溫度,絕對零度的奧祕

絕對零度(-273.15攝氏度)會存在?溫度會有上限嗎?

什麼是溫度?

溫度,絕對零度的奧秘

在微觀層面,物質是由分子、原子組成或構成的,這一定情況之下物質內,分子運動速度越快,則對外宏觀表現為溫度越高,反之分子的運動速度越慢,對外宏觀表現為物質溫度越低。

在物理學中,早在很久以前物理學家就懂得了如何先去定性後定量,對於溫度也同樣如此,單單從溫度來說,一個東西的冷熱在剛開始人們是可以用身體感覺到的,冷和熱兩種不同的性質便在出現在了我們的概念當中,到了後來人們更進一步瞭解溫度,從而開始想辦法去測量物體的冷熱程度,溫度計隨之誕生。而對於溫度的定量,不得不提到一個人即瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯,在他提出後人們不斷改進將水的冰點定為0,水的沸點定為100,這便是我們現在所說的攝氏溫度。

在對溫度有一定了解以後,人們便開始對溫度深入研究,氣體作為較前的研究對象,由於其一些特有的性質,人們發現了氣體的溫度與氣體的體積和壓強有關,

溫度,絕對零度的奧秘

圖為絕對零度反推原理

即對於理想情況下的氣體,壓力恆定時一定量氣體體積V 與溫度T成正比(查理定律),人們根據這個定律進一步發現了溫度可能存在一個下限,並將其計算了出來–273.15攝氏度。

溫度

溫度,絕對零度的奧秘

溫度(國際單位:開爾文):溫度的高低是由物體分子的熱運動劇烈程度決定的,與分子產生的動能存在著相互關聯,分子運動的越劇烈,溫度越高。反之,分子運動的越緩慢,溫度越低。

而對於絕對零度,一直到1906年化學家物理學家能斯特 ,他所提出的能斯特定律(即現在被總結出來的熱力學第三定律),其主要說明不可能通過有限的循環過程,使物體的溫度達到至絕對零度。

溫度,絕對零度的奧秘

在熱力學理論之中,絕對零度是一個下限值,此時會停止所有熱運動,絕對零度為零下273.15攝氏度,在量子力學之中,當粒子動能達到最低點時,便可達到絕對零度。

根據麥克斯韋-玻爾茲曼分佈,粒子動能越大,物質溫度就越高。我們身處的宇宙當中,溫度在理論上有下限值0開爾文,而對於上限值,一直以來都沒有很好的解釋,到目前為止人類所能實驗得到的最低溫度為高於絕對零度0.5納開爾文的溫度(1納開等於十億分之一開爾文,一開等於一攝氏度)。

絕對零度時物質的狀態(偽命題)

簡單來說,在絕對零度狀態之下,分子、原子會停止運動,此時沒有動能和勢能,沒有了動能相對應內能會為0。可以理解為絕對零度時粒子停止振動。

為什麼說達不到絕對零度?

1.根據熱力學第三定律(各種物質的完美晶體,在絕對零度時,熵為零(S 0 = 0 ))可以知道,絕對零度不可能得到,只能是無限接近它,任何空間區域之中都會發生能量轉換,有了能量絕對零度是不會達到的。

2.在我們的這個宇宙當中存在量子漲落,有一個基本的物理定律即海森堡不確定性原理,該理論描述了

你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度,粒子位置的不確定性,必然大於或等於普朗克常數(h=6.62607015×10-34 J·s)除於4π,而這一理論恰恰與絕對零度相矛盾,這又證明了絕對零度是不可能達到的。那麼這樣一來我們便可更加清楚的理解為什麼達不到絕對零度了。

不過不要為此感到悲傷,科學家發現在接近絕對零度的溫度時,有些物質會發生一些奇妙的事情,如低溫超導、液體的粘滯性消失等。

這裡舉幾個例子:量子隧道可以傳導的熱量為1×10∧-18攝氏度。

原子產生干涉現象時(冷卻接近絕對零度的氦原子會出現干涉現象)的溫度為1×10∧-15攝氏度。

實驗室中可以利用鐳射冷卻技術達到的溫度為5×10∧-11攝氏度。

溫度的上限

首先,我們需要知道“熱”是怎麼一回事?在熱力學微觀理論當中(氣體動理論),熱實質上是物質分子劇烈運動的程度,即分子運動的越劇烈,溫度越高,這樣一來在理論當中分子是可以具有無限大的大的動能的,這同時也就意味著溫度是沒有上限的。

溫度,絕對零度的奧秘

但對於溫度的上限,也有存在有其它的一些說法,我們知道物體會向外輻射電磁波,不同溫度的物體向外輻射的電磁波有所不同,溫度越高向外輻射的電磁波波長就會越小,那麼以此類推,我們可以知道最小的波長(一個普朗克長度1.616*10^-26nm)與之相對應的溫度也就最高,這便就是人們口中所說的普朗克溫度(1.4168*10^32K)。

溫度,絕對零度的奧秘

(其中m_p為普朗克質量,c為真空中光速,k為波爾茲曼常數,h_bar狄拉克常數(約化普朗克常數),G為萬有引力係數)

當什麼情況會達到這個溫度呢?科學家給出的答案是,在宇宙由一個奇點爆炸開始後的一個普朗克時間裡(5.391*10^-44),此刻宇宙的溫度便是普朗克溫度。

結語

絕對零度給我們帶來了太多驚喜,一個事實就是我們無法觸及到絕對零度,因為微觀世界中的不確定性原理,我們人類也只能做到無限去接近絕對零度,至於溫度的上限是多少?這有待進一步去探尋。科學的魅力總能令我們著迷,科學也讓人類感受到了“溫度”。

那麼好的這期的科學知識就先到這裡了,喜歡的同學希望多多支持一下!


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