为什么热量只能自发地单向流动？
热力学第二定律正是造成加热与冷却不对称的规则。它最简单的表述是：在任何自发过程中，孤立系统的总无序度——称为熵——永远不会减少[4]。热量从热物体流向冷物体会增加总熵，所以它会自发发生。热量从冷流向热则会减少总熵，所以没有外界帮助就绝不会发生。
这意味着加热某样东西往往只是让能量沿自然方向移动：把冷勺子放进热汤里，勺子不用你做什么就会变热。冷却是反过来的——你必须迫使热量去它自己不会去的地方，而这种迫使总要付出代价。
冷却是需要付出代价的任务
物理学家把冷却描述为一项热力学任务：你想把一个处于热平衡的系统推出平衡态，进入更冷的状态。在量子信息框架中，研究人员已经证明，冷却和加热量子比特——最简单的量子系统——的能力，完全刻画了一种热资源如何转化为另一种热资源[5]。关键在于，冷却被视为必须主动执行的操作，而不是免费发生的事。
这就是为什么冰箱和空调需要用电：它们在做把热量从冷处搬到热处的工作，逆着自发方向[4]。相比之下，加热器可以简单到只是一根燃烧的木柴——它只是释放能量，能量自己就会扩散。
这对实际冷却技术意味着什么
冷却所需的额外功体现在冷却设备的设计中。例如，弹性热冷是一种新兴的固态技术，使用特殊材料，在拉伸或挤压时改变温度。对这些循环的热力学分析表明，其性能取决于不完全相变、可回收的功和热等细节——这些因素在简单加热中没有直接对应物[2]。
同样，光机械冷却——用激光减慢微小机械振动——已被用“热阀”来分析，目标是达到尽可能低的温度，并以有用的速率把热量泵出。研究人员用热力学效率来量化这一点，因为冷却是一个有成本的过程，而不只是能量的自发流失[1]。
即使在大型工业系统中，这种不对称也会出现：一种利用热烟气提供冷却、加热和动力的方法，把冷却视为多种输出之一，但其中涉及的热力学原理，正是让冷却成为更难方向的那一套[3]。
本文引用的文献
相干光和压缩光的光机械冷却：打开热阀的热力学成本
光机械冷却可以作为一个热阀来分析，其性能由可达到的最低温度、热流和热力学效率来衡量。
弹性热冷却与热泵循环的热力学
弹性热冷却循环有一种热力学描述，其性能取决于不完全相变以及功/热回收。
利用烟气热进行冷却、加热和动力联产的热力学供应侧优化方法
一种热力学优化方法可以整合烟气热带来的冷却、加热和发电。
热与热力学
一本本科热力学教科书涵盖热力学定律，包括第二定律，它决定了热流的方向。
热力学状态可转化性由量子比特冷却和加热决定
在量子资源理论中，准经典热态的可转化性完全由它们冷却和加热量子比特的能力来刻画。