為什麼高溫無限而低溫最低是-273.15℃?

2020-11-24 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。

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    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。
  • 低溫的極限為零下273.15度,為何高溫卻可以無限上升?
    相信大家在上學的時候對溫度都是有所了解的,大家一定都聽說過一個溫度叫做絕對零度,而絕對零度就是溫度所能達到的最低度,這就是零下273.15攝氏度,而這個溫度目前來說是根本不可能達到的,既然有了絕對0度,那就會有許多人這麼想有了絕對0度,那溫度會不會有最高度呢,到目前為止,人類還不能發現有能夠達到溫度的極限。
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    :冰水混合物的溫度是0度,水沸騰溫度是100度(標準大氣壓下),如果當初人類制定的這兩個標尺有所變化,比如說我們定義「冰水混合物溫度為100度」,那麼最低溫度就不會是-273.15度了! 我們這裡所提的絕對零度指得便是0K,對應-273.15℃。絕對零度是熱力學的最低溫度,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。 第一代開爾文勳爵:威廉·湯姆森 三種溫標的轉換公式如下:F=1.8C+32;F=1.8(T-273.15)+32。
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    理論上的最低溫度與我們所處的環境溫度相差也就兩三百度,但高溫卻能高達幾萬、幾十萬甚至幾十億度以上。之所以有如此巨大的差異,與人類如何定義溫度有關。我們在生活中通常使用攝氏溫標,它的定義與水有關。在標準大氣壓下,純水的冰點被定義為0攝氏度,而純水的沸點則被定義為100攝氏度。