為何低溫只能降到-273.15度,而高溫卻可以升至數十億度甚至更高

在溫度範圍內的中低階段,水是液態的,DNA和蛋白質這樣的複雜分子能夠起作用,讓像我們這樣的生物有了生存的可能。當溫度稍稍升高,蛋白質就會變性(用於烹飪),這讓我們的生活多了滅菌一環。朊病毒能在135℃的沸水中存活,需要121℃的氫氧化鈉溶液(低於135℃)才能使其失去活性。

為何低溫只能降到-273.15度,而高溫卻可以升至數十億度甚至更高

(圖解:常溫下的液態水 來源:pakutaso)

為何低溫只能降到-273.15度,而高溫卻可以升至數十億度甚至更高

(圖解:高溫下沸騰的水 來源:freeImages)

在溫度較高的階段,原子無法結合形成分子,不存在液相和固相,電子也不能與等離子體中的原子結合。一些物質的其它奇異狀態能存在於非常高或非常低的溫度中,但此時的溫度已經超越了這種反應的發生範圍。恆星產生的能量,比如超新星,可以產生極高的溫度,我們可以從幾千光年以外的地球安全地觀察到這一切。幸運的是,大氣層和地球磁場能保護我們免受這些高能或高溫事件所釋放的大部分紫外線、X射線、伽馬射線和宇宙射線的傷害。其中一些宇宙事件異常活躍,伽馬射線的爆發可能導致了地球曾經的物種大滅絕。

為何低溫只能降到-273.15度,而高溫卻可以升至數十億度甚至更高

(圖解:許多宇宙事件能產生極高的溫度 來源:知乎專欄)

我們通常可以用每小時2英里的速度行走,但我們現在可能是靜止狀態,而理論上我們可以達到每小時6.7億英里的速度!我們存在於速度與溫度的低端,也意味著我們處於能量的低端。(不僅只有我們,整個宇宙都是懶惰的,前面關於低能量狀態的例子很好地形容了物體為什麼會生鏽、掉落、燃燒和放射衰變等。)

我並不同意溫度沒有上限的說法。溫度的定義是平均分子的動能,準確的公式是T = 1/(3k)mv^2,其中m是分子的質量(kg),v是速度(m/s),k是玻爾茲曼常量1.3806488E-23 J/K。當分子靜止時,v=0,也就是我們所說的“絕對零度”。當v接近光速,即=3e8 m/s時,就達到了最高溫度。

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(圖解:開爾文與玻爾茲曼常數 來源:新浪)

在空氣中,300開爾文(約為27℃)時分子最快能夠達到聲速,大約300m/s。所以空氣的最高溫度約為300*(3e8/300)^2 = 3e14K。這是理論上空氣中溫度的上限,不過在達到這個溫度前物質就會分解成亞原子粒子,我並不相信亞原子粒子能夠存活。這很像大爆炸早期的高溫期。

(譯者注:考慮到翻譯嚴謹性,以上所有公式、計算與常數均為直接複製原文,如有錯誤敬請留意)

攝氏溫標和華氏溫標是為人們日常生活中常見的溫度範圍而設計的。

為何低溫只能降到-273.15度,而高溫卻可以升至數十億度甚至更高

(圖解:攝氏溫標在生活中廣泛運用 來源:中央氣象臺)

還有另一類人,他們除了生活在常用這兩個尺度的地球上以外,還對地球以外的環境感興趣——一個溫度接近絕對零度的地方。這個地方的微粒停止了一切運動——這成為測量所有溫度的基準。由於“無運動”的狀態是靜止的,因此被定義為“絕對零度”,這就是開爾文溫標的起點。在開爾文溫標裡不可能有“零度以下”,因為沒有任何物質能比“絕對零度”更冷(微粒運動更小)。

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(圖解:開爾文單位是為紀念著名物理學家開爾文而命名的 來源:ps-taiwan)

開爾文定律,即熱力學第三定律。在一個接近熱平衡的系統中,不可能通過有限步驟達到絕對零度。所以絕對零度是可以達到的溫度的下限。

可以達到的最高溫度的下限沒有物理限制。

1)-275.15是一個隨機數字,我們也可以把它稱作0或-1000或45322。

2)溫度不能到達正數。最終,當一個封閉系統的溫度升高時,熵開始減少而非增加,使增加系統溫度越來越困難。

由於溫度有下限(0)但沒有上限,所以每個溫度值都更接近下限。每個有限數都比無窮更接近零(另一個有限數),因為n-0=n,∞-n=∞。

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. K君- quora

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