为什么温度没有上限(为什么有最低温度)
温度关乎人的心情和感受,更事关人类的生存 。在日常生活中,与温度相关的讨论,最多的就是气温和人的体温 。人类的平均体温大约在37度左右,正常情况下波动不超过1摄氏度 。最适宜人类生存的环境温度大约为15摄氏度 。在地球表面,通常两极地区较冷、赤道地区最热,地球上的气温差异可达100多度 。
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我们凭感觉就可以判断水的冷热,但这只能定性描述,为了定量化描述水的冷热程度,于是我们就发明了温度这个概念 。众所周知,物体是由分子构成的,分子总是在永不停息的运动 。从微观角度来看,温度就是大量分子的热运动的剧烈程度 。对于单独一个分子来说,温度没有意义 。
我们只能通过物体随温度变化的某些特征量来间接测量温度 。生活中一般利用物体的热胀冷缩现象来进行温度测量 。就拿我们常见的水银温度计来说,它就是利用水银的热胀冷缩现象而制成的 。当温度升高时,水银的体积就会膨胀;温度下降,水银的体积又会缩小 。利用水银的体积和温度成正比这一特性,将水银密封在一个玻璃管中,规定一个零点,并均匀的划上刻度,于是一个简单的温度计就做成了 。
为了日常生活中的使用方便,通常使用摄氏温标 。摄氏温标规定冰水混合物的温度为0度,标准大气压下纯水沸腾的温度为100度 。此外常见的还有华氏温标以及热力学温标(开氏文标) 。
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人类历史记载过的南极最低温曾达到零下90多度,但这并不是最低的温度,宇宙间的最低温度可以达到零下270摄氏度 。普通火炉的温度只有几百度;目前已知熔点最高的物质是铪合金(Ta4HfC5),我们需要4215多度的温度才能将其融化;太阳表面有5000多摄氏度,内部核心温度可达1500万摄氏度 。
【为什么温度没有上限(为什么有最低温度)】不过,物体的温度并不能无限地升高或者降低,物质存在一个最高温和一个最低温 。
温度的上限——普朗克极限温度普朗克温度是宇宙间的最高温,他是宇宙大爆炸初始时刻的物质温度,其理论数值大小为1.42×10^32℃ 。科学家推测没有任何物质的温度能够超越它 。
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(普朗克温度:宇宙大爆炸10^-43秒后的温度)
之所以存在一个最高温,是因为物体的温度越高,分子的运动速度越快,而真空中的光速是宇宙中物体运动速度的极限 。当粒子的速度越来越接近光速时,其质量也就越来越大,超过临界值时,构成物体的每个粒子都会坍缩成黑洞,那么时间和空间也将会崩溃 。因此,除了宇宙大爆炸第一个瞬间,没有物质的温度能达到甚超越他 。
目前人类所能产生的最高温是5亿度,比太阳中心温度还要高上30倍 。该温度是1994年美国普林斯顿物理实验室中的托卡马克装置创造出来的,是氘和氚在核聚变反应时产生的等离子体的温度 。这与普朗克温度相比,根本不在一个数量等级上 。
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(上图为托卡马克核聚变反应堆示意图)
温度的下限——绝对零度温度存在一个理论上限,自然也存在理论下限 。理论上来讲,物体的温度只能无限接近于零下273.15摄氏度,因在热力学温标下为 0开,故该温度被称之为绝对零度 。热力学第三定律的内容就是绝对零度不可达 。
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(上图为超低温状态下的超导悬浮现象)
理论上来说,在绝对零度状态下,物体分子会处于静止状态,没有了热运动 。事实上,物体分子是不可能保持绝对静止止状态的,因此绝对零度不可达 。不过,在量子世界中,即使物体的温度达到绝对零度,在泡利不相容原理以及不确定性原理的制约下,像电子等基本粒子仍然会存在量子运动,只是物质会以最低的能量状态存在 。
玻色原子的温度在接近绝对零度状态时,会发生玻色—爱因斯坦凝聚,处于这种状态下,几乎全部原子都处于能量最低的量子态,会形成一个宏观的量子状态,就像单个粒子一样 。要想达到如此低的温度,常规方法已经不行了,需要使用激光冷却技术 。
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(上图为激光冷却原理示意图)
目前人类创造的超低温度,只比绝对零度高几纳开 。一纳等于10的-9次方 。
由于温标的不同,以及经验的影响,这里给人以错觉,似乎高温范围比低温更广,其实只要使用热力学温标,就不会出现温度为负数的状态 。
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