腳踏車，就會發生踏板卡在別人車輪裡的悲劇（圖一；絕對是不可逆的過程，對吧？），此時你要花很大的力氣才能把你的腳踏車拔出來，但把腳踏車拔出來的動作卻沒有你花在解開踏板與車輪的牽連還要久，對吧？這就是熱力學第二定律最好的例子。

當你有了這樣的概念後，你可以把耗散造成的效果理解成：為了因應系統內變化，從此必須多付出能量，也就是說今天系統若要有所改變，但它又不能主動地產生所需能量給自身，因此今天你從外面給予它能量，它會先把部分拿去做自己想做的事情，然後再解決你叫它做的事情，這就是耗散的由來。

關於耗散的例子我就不再多提，我想你們一定會覺得能量就這樣浪費掉了很可惜，因此在這邊向大家介紹一個很新潮的應用－獵能 (Energy harvesting)，顧名思義就是捕捉能量並加以利用，但這並不是一個很新的概念，像是太陽能板就是一種捕捉太陽能的裝置，而近年來大家把歪腦筋動到了輻射以及廢熱的頭上，在微波的應用中，就有人設計了主動式（意味著你還要供給電源）的電路去截取輻射出去的能量回到電路中儲存或是另做他用，至於在廢熱上也有使用超材料 (metamaterial) 去做廢熱的回收，雖然還是在發展中的技術，但是其實在許多短期結果看來都有十足的成長，若是更有效率的方法被發明的話，或許耗散就不會再是個令人頭疼的議題了。

參考文獻

1. Device Could Harvest Wasted Energy From Wi-Fi, Satellite Signals | Popular Scinece: http://www.popsci.com/ARTICLE/SCIENCE/DEVICE-COULD-HARVEST-WASTED-ENERGY-WI-FI-SATELLITE-SIGNALS
2. Dissipation | Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Dissipation
3. 裂能器的技術與應用 | 陳重德博士：http://zoro.ee.ncku.edu.tw/seminar2011/res/20111103.pdf