温度,绝对零度的奥秘

绝对零度(-273.15摄氏度)会存在?温度会有上限吗?

什么是温度?

温度,绝对零度的奥秘

在微观层面,物质是由分子、原子组成或构成的,这一定情况之下物质内,分子运动速度越快,则对外宏观表现为温度越高,反之分子的运动速度越慢,对外宏观表现为物质温度越低。

在物理学中,早在很久以前物理学家就懂得了如何先去定性后定量,对于温度也同样如此,单单从温度来说,一个东西的冷热在刚开始人们是可以用身体感觉到的,冷和热两种不同的性质便在出现在了我们的概念当中,到了后来人们更进一步了解温度,从而开始想办法去测量物体的冷热程度,温度计随之诞生。而对于温度的定量,不得不提到一个人即瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯,在他提出后人们不断改进将水的冰点定为0,水的沸点定为100,这便是我们现在所说的摄氏温度。

在对温度有一定了解以后,人们便开始对温度深入研究,气体作为较前的研究对象,由于其一些特有的性质,人们发现了气体的温度与气体的体积和压强有关,

温度,绝对零度的奥秘

图为绝对零度反推原理

即对于理想情况下的气体,压力恒定时一定量气体体积V 与温度T成正比(查理定律),人们根据这个定律进一步发现了温度可能存在一个下限,并将其计算了出来–273.15摄氏度。

温度

温度,绝对零度的奥秘

温度(国际单位:开尔文):温度的高低是由物体分子的热运动剧烈程度决定的,与分子产生的动能存在着相互关联,分子运动的越剧烈,温度越高。反之,分子运动的越缓慢,温度越低。

而对于绝对零度,一直到1906年化学家物理学家能斯特 ,他所提出的能斯特定律(即现在被总结出来的热力学第三定律),其主要说明不可能通过有限的循环过程,使物体的温度达到至绝对零度。

温度,绝对零度的奥秘

在热力学理论之中,绝对零度是一个下限值,此时会停止所有热运动,绝对零度为零下273.15摄氏度,在量子力学之中,当粒子动能达到最低点时,便可达到绝对零度。

根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子动能越大,物质温度就越高。我们身处的宇宙当中,温度在理论上有下限值0开尔文,而对于上限值,一直以来都没有很好的解释,到目前为止人类所能实验得到的最低温度为高于绝对零度0.5纳开尔文的温度(1纳开等于十亿分之一开尔文,一开等于一摄氏度)。

绝对零度时物质的状态(伪命题)

简单来说,在绝对零度状态之下,分子、原子会停止运动,此时没有动能和势能,没有了动能相对应内能会为0。可以理解为绝对零度时粒子停止振动。

为什么说达不到绝对零度?

1.根据热力学第三定律(各种物质的完美晶体,在绝对零度时,熵为零(S 0 = 0 ))可以知道,绝对零度不可能得到,只能是无限接近它,任何空间区域之中都会发生能量转换,有了能量绝对零度是不会达到的。

2.在我们的这个宇宙当中存在量子涨落,有一个基本的物理定律即海森堡不确定性原理,该理论描述了

你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,粒子位置的不确定性,必然大于或等于普朗克常数(h=6.62607015×10-34 J·s)除于4π,而这一理论恰恰与绝对零度相矛盾,这又证明了绝对零度是不可能达到的。那么这样一来我们便可更加清楚的理解为什么达不到绝对零度了。

不过不要为此感到悲伤,科学家发现在接近绝对零度的温度时,有些物质会发生一些奇妙的事情,如低温超导、液体的粘滞性消失等。

这里举几个例子:量子隧道可以传导的热量为1×10∧-18摄氏度。

原子产生干涉现象时(冷却接近绝对零度的氦原子会出现干涉现象)的温度为1×10∧-15摄氏度。

实验室中可以利用镭射冷却技术达到的温度为5×10∧-11摄氏度。

温度的上限

首先,我们需要知道“热”是怎么一回事?在热力学微观理论当中(气体动理论),热实质上是物质分子剧烈运动的程度,即分子运动的越剧烈,温度越高,这样一来在理论当中分子是可以具有无限大的大的动能的,这同时也就意味着温度是没有上限的。

温度,绝对零度的奥秘

但对于温度的上限,也有存在有其它的一些说法,我们知道物体会向外辐射电磁波,不同温度的物体向外辐射的电磁波有所不同,温度越高向外辐射的电磁波波长就会越小,那么以此类推,我们可以知道最小的波长(一个普朗克长度1.616*10^-26nm)与之相对应的温度也就最高,这便就是人们口中所说的普朗克温度(1.4168*10^32K)。

温度,绝对零度的奥秘

(其中m_p为普朗克质量,c为真空中光速,k为波尔兹曼常数,h_bar狄拉克常数(约化普朗克常数),G为万有引力系数)

当什么情况会达到这个温度呢?科学家给出的答案是,在宇宙由一个奇点爆炸开始后的一个普朗克时间里(5.391*10^-44),此刻宇宙的温度便是普朗克温度。

结语

绝对零度给我们带来了太多惊喜,一个事实就是我们无法触及到绝对零度,因为微观世界中的不确定性原理,我们人类也只能做到无限去接近绝对零度,至于温度的上限是多少?这有待进一步去探寻。科学的魅力总能令我们着迷,科学也让人类感受到了“温度”。

那么好的这期的科学知识就先到这里了,喜欢的同学希望多多支持一下!


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