熱力學傳奇之十二:只要懂熱力學,這個年輕人秒殺了滅霸

2021-01-08 科學背後的故事

團滅復聯的滅霸

在《復仇者聯盟三:無限戰爭》中,滅霸出手,打的一眾英雄毫無還手之力,之所以會如此,一是因為滅霸的無限手套厲害,還有一個原因就是復聯目光狹隘,沒有想到去找外援,在X-戰警中,就有一個年輕人可以秒殺滅霸。

可以秒殺滅霸的冰人

這個年輕人就是冰人,冰人可以違反熱力學第二定律,把水變成冰,甚至可以把物體溫度降至絕對零度,在絕對零度下分子都不能運動,當然可以秒殺滅霸。

那麼絕對零度是個什麼概念呢?還是要請開爾文勳爵出場。

開爾文爵士

開爾文勳爵最著名的事情當然是他關於「兩朵烏雲」的演說,那篇演說指出了十九世紀物理學的困境,引發了相對論和量子論,從這裡可以看出開爾文勳爵睿智的眼光,演講也證明了他在當時物理界的地位,。

不過勳爵的貢獻不止於此,其實從那篇演講就可以看的出來,那可是世紀末的物理學年會,需要最牛的物理學家來對十九世紀做一個總結,由此就可以看出開爾文在當時物理界的地位。

開爾文勳爵本名威廉.湯姆遜,由於他在物理學的巨大貢獻,所以英國王室授予他勳爵封號,當時沒有諾貝爾獎,授予爵位是一項極大的榮譽,因為這是王室授予的,俗話說三代才出一個貴族,而當時只要天賦異稟,在科學上做出巨大貢獻就可以得到,例如偉大的牛頓就是爵士,法拉第也被授予了爵位,不過他是聖人,拒絕接受,但不管怎麼說,這項榮譽都遠超過土豪頒發的獎項。

不過開爾文爵士還有一個比王室授予的爵位更大的榮譽,就是絕對溫標以他的稱號命名,這才是一個科學家最大的榮譽,權勢富貴都會隨時間而煙消雲散,而這個榮譽會因時間長久而更加熠熠生輝。

開爾文勳爵出身書香門第,父親是大學教授,十歲就進入大學,十四歲大學畢業,十五歲發表論文,看到勳爵的條件,幼年失學的法拉第已經哭暈在廁所,要是當初法拉第有這條件,估計以後也沒有麥克斯韋什麼事了。

前面已經說過,勳爵通過對卡諾循環的研究推導出了熱力學第二定律,奠定了他在科學史上的地位,但是勳爵並沒有止步,他想溫度是不是有下限呢?

我們現在已經知道,溫度就是分子運動的平均動能,當分子不再運動時,溫度就不可能再低了,這個溫度就叫做絕對零度,是不是很好理解,可關鍵是當年人們並不知道溫度是分子運動的平均運動動能這個概念,就連物體是由分子原子構成的這種說法都要愛因斯坦來證實,那麼開爾文勳爵是如何得出絕對零度概念的呢?

中學時我們都學過氣體方程,就是PV=nRT,這是由三個理想氣體方程的綜合,這三個理想氣體方程分別是波義耳馬略特定律、查理定律和蓋呂薩克定律,其中蓋呂薩克定律就是V/T=C,V代表氣體的體積,T代表氣體的溫度,C代表常數,就是說氣體的體積和溫度的比值是一個常數。

從蓋呂薩克氣體方程可以看出,氣體的體積和壓力都和溫度成正比,那麼當氣體內部沒有空隙的時候,就是每一個氣體分子都擠成一團,不能在壓縮的時候,其體積就不能在縮小了,那麼這時候當然溫度也不可能在繼續降低了,這個溫度就是溫度的下限,就是絕對零度。

而蓋呂薩克定律的另一種表述方式就是一定質量的氣體,在保持壓強不變的情況下,溫度每升高(或降低)1℃,增加(或減小)的體積等於它在0℃時體積的1/273 ,照這麼推算,絕對零度就是-273℃,現在一般認為絕對零度是-273.15℃。

其實在開爾文爵士之前,法國科學家蕾蒙頓就已經提出了絕對零度的概念,不過是在開爾文爵士確定熱力學溫標的時候,重新提出絕對零度,這個概念才推廣開來,所以熱力學溫標就以開爾文為單位。

既然有絕對零度了,那麼是不是可以達到這個溫度呢?這就是熱力學第三定律了。

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