为什么高温无限而低温最低是-273.15℃?
在日常生活中,温度用来表达物体冷热程度的,冬天温度低了大家就要加衣,夏天温度高了就会脱衣,不管气温高低,都在影响着我们的生活。
在我们地球上,所有的生物对温度都有一个适应机制,温度如果过高或者过低都会对生物机体造成一定的影响。在北宋大文学家苏轼词中说“我欲乘风归去,又恐琼楼玉宇,高处不胜寒。”
从这句话中其实也可以间接地说明一种自然现象,海拔越高的地方,温度越低。
- 温度的本质是什么?
我们对温度的理解也只是热和冷这两个概念,但事实上温度确实表示物体冷热程度的一个物理量。关于温度的极限这是一个有趣的问题,要想了解这个问题,就需要来认识一下温度的实质。
在我们学习物理的时候,课本里描述温度是这样的“温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。”
我们以水为例,一杯热水的热量是来自于水分子的微观运动,当水渐渐冷却的时候,那么水里面每个水分子的平均运动速度会越来越慢,直到温度降到0k,也就是-273.15℃,分子才会停止热运动。
当然0k只能无限接近,无法达到。总而言之温度的本质就是分子的运动,分子运动得越激烈,温度就会越高。
- 华氏温标和摄氏温标。
在1724年是由德国人华伦海特制定的,他把冰的熔点温度定为32 ℉,把标准大气压下水的沸点温度定为212℉,又在32℉~212℉之间平均分成了180份,把每一等份认为是1度,这就是华氏温标,符号F,单位是℉。
是由1724年瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯提出,一个大气压下的冰水混合物的温度为0 ℃,水的沸点为100℃ ,把0~100℃之间平均划分为了100份,每份代表为1℃。摄氏温标用符号C表示,用℃表示单位。
- 热力学温标。
到了1848年,威廉·汤姆森利用热力学第二定律的推论卡诺定理引入热力学温标。热力学温标又称开尔文温标、绝对温标,简称开氏温标,是国际单位制中的温度单位,K氏温标用符号T表示,K表示其单位。
我们平时所说的绝对零度指的就是指热力学温标——0K,换算为摄氏温度也就是-273.15℃,是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。
- 目前宇宙最高温是多少?
太阳一秒钟所释放出来的能量就足够全人类使用25万年的了,而太阳的表面温度约为5700℃左右,这个温度超过了目前已知的熔点最高的金属,这样看来5700℃确实很高,但是宇宙最高温可是1.42亿亿亿亿度,还被称为普朗克温度。
目前量子力学给出的温度上限就是普朗克温度——绝对热度,只有宇宙大爆炸的那一刻才达到过这个温度。
- 普朗克温度怎么来的呢?
在138亿年前一个叫“奇点”的神奇物质在一瞬间发现大爆炸,于是我们的宇宙就诞生了,而温度的实质是粒子运动,粒子又是宇宙大爆炸产生的。
在宇宙大爆炸那一瞬间温度极高,后来当温度降下来时,能量便凝聚成了我们现在的基本粒子,之后又形成了原子、分子等等,最后便有了我们现今的宇宙。
粒子振动得越来越厉害,温度就会越来越高,而在宇宙大爆炸的初始时刻,肯定粒子所能达到的就是最高温度,也就是宇宙大爆炸那一刻的温度,超过那一刻就进入了量子引力的范围,而且现代物理学将在这一刻失效,因此这时候所达到的温度就是宇宙最高温。
- 为什么达不到绝对零度呢?
绝对温度定义为所有原子运动停止的点,为了达到真正的绝对零度,不仅原子运动必须停止,而且所有原子的内部组件也需要停止,那么电子需要停止绕原子核运动,原子核中的中子和质子也将停止相互作用,其内力,夸克等等也都必须停止所有活动。
但由于量子力学效应,这是根本不可能的达到的。由于我们空间中的能量交换每时每刻都在进行,这只是一种理想情况,因此绝对零度只能无限接近,不可能达到。
目前使用激光冷却和磁蒸发冷却技术已经可以非常接近绝对零度了,在激光冷却中利用快速移动让原子与光子相撞,直到它们减慢到开尔文的1 / 10,000度。
- 总结。
温度主要是取决于内部原子、分子等粒子的动能,根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子的平均动能越大,温度也就越高。
当粒子的平均动能低于量子力学的最低点时,温度就达到了绝对零度,此时温度已经不可能再低了,但事实上自然界的温度只能无限逼近于绝对零度,永远不可能达到绝对零度,这是因为当处于绝对零度的时候,此时所有粒子都将处于完全静止的状态。
一切的热力学活动也将全部停止,那么粒子的速度和位置就被确定了下来,与量子力学中的“不确定性”是违背。但其实温度也是有上限的,上限在物理上被称为普朗克温度。