欧洲温度计量方式(科学课绝对零度)

朋友们,大家好!

女儿说:今天我们上了一节科学课。

我问:那老师讲了什么内容呢?

女儿说:关于温度的知识。爸爸,你知道绝对零度是多少度吗?

我说:额... 额... 好像是 -273.15℃

女儿问:还有比这个温度更低的温度吗?

我说:理论上应该没有吧。但科学是在不断进度步,如果某一天科学家发现了更低的温度也不是没有可能哦。

女儿问:既然绝对零度是温度的下限,那么最高温度的上限又是多少呢?

我说:嗯... 嗯... 最高温度应该是以万亿度为单位起吧,具体多少度我也不清楚[黑线][黑线]

今天我们就来聊一聊绝对零度 & 普朗克温度的话题。

众所周知,温度(temperature)是表示物体冷热程度的物理量,从微观上来讲是物体粒子热运动的剧烈程度。

欧洲温度计量方式(科学课绝对零度)(1)

而绝对零度(英文:The Absolute Zero),是热力学的最低温度,热力学温度的单位是K(开尔文),绝对零度就是0K(约为-273.15℃或-459.67℉)。在此温度下,物体分子没有动能,但仍然存在势能,此时内能为最小值。然而,绝对零度是无法达到的,只是理论的下限值。

【来自:百度百科】

从理论上来看,绝对零度确实是物质可能具有的最低温度。

因为物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的平均动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子平均动能越高,物质温度就越高。理论上,若粒子平均动能低到量子力学的最低点时,物质即达到绝对零度,不能再低。然而,根据热力学第三定律,绝对零度永远无法达到,只可能无限接近它。因为任何空间内必然存有能量和热量,它们会不断进行相互转换但不会消失。因此,绝对零度是不存在的,它只是理论上的温度下限值。

事实上,所有物质都是由无序运动或波动的粒子组成,而物质的温度则是由粒子运动而产生的。粒子运动愈快,温度愈高,物体愈热;粒子运动愈慢,温度愈低,物体愈冷。从粒子运动论观点看,温度是物体粒子运动平均动能的标志,温度是粒子热运动的集体表现。

欧洲温度计量方式(科学课绝对零度)(2)

布朗运动。资料来源:维基百科

为什么绝对零度是假设的呢?不是因为它只是一个假设,而是因为它在实践中根本无法实现。物质的温度越接近绝对零度,就越难从物质中去除剩余的微观量部分。在任何技术的帮助下,随着冷却过程的每一次重复,我们将能够吸收一定比例的剩余能量,但却无法将其全部吸收。因此,无论我们重复冷却过程多少次,总会有剩余的微观量部分,这意味着粒子会继续运动。

假设我们要将某些东西冷却到绝对零度,那么就需要温度低于绝对零度的制冷剂。这种制冷剂我们是无法获得的,因为它完全违背了现有的物理定律。

当接近绝对零度时,系统等温可逆过程的熵变化趋近于零,物质开始表现出新的、不寻常的特性:超流动性、超导性等。

欧洲温度计量方式(科学课绝对零度)(3)

是的,当人们谈论最低温度时,往往就是用绝对零度,它本质上是物质的所有粒子都停止运动。而目前人类已经接近达到这个温度了,因为美国麻省理工学院(MIT)的科学家们已经将分子冷却到逼近绝对零度——绝对零度的5千亿分之一摄氏度以上。

那么,有绝对的热度吗?它的最大值是多少?

欧洲温度计量方式(科学课绝对零度)(4)

嗯,不但有绝对热度,它还有一个名字叫普朗克温度(又名:普朗克热点 / 绝对热点 / 普朗克上限),它大约是 1.416833(85)×10^32 K 。

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普朗克温度公式

其中:mp为普朗克质量,c为真空中的光速,h为约化普朗克常数(又称狄拉克常数),k为玻尔兹曼常数,G为万有引力常数

普朗克温度定义如下:任何被加热的物体都会发出电磁波,其波长取决于物体本身的温度。温度越高,波长越短。当达到普朗克温度时,波长将等于普朗克长度 (1.616 × 10⁻³⁵ m) ,这是基本常数之一。

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普朗克长度公式

是的,由普朗克常数确定,从该常数可以定出最小的长度量子(即:普朗克长度),其远远小于原子核的尺度,在如此小规模的尺度上,现代物理学已经停止工作了。这里需要引入量子引力理论,但这一理论目前还处于研究阶段,这就意味着科学家们还无法描述温度高于普朗克温度的物体的行为。

据说,在现时的物理宇宙学中有一个假设,普朗克温度是宇宙大爆炸第一个瞬间的温度(第一个单位普朗克时间)。但目前还没有证实这一点。

(本文完结)

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