為什麼絕對零度是-273.15℃?這個數字有什麼特別的?

2021-02-07 天文在線

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在物理學中許多常數都好像是任意設定的。攝氏溫標把水結冰到沸騰的溫度設定為0-100攝氏度。在發現絕對零度之前,這一直是一個方便的溫標。在這之後,對科學家來說有了更方便的溫標,就是將絕對零度定義為0開氏度,並以升高1攝氏度的標準定義1開氏度的增量。那麼這個數字有什麼特別的呢?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。一個更合適的標準可以設定出溫度T,讓能量E=KT中玻爾茲曼常數K=1,並且KT=1焦耳。這種現象不常發生,因為即便是米和秒也是任意設定的。

圖解:溫度計用開爾文和攝氏度校準。拍攝於荷蘭奈梅亨的聖史蒂芬斯教堂。溫度計本身位於支撐教堂中殿的一個柱子中的一個壁龕中。

-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。固體分子停止震動,表現得像一個被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體的巨大原子。

這個溫度只能在理論上達到,因為它似乎違背了能量守恆定律。

圖解:銣原子氣體在高於絕對零度的幾十億分之一的溫度下的速度分布數據。左:就在Bose-Einstein凝聚物出現之前。中心:剛好凝結後出現。右:進一步蒸發後,留下幾乎純淨的冷凝物樣品。

簡單來說,如果我們達到這個溫度,並且能保持住,還能避免光線引起的溫度升高,那麼所有關於原子和量子力學的問題都會找到答案。

圖解:回力棒星雲是在半人馬座的方向上,距離地球5,000光年的一個原行星雲。這個星雲的溫度經測量為1K(272.15°C; 457.87°F),是自然界中已知溫度最低之處。

這個數字唯一「特殊」的是,它是向下延伸攝氏溫標的結果,直到所有原子/分子不再「運動」的點(「絕對零度」)。

當安德斯·攝爾修斯首次提出他的溫標時,水沸騰時為100度,水結冰時為0度。 幸運的是,後來這種情況發生了逆轉(在1744年,在攝爾修斯去世後,由卡爾·馮·林奈調整)。

圖解:放入水中的冰塊在開始融化時將達到冰的0°C熔點。

這兩點的選擇是具有哲學意義的,因為當環境溫度與這兩個極點相接近時,地球生活環境似乎是最佳的,但這個選擇也是隨心所欲的。華倫海特也任意的選取了兩點,列奧米爾(和其他幾個人,詳見溫度單位的轉換)也一樣。

1開氏度的大小等於1攝氏度的大小,而0攝氏度被視為冰點,但是在這一點上系統也提供了相當大的能量。這就是為什麼我們會用一個低於冰點的攝氏度來表示分子能級。

圖解:一隻手拿著一塊冰塊在拍照,中心部分的白色區域是為微小的空氣氣泡。

在不使用開氏溫標的情況下,0點被視為任何系統不提供能量,並且體積為0的點,它是通過攝氏度在t-v曲線上延伸計算出來的。當這個曲線被延伸到體積為0時,溫度為-273.15攝氏度,也就是0開氏度。因為0點是最低的能量點,任何系統都不能具有能量,所以開氏溫標上也沒有負溫度,他又被稱為絕對溫標。根據熱力學第二定律,0開氏度點無法通過傳熱實現。

圖解:一個常見的攝氏度溫度計,顯示冬季白天溫度為-17°C。

儘管沒有發現像開氏溫標這樣絕對的標準,但發現了在卡諾熱機上熱量吸收和釋放比率的溫度函數,後來人們把它視為開氏溫度,並把三相點0.01攝氏度作為273.16開氏度的參考,取1攝氏度=1開爾文。

但這是另一種簡單的理解方式。

圖解:羅伯特·博伊爾開創了絕對零的概念圖

絕對零度已經通過實驗確定為-273.15℃。開氏溫標設計為與攝氏溫標一一對應,所以這個值不是隨便設定的,是被導出的,這也是為什麼不取整數值的原因。

這個數字非常特殊,因為理想氣體體積為0,所有材料的熵也為0。

那麼-273.15℃是我們所知的最低溫度。 如果我們採用恆定體積的理想氣體溫度計並繪製溫度計中包含的理想氣體的壓力和溫度之間的曲線,那麼我們將發現-273.15℃是理想氣體壓力變為零的溫度。正如我們所知,任何氣體的壓力都可以認為是氣體粒子在正常方向上向每單位面積容器壁撞擊的動量變化率。壓力為零意味著動量變化為零,這意味著氣體分子的速度為零(如果容器沒有被抽空)。如果在理想氣體分子速度為零,則這意味著氣體顯熱能量為零(在理想氣體的情況下它等於內部能量)因為顯熱能量是溫度的函數,所以我們能導出結論:這是絕對零度,我們能達到的最低溫度。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.quora-杭青

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