在日常生活中,温度用来表示物体的冷热程度。冬天气温低的时候,人会加衣服,夏天气温高的时候,人会脱衣服。无论气温高低,都在影响着我们的生活。
在我们的星球上,所有生物都有适应温度的机制。温度过高或过低,都会对生物产生一定的影响。北宋大文学家苏轼说:“欲乘风归,又恐琼楼玉宇孤高。”
其实这句话可以间接解释一个自然现象。海拔越高,温度越低。
温度的本质是什么?
我们对温度的理解只是热和冷两个概念,但实际上,温度真正代表的是一个物体有多热或多冷的物理量。这是一个关于温度极限的有趣问题。要理解这个问题,我们需要知道温度的本质。
我们在学习物理的时候,课本上是这样描述温度的:“温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上是物体分子热运动的强度。”
让我们以水为例。一杯热水的热量来自水分子的微观运动。当水逐渐冷却时,水中每个水分子的平均运动速度会越来越慢。直到温度降到0k,即-273.15℃,分子才会停止热运动。
当然0k只能无限接近,不能达到。总之,温度的本质是分子的运动。分子运动越剧烈,温度就会越高。
华氏温度和摄氏温度。
1724年,德国人沃伦·海特将冰的熔点定为32 ℉,标准大气压下水的沸点定为212 ℉,并在32 ℉至212℉之间将其分成180等份。每个等份被视为1度,这是华氏温标,符号F,单位是℉。
瑞典天文学家anders celsius在1724年提出,一个大气压下冰水混合物的温度为0℃,水的沸点为100℃。0℃到100℃之间的温度平均分为100份,每份代表1℃。用摄氏刻度符号C表示,单位用℃表示。
热力学温标。
1848年,威廉·汤姆逊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和绝对温标,在国际单位制中是度-日。K温标用符号T表示,K代表其单位。
我们通常所说的绝对零度是指热力学温标-0K,换算成摄氏度就是-273.15℃。是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。
目前宇宙最高温度是多少?
太阳一秒钟释放的能量足够全人类使用25万年,太阳表面温度约为5700℃,高于已知熔点最高的金属。所以看起来5700℃确实很高,但是宇宙最高温度是1.42亿度,也就是所谓的普朗克温度。
目前量子力学给出的温度上限是普朗克温度——绝对热,只有在大爆炸的瞬间才达到。
普朗克温度是怎么来的?
138亿年前,一种名叫“奇点”的神奇物质在瞬间发现了大爆炸,于是我们的宇宙诞生了。温度的本质是粒子的运动,是大爆炸产生的。
在BIGBANG的那一刻,温度极高。后来温度下降,能量凝聚成我们现在的基本粒子,然后形成原子、分子等等。终于,我们现在的宇宙形成了。
粒子振动越来越剧烈,温度会越来越高。在BIGBANG的初始时刻,粒子能达到的最高温度是肯定的,也就是BIGBANG中那一时刻的温度。超过那个时刻,就会进入量子引力的范围,现代物理学在这个时刻就会失效,所以这个时刻达到的温度就是宇宙中的最高温度。
为什么不能达到绝对零度?
绝对温度被定义为所有原子运动停止的点。为了达到真正的绝对零度,不仅原子的运动需要停止,所有原子的内部成分也需要停止,所以电子需要停止围绕原子核运动,原子核中的中子和质子也会停止相互作用,它们的内力、夸克等等也必须停止一切活动。
然而,由于量子力学效应,这是根本不可能的。因为我们空之间的能量交换一直在进行,这只是一种理想情况,所以绝对零度只能无限接近,不可能达到。
目前利用激光冷却和磁蒸发冷却技术有可能接近绝对零度。在激光冷却中,原子和光子通过快速运动发生碰撞,直到它们减速到1/10,000开尔文。
总结一下。
温度主要取决于内部原子、分子和其他粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子的平均动能越大,温度越高。
当粒子的平均动能低于量子力学的最低点时,温度达到绝对零度。这个时候温度已经不能再低了,但实际上自然界的温度只能无限接近绝对零度,永远不会达到绝对零度。这是因为当它处于绝对零度时,所有粒子将完全静止。
所有的热力学活动都会停止,所以粒子的速度和位置都会确定,这与量子力学中的“不确定性”是相悖的。但实际上温度是有上限的,物理上叫做普朗克温度。
入侵和删除
