絕對零度是怎麼確定為零下273.15℃的?

物原愛牛毛1


簡單來說,通過理論和實驗,可以得到絕對零度約為零下273.15攝氏度。至於這個結果是怎麼得到的,先來簡單瞭解一下為什麼會有絕對零度的概念。

粒子的熱運動會讓物體產生溫度,所以溫度在本質上其實是用於度量粒子的熱運動劇烈程度。粒子的熱運動越不劇烈,對應的溫度也會越低。當粒子完全靜止,熱運動完全停下來之時,溫度將會下降到最低值,這就是絕對零度。

不過,無論從相對論的角度,還是從量子力學的角度,粒子都不可能完全靜止,所以絕對零度是無法達到的溫度下限。在相對論看來,絕對靜止是不存在的,因為沒有絕對空間,靜止都是相對而言的。而在量子力學看來,如果粒子絕對靜止,那它們的位置和動量就能同時確定下來,這就違背了不確定性原理——無法同時測得粒子的位置和動量。

根據熱力學中的查理定律,在理想氣體的體積保持一定的情況下,理想氣體的壓強(P)和溫度(T,熱力學溫度)兩者成正比,或者說它們的比值是一個常數(C),相應的表達式如下:

P/T=C

在體積維持恆定的情況下,可以測量出氣體的壓強和溫度之間的關係。再基於最小二乘法,能夠擬合出關於壓強和溫度關係的直線方程:

接下來,將直線外推到橫座標上,不同氣體最終都會交於一點,這樣就能得到絕對零度約為零下273.15攝氏度。

另一方面,根據熱力學中的蓋-呂薩克定律,在理想氣體的壓強保持一定的情況下,理想氣體的體積(V)和溫度(T)兩者成正比,由此也能推導出絕對零度的大小。

在熱力學中,絕對零度被定義為0開氏度。所以開氏溫標與攝氏溫標的轉換關係為:開氏溫標=攝氏溫標+273.15。


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絕對零度是熱力學三定律的衍生概念,其具體推導過程,筆者不必搬磚,讀者可以自搜。

深刻領會並靈活運用熱力學第一定律或能量守恆定律來理解絕對零度才是物理人與理工男應有的學養。

不過這很難,如果死讀書、讀死書或迷信某些不自洽的理論學說的話。

顯然,T≤0不存在。據稱,2.725K之宇宙微波背景溫度,可謂最低的自然溫度。

而朱棣文激光製冷的T₀=1nK,可謂最低的人造溫度,有T₀=10⁻⁹K→0K“逼同法則”。

所謂逼同法則,即根據可實證的可預見的物理邏輯,把極限參量幾乎等同於一個無窮大變量或無窮小變量,進而簡化物理數學的操作。

▲大家看看上面的這個關於拉格朗日量的超長公式有什麼用呢?大自然是這樣玩弄人類的嗎?

探討有形物質的零點參數

當T₀→0K時,既有電子的最低運動速度:v₀→0,也有光子的最低運動頻率:f₀→0。

說v₀→0是電子最低的震盪速度,因為實體物質的熱力學行為,都可以是核外電子的震盪行為。

根據熱一有:v₀²=3kT₀/m,式中,m是電子質量:v₀²=3×1.38×10⁻²³×10⁻⁹÷(9.1×10⁻³¹),即:v₀²=0.04544,則:v₀=0.2136米/秒。

這個v₀意味著:庫侖力不可消滅,電子震盪的遠核點進動速度,不可能低於約0.2米/秒。

同理,質子震盪的最低進度速度為v₀/1838= 0.11毫米/秒,這個數量級與實驗值幾乎一致。

激光冷效應本質是“絕對真空”,氫原子內空間的零點動能:E₀=½mv₀²=2.1×10⁻³²J。

對應的零點能密:ρ₀=E₀/(4.2R³),R=52.9皮米是氫原子半徑,故:ρ₀=0.034J/m³。

探討無形物質的零點參數

當T₀→0K時,意味著光子震盪的最低頻率(f₀),因為熱傳播行為,最終都是電磁波的震盪。

根據熱力學第一定律或能量守恆定律,有光子的一系列動力學參數:

零點頻率:f₀=1.5kT₀/h=0.31Hz,

零點波長:λ₀=c/f₀=10⁹米=100萬千米。

零點半徑:r₀=λ₀/2π=1.53×10⁸米=15萬千米。

零點能密:σ₀=hf₀/4.2r₀³ =1.37×10⁻⁵⁹J/m³,

零點質密:ρ₀=m/4.2r₀³=6.1×10⁻⁵¹kg/m³,式中,m是光子的固有質量=電子質量。

筆者認為,沒有費米子的空間,是絕對真空,也叫真空場(=場物質=場介質=場)。

場的基本單元=場量子=光量子=光子=引力子。真空是充滿了沒有空隙的不同頻率的場量子。

場量子密度=場密度。實體內空間的場密度很大,質子密度>>電子密度>>原子密度。實體外空間的密度很小,玻色子密度<

色空亦空是宇宙大法則:真空也是物質,其量化處理的場量子,有共同的質量與速度,有不同的頻率/半徑/能量/體積/質密。

小結:

絕對零度既規定費米子震盪動能不能為零的下限,也規定玻色子震盪頻率不能為零的下限。

逼同法則的零點參數,對基於低溫效應的新能源工作原理與工程計算,有極重要的意義。


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