為什麼高溫無限而低溫最低是-273.15℃?

2020-12-17 星球上的科學

在日常生活中,溫度用來表達物體冷熱程度的,冬天溫度低了大家就要加衣,夏天溫度高了就會脫衣,不管氣溫高低,都在影響著我們的生活。

在我們地球上,所有的生物對溫度都有一個適應機制,溫度如果過高或者過低都會對生物機體造成一定的影響。在北宋大文學家蘇軾詞中說「我欲乘風歸去,又恐瓊樓玉宇,高處不勝寒。」

從這句話中其實也可以間接地說明一種自然現象,海拔越高的地方,溫度越低。

溫度的本質是什麼?

我們對溫度的理解也只是熱和冷這兩個概念,但事實上溫度確實表示物體冷熱程度的一個物理量。關於溫度的極限這是一個有趣的問題,要想了解這個問題,就需要來認識一下溫度的實質。

在我們學習物理的時候,課本裡描述溫度是這樣的「溫度是表示物體冷熱程度的物理量,微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。」

我們以水為例,一杯熱水的熱量是來自於水分子的微觀運動,當水漸漸冷卻的時候,那麼水裡面每個水分子的平均運動速度會越來越慢,直到溫度降到0k,也就是-273.15℃,分子才會停止熱運動。

當然0k只能無限接近,無法達到。總而言之溫度的本質就是分子的運動,分子運動得越激烈,溫度就會越高。

華氏溫標和攝氏溫標。

在1724年是由德國人華倫海特制定的,他把冰的熔點溫度定為32 ℉,把標準大氣壓下水的沸點溫度定為212℉,又在32℉~212℉之間平均分成了180份,把每一等份認為是1度,這就是華氏溫標,符號F,單位是℉。

是由1724年瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯提出,一個大氣壓下的冰水混合物的溫度為0 ℃,水的沸點為100℃ ,把0~100℃之間平均劃分為了100份,每份代表為1℃。攝氏溫標用符號C表示,用℃表示單位。

熱力學溫標。

到了1848年,威廉·湯姆森利用熱力學第二定律的推論卡諾定理引入熱力學溫標。熱力學溫標又稱開爾文溫標、絕對溫標,簡稱開氏溫標,是國際單位制中的溫度單位,K氏溫標用符號T表示,K表示其單位。

我們平時所說的絕對零度指的就是指熱力學溫標——0K,換算為攝氏溫度也就是-273.15℃,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。

目前宇宙最高溫是多少?

太陽一秒鐘所釋放出來的能量就足夠全人類使用25萬年的了,而太陽的表面溫度約為5700℃左右,這個溫度超過了目前已知的熔點最高的金屬,這樣看來5700℃確實很高,但是宇宙最高溫可是1.42億億億億度,還被稱為普朗克溫度。

目前量子力學給出的溫度上限就是普朗克溫度——絕對熱度,只有宇宙大爆炸的那一刻才達到過這個溫度。

普朗克溫度怎麼來的呢?

在138億年前一個叫「奇點」的神奇物質在一瞬間發現大爆炸,於是我們的宇宙就誕生了,而溫度的實質是粒子運動,粒子又是宇宙大爆炸產生的。

在宇宙大爆炸那一瞬間溫度極高,後來當溫度降下來時,能量便凝聚成了我們現在的基本粒子,之後又形成了原子、分子等等,最後便有了我們現今的宇宙。

粒子振動得越來越厲害,溫度就會越來越高,而在宇宙大爆炸的初始時刻,肯定粒子所能達到的就是最高溫度,也就是宇宙大爆炸那一刻的溫度,超過那一刻就進入了量子引力的範圍,而且現代物理學將在這一刻失效,因此這時候所達到的溫度就是宇宙最高溫。

為什麼達不到絕對零度呢?

絕對溫度定義為所有原子運動停止的點,為了達到真正的絕對零度,不僅原子運動必須停止,而且所有原子的內部組件也需要停止,那麼電子需要停止繞原子核運動,原子核中的中子和質子也將停止相互作用,其內力,夸克等等也都必須停止所有活動。

但由於量子力學效應,這是根本不可能的達到的。由於我們空間中的能量交換每時每刻都在進行,這只是一種理想情況,因此絕對零度只能無限接近,不可能達到。

目前使用雷射冷卻和磁蒸發冷卻技術已經可以非常接近絕對零度了,在雷射冷卻中利用快速移動讓原子與光子相撞,直到它們減慢到開爾文的1 / 10,000度。

總結。

溫度主要是取決於內部原子、分子等粒子的動能,根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布,粒子的平均動能越大,溫度也就越高。

當粒子的平均動能低於量子力學的最低點時,溫度就達到了絕對零度,此時溫度已經不可能再低了,但事實上自然界的溫度只能無限逼近於絕對零度,永遠不可能達到絕對零度,這是因為當處於絕對零度的時候,此時所有粒子都將處於完全靜止的狀態。

一切的熱力學活動也將全部停止,那麼粒子的速度和位置就被確定了下來,與量子力學中的「不確定性」是違背。但其實溫度也是有上限的,上限在物理上被稱為普朗克溫度。

相關焦點

  • 溫度的絕對零度是-273.15攝氏度,為什麼高溫無限高呢?
    溫度這個概念的對於我們來說並不陌生,水的沸點是100℃,人的正常體溫是36.5℃,冰點是0℃,最低溫度的極點是-273.15℃也就是我們所說的絕對零度。那麼既然宇宙的能量總和是有限的,為什麼轉換成熱能後體現出來的溫度卻是無限高呢?想要了解溫度首先我們要知道溫度的概念。我們一般認為物質當中粒子的運動會產生能量,構成物質的粒子之間的運動使得粒子具有一定的能量,而經過能量轉換後粒子的動能轉換成熱能從而產生熱量,熱量的體現也就是我們所說的溫度。溫度是我們用來衡量物質當中粒子所攜帶的平均動能的物理量。
  • 為什麼宇宙間溫度高可達上億度,而低溫最低只有-273.15度?
    記得是去年,看到一則新聞,說中國人造太陽的溫度已經超過太陽溫度的五倍,我當時覺得自豪但也好奇,溫度都已經可以人為的提高這麼大,那麼人造低溫也應該低至負的幾千萬度吧,直到我網上查了一下後,大吃一驚。人類目前能夠認為製造的低溫只能接近-273.15度,同時也表示,自然界最低溫度(下限)也就是-273.15度。為什麼會這樣呢,首先,我們得弄清楚什麼是溫度。初中物理書上給出的溫度定義是:物體的冷熱程度。這其實這只是更好地理解什麼是溫度,但這樣解釋並不具體。準確的來說,溫度應該是物體分子熱運動的劇烈程度。
  • 低溫只能達到-273,而高溫可以達到上億度!是什麼導致的?
    低溫只能達到-273.15,而高溫可以達到上億億度!是什麼導致的?這個問題不難理解,不用太過深奧複雜的數學方程就能明白。首先我們要弄清楚溫度是什麼,簡單說就是微觀粒子的運動劇烈程度,運動越劇烈,溫度就越高。
  • 為什麼宇宙最低溫度是-273度左右?為什麼不是-300度?
    其實宇宙中的最低溫度被我們叫做絕對零度,這個絕對零度的數值是:-273.15℃。可能你要問了,為什麼不是零下300度,或者其他的一些數值,非得是精確的-273.15℃?熱力學這裡就涉及到熱和溫度的概念了。
  • 人造最高溫度已經達到5.5萬億度,為何造不出-273.15度的低溫呢?
    為什麼高能粒子加速器內會誕生這麼高的溫度呢?為什麼加速器內可以承受這麼高的溫度?人類已知的熔點最高的物質鉿合金(Ta4HfC5)的熔點也才僅僅4215℃啊,如此高的溫度究竟是如何存在於地球的?想要知道這些,我們需要複習一下物理學中對於溫度的定義:溫度是微觀粒子運動的宏觀表現。所以說,我們感受到的並不是溫度,而是熱量。
  • 絕對零度是-273.15℃,為啥沒有最高溫度定義呢?
    高中的物理課本裡存在一個概念:絕對零度,就是-273.15℃。絕對零度是人類公認的最低溫度,據說絕對零度是無法出現在宇宙中的。世間存在的東西總是相對的,既然有人定義了絕對零度,那是不是也該存在絕對高溫?事實上,截至目前為止,還沒有人提出過絕對高溫或者是最高溫的概念。
  • 為什麼溫度有零下273.15攝氏度的下限,卻沒有一個明確的上限值?
    在人類自定義下的溫度,出現了上限值和下限值,相信很多朋友也知道,溫度不可能無限降低,它有一個極限值那就是絕對零度,即零下273.15攝氏度。雖然這是一個溫度的下限,但是卻沒有能夠達到這個值的溫度,這是為什麼呢?
  • 為什麼絕對零度是-273.15℃?這個數字有什麼特別的?
    在新的溫標下,水在273.15開氏度時結冰。圖解:零開爾文(-273.15°C)定義為絕對零度。開氏溫標仍是一個歷史性的妥協。-273.15攝氏度或0開氏度被稱為絕對零度,可能是宇宙中已知的最低溫度。在這個溫度下會有以下幾個特點:根據查理定律,我們了解到理想氣體的壓力與溫度成正比。在絕對零度時,壓力為0,這意味著氣體可以無限壓縮。所有分子和原子動能為0。
  • 宇宙中的高溫沒有上限,極限低溫只有幾百攝氏度,為什麼會這樣?
    我們知道,爆炸會伴隨著高溫和熱量,這些高溫能量就是形成無數天體的養分。這也意味著,世界萬物都可以不斷加熱,只要有足夠大的能量,那麼溫度就可以不斷地升高。  這個溫度是零下273.15攝氏度,這個溫度也是低溫下的極限值,無論什麼情況都不會有比這個還要低的溫度了。
  • 絕對零度:最低溫度的極限:宇宙中永遠達不到的溫度:-273.15℃
    也就是說,如果想提高卡諾熱機的效率,就必須考慮低溫和高溫熱源的溫度。在任何一種熱機中,只要燃燒就可以獲得溫度比環境要高的高溫熱源。那麼低溫熱源就是環境。在這裡,T1和T2用的都是熱力學溫度。在這套算式中,人們就可以很清楚:一定要提高T2的溫度。
  • -273°使時間和空間都失去意義
    可是寒冷的冬季對於許多動物來說簡直就是噩夢,冬季的到來,溫度降低,意味著食物的來源大大減少,並且有些動物消耗大量能量來抵抗低溫。正是這樣,能夠生活在地球兩極的生物種類很少,在極端的溫度環境下生存,是需要一定的基本功。我們總是關注這個世界可能會被自然災害滅亡,可是卻忽視了溫度的存在,溫度的極端變化會使得一切空間變得沒有任何意義。
  • 絕對零度-273.15℃有多可怕?光都能被凍結
    物體溫度所達到的極限值是個無限靠近又無法達到的值。絕對零度的值為零下273.15度。絕對零度僅僅存在於理論中的下限值,它的熱力學溫標單位為開爾文,開爾文溫標的零點就是絕對零度。或許有人會問,如果溫度瞬間達到絕對零度,生命將會不會終結?
  • 為什麼燕魚可以低溫飼養,七彩就不行,它們最低飼養溫度是多少?
    今天一位魚友問到了養魚老道七彩神仙魚的最低耐受溫度是多少,我們可不可以低溫飼養七彩神仙魚?因為這個東西雖然是高脂肪、高熱量,對於七彩神仙魚的迅速成長會有一定的幫助,但是畢竟動物類蛋白質極不利於七彩神仙魚的消化,特別是小魚苗,所以這也是為什麼七彩神仙魚不能夠低溫飼養的主要原因。
  • 地球最低溫度是多少?低至零下1000攝氏度的地方存在嗎?
    引言:地球最低溫度能達零下1000攝氏度嗎?科學家搖頭,指出宇宙內最低溫度為-273.15攝氏度,至今沒有事物或區域能達到此溫度,它只存在於理論中。說到低溫,筆者想問大家一個問題:你認為地球最低溫度能達到多少?對於這一問題,相信不同人會給出不同答案,有人認為地球最低溫度能達零下100攝氏度,也有人認為地球最低溫度能至零下1000攝氏度。根據常識,我們知道,地球內溫度較低的兩個區域分別是南極和北極。
  • -273.15℃的絕對零度,到底可怕在哪?時間與空間都被凍結
    雖然高溫從某種程度上來說沒有上限,但是宇宙中的低溫卻是有一個明確的下限的。這個下限是0K,也就是-273.15攝氏度,也就是我們常說的「絕對零度」。那麼這個絕對零度究竟是個什麼概念呢?宇宙中為何不能出現比絕對零度還要低的溫度呢?
  • 最低溫度是多少度?
    最低溫度:所以理論上,當物體的分子完全靜止的時候,就是溫度最低的時候,科學界對這個溫度有一個專業名詞——絕對零度。根據計算,「絕對零度」的數值為-273.15℃,在此溫度下,物體分子的動能為0,處於完全靜止的狀態,所以這就是溫度的下限,也是一個理論值。
  • 絕對零度是最低溫度嗎?溫度是否有上限?聽聽科學家是如何解釋的
    近年來的高溫天氣可是讓很多人感到非常難受,尤其是今年我國的高溫又是不斷創出新高,持續時間也比去年長,這種高溫天氣導致颱風頻發,各種極端天氣也時不時地發生。前段時間,日本的高溫還造成10多人死亡,上萬人中暑,由此可見,高溫天氣已經成為人類的一大威脅。
  • 絕對零度是零下273.15度,那宇宙中的最高溫度是多少?
    很多人都知道,在熱力學理論之下最低的溫度是零下273.15攝氏度,也就是我們所說的絕對零度。當物質達到這一溫度,連原子都會凍結。那與此對應的宇宙中最高的溫度又是多少,當達到最高溫度上限時又會出現怎樣無法用常理解釋的事情呢?
  • 既然沒有超長溫度計,科學家如何測量出宇宙深空最高和最低溫度?
    我們中國通行攝氏溫標,攝氏度℃溫標與K對應為,-273.15℃=0 K,0℃=273.15K。在攝氏度0℃以上時,如果以熱力學溫標計數,只要減掉273.15度,就是攝氏度。而在宇宙很高溫度下,比如萬度乃至億度時,這種差別完全可以忽略不計,因為宇宙測得的極高溫度本身也是有誤差的,而且不止幾百度誤差。