2008年8月26日星期二

理论上的最低温度 可望不可即的绝对零度

理论上的最低温度,把-273.15℃定作热力学温标(绝对温标)的零度,叫做绝对零度(absolute zero)。 绝对零度的单位是开尔文(K±)
①在中学阶段,对于热力学温标和摄氏温标间的换算,是取近似值T(K)=t(℃)+273。实际上,如以
点为标准,绝对零度应比它低273.15℃所以精确的换算关系应该是T(K)=t(℃)+273.15。

②绝对零度是根据理想气体所遵循的规律,用外推的方法得到的。用这样的方法,当温度降低到-273.15℃时,气体的体积将减小到零。如果从分子运动论的观点出发,理想气体分子的平均平动动能由温度T确定,那么也可以把绝对零度说成是“理想气体分子停止运动时的温度”。以上两种说法都只是一种理想的推理。事实上一切实际气体在温度接近-273.15℃时,将表现出明显的量子特性,这时气体早已变成液态固态。总之,气体分子的运动已不再遵循经典物理的热力学统计规律。通过大量实验以及经过量子力学修正后的理论导出,在接近绝对零度的地方,分子的动能趋于一个固定值,这个极值被叫做零点能量。这说明绝对零度时,分子的能量并不为零,而是具有一个很小的数值。原因是,全部粒子都处于能量可能有的最低的状态,也就是全部粒子都处于基态

③由于水的三相点温度是0.01℃,因此绝对零度比水的三相点温度低273.16℃。

绝对零度表示那样一种温度,在此温度下,构成物质的所有分子原子均停止运动。所谓运动,系指所有空间、机械、分子以及振动运动.还包括某些形式的电子运动,然而它并不包括量子力学概念中的“零点运动”。除非瓦解运动粒子的集聚系统,否则就不能停止这种运动。从这一定义的性质来看,绝对零度是不可能在任何实验中达到的,但目前科学家已经在实验室中达到距离绝对零度仅百万分之一摄氏度的低温。所有这些在物质内部发生的分子和原子运动统称为“热运动”,这些运动是肉眼看不见的,但是我们会看到,它们决定了物质的大部分与温度有关的性质。 正如一条直线仅由两点连成的一样,一种温标是由两个固定的且可重复的温度来定义的。最初,在一标准大气压(760毫米水银柱,或760托)时,摄氏温标是定冰之熔点为0℃和水之沸点为100℃,绝对温标是定绝对零度为0K和冰之熔点为273K,这样,就等于有三个固定点而导致温度的不一致,因为科学家希望这两种温标的度数大小朝等,所以,每当进行关于这三点的相互关系的准确实验时,总是将其中一点的数值改变达百分之一度。 现在,除了绝对零度外,仅有一固定点获得国际承认,那就是水的“三相点”。1948年确定为273.16K,即绝对零度以上273.16度。当蒸气压等于一大气压时,水的正常冰点略低,为273.15K(=0℃=32°F),水的正常沸点为373.15K(=100℃=212°F)。这些以摄氏温标表示的固定点和其他一些次要的测温参考点(即所谓的国际实用温标)的实际值,以及在实验室中为准确地获得这些值的度量方法,均由国际权度委员会定期公布。

科学家在对绝对零度的研究中,发现了一些奇妙的现象。如氦本是气体(氦是自然界中最难液化的物质),在-268.9℃时变成液体,当温度持续降低时,原本装在瓶子里的液体,却轻而易举地从只有0.01毫米的缝隙中,很容易地溢到瓶外去了,继而出现了喷泉现象,液体的粘滞性也消失了。

为什么不能达到绝对零度
1848年,英国科学家威廉·汤姆逊·开尔文勋爵(1824~1907)建立了一种新的温度标度,称为绝对温标,它的量度单位称为开尔文(K)。这种标度的分度距离同摄氏温标的分度距离相同。它的零度即可能的最低温度,相当于摄氏零下273度(精确数为-273.15℃),称为绝对零度。因此,要算出绝对温度只需在摄氏温度上再加273即可。那时,人们认为温度永远不会接近于0K,但今天,科学家却已经非常接近这一极限了。

物体的温度实际上就是原子在物体内部的运动。当我们感到一个物体比较热的时候,就意味着它的原子在快速运动:当我们感到一个物体比较冷的时候,则意味着其内部的原子运动速度较慢。我们的身体是通过热或冷来感觉这种运动的,而物理学家则是绝对温标或称开尔文温标来测量温度的。

按照这种温标测量温度,绝对温度零度(0K)相当于摄氏零下273.15度(-273.15℃)被称为“绝对零度”,是自然界中可能的最低温度。在绝对零度下,原子的运动完全停止了,并且从理论上讲,气体的体积应当是零。由此,人们就会明白为什么温度不可能降到这个标度之下,为什么事实上甚至也不可能达到这个标度,而只能接近它。

自然界最冷的地方不是冬季的南极,而是在星际空间的深处,那里的温度是绝对温度3度(3K),即只比绝对零度高3度。

这个“热度”(因为实际上我们谈到的温度总是在绝对零度之上)是作为宇宙起源的大爆炸留存至今的热度,事实上,这是证明大爆炸理论最显著有效的证据之一。

在实验室中人们可以做得更好,能进一步地接近于绝对零度,从上个世纪开始,人们就已经制成了能达到3K的制冷系统,并且在10多年前,在实验室里达到的最低温度已是绝对零度之上1/4度了,后来在1995年,科罗拉多大学和美国国家标准研究所的两位物理学家爱里克·科内尔和卡尔威曼成功地使一些铷原子达到了令人难以置信的温度,即达到了绝对零度之上的十亿分之二十度(2×10^-8 K)。他们利用激光束和“磁陷阱”系统使原子的运动变慢,我们由此可以看到,热度实际上就是物质的原子运动。非常低的温度是可以达不到的,而且还要以寻求“阻止”每一单个原子运动,就像打台球一样,要使一个球停住就要用另一个球去打它。弄明白这个道理,只要想一想下面这个事实就够了。在常温下,气体的原子以每小时1600公里的速度运动着,而在3K的温度下则是以每小时1米的速度运动着,而在20nK(2×10^-8 K)的情况下,原子运动的速度就慢得难以测量了。在20nK下还可以发现物质呈现的新状态,这在70年前就被爱因斯坦和印度物理学家玻色(1894~1974)预见了。

事实上,在这样的非常温度下,物质呈现的既不是液体状态,也不是固体状态,更不是气体状态,而是聚集成唯一的“超原子”,它表现为一个单一的实体。

时间会停止
当在绝对温度时,时间会停止。这个问题到底是对的还是错的?至今还是有争议。
正方(时间会停止)认为:绝对零度在宇宙中是存在的,在宇宙的某些地方,当巨大的能量被黑洞吸走时产生绝对零度,由于时间也是一种能量形式,所以在那一刻,时间也是停止的。宇宙中有存在绝对零度的地方,甚至有低于零度的地方,那些低于零度的情况由反物质构成。 也就是说我们的分子运动需要提供能量,而反物质运动则吸收能量,所以绝对零度可以达到,只不过我们没有发现,也没法发现。 正如数字有正负,电流有正负,性别有男女一样,你凭什么说就没有低于绝对零度的负温度?
科学家们都没有否认在绝对0时刻,就是时间的起源之前时空的可知性,你又凭什么断定在0度之下的温度不存在?
反方认为(时间不会停止):从哲学角度说,物质的静止和运动都是相对的,时间如果记录着物质的发展和变化的话,它记录物质的运动状态,那么可不可以记录物质的静止状态? 绝对零度下,不是一切都停止了,停止的只是物质的分子运动,所以,综上所述,绝对零度下的时间肯定还是运动的。除非这个世界里,时间不再存在。 可是如果宇宙的全部物质都是绝对零度那么时间也应该停止了吧!

绝对零度是不可能产生火焰
绝对零度是不可能产生火焰的至少人眼看不到,因为火焰自身的温度的关系物质燃烧必定要达到某种温度否则不会产生火焰现象,绝对零度是一个推出的数字, 是人类不可能达到的一个最低温, 乃至宇宙也没有这样的低温。
绝对零度时物体粒子的平均动能为零,就是说都不动了,所以温度不能再低了。 瞬间到达绝对零度是一个非常复杂的概念 涉及到相对论的概念, 火焰是物质剧烈燃烧产生的 。既然没有动能当然粒子也不会那么剧烈的运动或者说粒子处于绝对静止状态 ,也就是说不会产生燃烧现象。

绝对零度的物体有内能吗?
当然有了,内能是分子平均动能与平均势能之和,绝对零度时分子的动能为零,但分子还有势能啊,所以有内能。
为什么绝对零度只能接近而无法达到呢?
“任何物体达到绝对零度时,其内能等于零”,一楼的说错了,任何物体任何时候都有内能。
内能是分子平均动能和平均势能的总和,绝对零度时只是分子动能为0,平均势能可不为0。
为什么绝对零度无法达到那是因为不可能使得分子动能为0,因为有势能的存在(是必然存在的),必然会有势能转化为动能,因此只能减弱势能转化为动能的趋势,即绝对零度只能接近而无法达到.
1848年,英国科学家威廉·汽姆逊·开尔文勋爵(1824~1907)建立了一种新的温度标度,称为绝对温标,它的量度单位称为开尔文(K)。这种标度的分度距离同摄氏温标的分度距离相同。它的零度即可能的最低温度,相当于摄氏零下273度(精确数为-273.15℃),称为绝对零度。因此,要算出绝对温度只需在摄氏温度上再加273即可。那时,人们认为温度永远不会接近于0K,但今天,科学家却已经非常接近这一极限了。

物体的温度实际上就是原子在物体内部的运动。当我们感到一个物体比较热的时候,就意味着它的原子在快速动动:当我们感到一个物体比较冷的时候,则意味着其内部的原子运动速度较慢。我们的身体是通过热或冷来感觉这种运动的,而物理学家则是绝对温标或称开尔文温标来测量温度的。

  按照这种温标测量温度,绝对温度零度(0K)相当于摄氏零下273.15度(-273.15℃)被称为“绝对零度”,是自然界中可能的最低温度。在绝对零度下,原子的运动完全停止了,并且从理论上讲,气体的体积应当是零。由此,人们就会明白为什么温度不可能降到这个标度之下,为什么事实上甚至也不可能达到这个标度,而只能接近它。

  自然界最冷的地方不是冬季的南极,而是在星际空间的深处,那里的温度是绝对温度3度(3K),即只比绝对零度高3度。

  这个“热度”因为实际上我们谈到的温度总是在绝对零度之上)是作为宇宙起源的大爆炸留存至今的热度,事实上,这是证明大爆炸理论最显著有效的证据之一。

  在实验室中人们可以做得更好,能进一步地接近于绝对零度,从上个世纪开始,人们就已经制成了能达到3K的制冷系统,并且在10多年前,在实验室里达到的最低温度已是绝对零度之上1/4度了,后来在1995年,科罗拉多大学和美国国家标准研究所的两位物理学家爱里克·科内尔和卡尔威曼成功地使一些铷原子达到了令人难以置信的温度,即达到了绝对零度之上的十亿分之二十度(2×10-8K)。他们利用激光束和“磁陷阱”系统使原子的运动变慢,我们由此可以看到,热度实际上就是物质的原子运动。非常低的温度是可以达不到的,而且还要以寻求“阻止”每一单个原子运动,就像打台球一样,要使一个球停住就要用另一个球去打它。这了弄明白这个道理,只要想一想下面这个事实就够了。在常温下,气体的原子以每小时1600公里的速度运动着,而在3K的温度下则是以每小时1米的速度运动着,而在20nK(2×10-8K)的情况下,原子运动的速度就慢得难以测量了。在20nK下还可以发现物质呈现的新状态,这在70年前就被爱因斯坦和印度物理学家玻色(1894~1974)预见了。

  事实上,在这样的非常温度下,物质呈现的既液体状态,也不是固体状态,更不是气体状态,而是聚集成唯一的“超原子”,它表现为一个单一的实体。

什么是绝对零度?

绝对零度,也就是-273.15℃。

绝对零度是理论上的最低温度,把-273.15℃定作热力学温标(绝对温标)的零度,叫做绝对零度(absolute zero)。 绝对零度的单位是开尔文(K±)。

温度只能无限趋近绝对零度,而不能达到它。在这温度下物体没有热能。

  绝对零度 = 0开尔文 = -273.15摄氏度

  1开尔文 = 绝对零度到水的三相点的温度的1/273.16 = -272.15摄氏度

  水的三相点的温度 = 273.16开尔文 = 0.01摄氏度 (此时压强为610.5帕斯卡)

  一个大气压(101325帕斯卡)时的水的冰点温度 = 273.15开尔文 = 0 摄氏度绝对零度

低温学

由于受到绝对零度附近奇异现象的鼓舞,物理学家们想尽办法来接近绝对零度,并且扩展它们在今天称为低温学的有关知识。在特殊情况下,利用液态氮的挥发,可产生绝对温度0.5K的低温。(顺便说一下,在这种水平上的温度可以利用一些特殊的有关电的方法来测量——譬如利用热电偶所生电流的大小,利用某种非超导体金属所制成电线的电阻大小,利用磁性的改变,甚至可利用声音在氦中传递的速度。想要测量极低温比要得到它们还不容易。)事实上,低于0.5K的温度利用1925年荷兰物理学家德拜首先提出的方法已经测到。把顺磁物质(即能将磁力线集中起来的物质)几乎紧靠着液态氮,中间隔着氦气,然后把整个系统温度降到绝对温度大约1K。再把系统置于磁场中,顺磁物质的分子会平行排列,并放出热量。这一热量可由周围缓慢蒸发的氢气移去。这时若把磁场移走,顺磁性分子会马上呈现混乱取向。由有序到混乱取向过程中,分子必须吸收热量,而这惟一的热源就是液态氦。因此,液态氦的温度下降。

可以一次又一次地重复该过程,每次都降低液氦温度——此技术是由美国化学家吉奥克完成的。结果他得到了1949年诺贝尔化学奖, 1957年以这种方法达到了绝对温度0.00002K。

1962年,德国血统的英国物理学家伦敦和他的合作者提出使用一种新装置达到更低温度的可能性。氦以两种类型存在:氦-4及氦-3,平常它们完全混合在一起。但是当温度低于绝对温度0.8K时,就会分开,氦-3在上层,部分的氦-3与氦-4在底层。以类似一般冷冻剂例如氟里昂的液体和蒸气互相变换的方式,能逐步降低温度。利用该原理制成的冷冻装置,于1965年在苏联首先被设计出来。

1950年,苏联物理学家波马伦库克提出了利用氦-3其他的性质深冷的方法;早在1934年,匈牙利血统的英国物理学家库提也提出过利用类似吉奥克所利用的磁性,但这种磁性与原子核——原子的量内层结构——有关,而不是与整个原子和分子有关。

应用了这些新技术的结果,温度低到绝对温度0.000001K。既然物理学家们发现他们已经达到绝对温度0.000001K,难道就不能摆脱剩下的一点滴而最后达到目标本身吗?

不能,正如能斯脱在他关于这一问题而获得诺贝尔奖的论文中所证明的那样(有时也称为热力学第三定律),绝对零度是不可能达到的。无论我们如何降低温度,也只能将部分的熵移去。在一般情况下,无论熵的总量如何,若欲移去一个体系中一半的熵,其困难程度相同。从绝对温度300K(大约为室温)降至150K(比南极所能达到的温度还低),与从绝对温度20K降至10K,其难度是一样的。从绝对温度10K降至绝对温度5K或5K降至2.5K等等亦然。现在已达到高于绝对零度百万分之一的低温,但若想从百万分之一度降至其一半的温度,就像从绝对温度300K降至150K一样困难。如果达到了,要从其百万分之一的一半温度再降到百万分之一的四分之一,仍然同样地困难。这样继续下去无论怎样似乎接近,但绝对温度还是处在无穷远的距离。

用该方式探求绝对零度的最后阶段,导致对极稀有物质氦-3的仔细研究。氦本身在地球上并不常见;而且当它被分离出来时,每 1000万个原子中只有 13个是氦-3。其余全是氦-4。

氦-3比氦-4原子稍微简单,且只有最常见变体质量的3/4。氦-3的液化点在绝对温度3.2K,比氦-4整整低了1度。更有甚者,起初认为氦-4在低于绝对温度2.2K可变为超流体,而氦-3(虽然简单,但却是较少对称的分子)没有一点迹象。它是惟一需要继续试验的。在 1972年,发现低于绝对温度 0.0025K时,氦-3会变成超流体氦-Ⅱ。

绝对零度继续讨论

  我们知道水的沸点随气压的变化而变化。平常我们说100度时水烧开,拉萨海拔高、气压低,水到80多度就开了,所以拉萨人多用高压锅。水的冰点也一样,只是冰点温度随压强变化不是那么显著。

  科学家为了确定温度的标准需要一个零点,需要一个间隔,然后等分、延伸。摄氏温度就是把水的冰点定为0度,水的沸点定为100度,每百分之一就是1度,因为这个标准是摄尔修斯和他的同事制定的,就叫做摄氏温标。

  就像刚才讲的冰点和沸点随气压变化,所以这并不是一个最好的标准。科学家们需要一个更精确的温度标准。科学家们发现存在一个最低的温度(至少理论上存在),非常显然地把这个温度确定为0度,于是另外要找一个不变化的温度点。

  水放在空气中会蒸发,蒸发到一定程度房间里水蒸气的压强非常大的时候(也就是相对湿度达到100%的时候)就不蒸发了,平衡在水和水蒸气共存的状态。空气温度升高,水蒸气的压强允许更高一点,于是水又开始继续蒸发直到空气中,水蒸气的压强更高,达到新的平衡。当温度升到摄氏100度的时候水蒸气的压强达到1 个大气压,如果要达到101摄氏度,平衡时水蒸气的压强需要超过1个大气压。所以在没有东西压住水的情况下,对水继续加热,水就不停地变成水蒸气,然后逃掉。这时候就看到水不停的产生水蒸气,但是水的温度不上升,于是水就开了。要让水在101度平衡,只有水烧干,全部变水蒸气,或者用高压锅压住水蒸气和水。结冰也是这样,我们就看见水不停的产生冰,但是温度还是零度。但是结冰的温度还是随压强在变,更高的压强结冰的温度会更低。同样冰和水蒸气也有这样的关系。在水和水蒸气共存时一定的温度需要一定的压强才能平衡,同样水和冰、冰和水蒸气共存时都是一定的温度需要一定的压强才能平衡。只有在冰、水、水蒸气都存在的时候,温度和压强才都是确定的,分别是0.01摄氏度和610.5帕斯卡。这个点就是水的固体、液体、气体三个相的共存点,也叫水的三相点。

  于是新的温度标准的另一个点就用水的三相点,为了同摄氏温标的间隔一致,水的三相点温度定为273.16度;为纪念英国科学家开尔文勋爵对绝对零度的贡献,大家把这个温度标准叫做开尔文温标。

关于绝对零度的讨论

作者:公民顺民

闲事大家管在其文《“摄氏零下300度”?》提到,“物理学家们在实验中设法
使温度达到了零下272.59摄氏度,这是目前所知宇宙中的最低温度。”,已由
ftir进行了更正。ftir提到,目前已经可以达到100pK,也就是10的负10次方K的
低温(p代表10的负12次方),即零下273.1599999999摄氏度--如果绝对零度
是零下273.1600000000摄氏度的话,并提到了达到低温的新方法“用激光冷却原
子束”。

我在这里介绍著名科普作家阿西莫夫《最新科学指南-元素》中的一篇文章。该
文章并没有否定ftir的观点,因为阿西莫夫记述的是历史,而ftir讲述的是现代,
由于科学的进步,现在的成就远远超过了文中的水平。但该文章记述比较完整,
提到为何只能无限趋近绝对零度,而不能达到它,值得推荐。

以下是阿西莫夫的文章:

低温学

由于受到绝对零度附近奇异现象的鼓舞,物理学家们想尽办法来接近绝对零
度,并且扩展它们在今天称为低温学的有关知识。在特殊情况下,利用液态氮的
挥发,可产生绝对温度0.5K的低温。(顺便说一下,在这种水平上的温度可以
利用一些特殊的有关电的方法来测量——譬如利用热电偶所生电流的大小,利用
某种非超导体金属所制成电线的电阻大小,利用磁性的改变,甚至可利用声音在
氦中传递的速度。想要测量极低温比要得到它们还不容易。)事实上,低于0.
5K的温度利用1925年荷兰物理学家德拜首先提出的方法已经测到。把顺磁物质
(即能将磁力线集中起来的物质)几乎紧靠着液态氮,中间隔着氦气,然后把整
个系统温度降到绝对温度大约1K。再把系统置于磁场中,顺磁物质的分子会平行
排列,并放出热量。这一热量可由周围缓慢蒸发的氢气移去。这时若把磁场移走,
顺磁性分子会马上呈现混乱取向。由有序到混乱取向过程中,分子必须吸收热量,
而这惟一的热源就是液态氦。因此,液态氦的温度下降。

可以一次又一次地重复该过程,每次都降低液氦温度——此技术是由美国化
学家吉奥克完成的。结果他得到了1949年诺贝尔化学奖, 1957年以这种方法达
到了绝对温度0.00002K。

1962年,德国血统的英国物理学家伦敦和他的合作者提出使用一种新装置达
到更低温度的可能性。氦以两种类型存在:氦-4及氦-3,平常它们完全混合在
一起。但是当温度低于绝对温度0.8K时,就会分开,氦-3在上层,部分的氦-
3与氦-4在底层。以类似一般冷冻剂例如氟里昂的液体和蒸气互相变换的方式,
能逐步降低温度。利用该原理制成的冷冻装置,于1965年在苏联首先被设计出来。

1950年,苏联物理学家波马伦库克提出了利用氦-3其他的性质深冷的方法;
早在1934年,匈牙利血统的英国物理学家库提也提出过利用类似吉奥克所利用的
磁性,但这种磁性与原子核——原子的量内层结构——有关,而不是与整个原子
和分子有关。

应用了这些新技术的结果,温度低到绝对温度0.000001K。既然物理学家们
发现他们已经达到绝对温度0.000001K,难道就不能摆脱剩下的一点滴而最后达
到目标本身吗?

不能,正如能斯脱在他关于这一问题而获得诺贝尔奖的论文中所证明的那样
(有时也称为热力学第三定律),绝对零度是不可能达到的。无论我们如何降低
温度,也只能将部分的熵移去。在一般情况下,无论熵的总量如何,若欲移去一
个体系中一半的熵,其困难程度相同。从绝对温度300K(大约为室温)降至150K
(比南极所能达到的温度还低),与从绝对温度20K降至10K,其难度是一样的。
从绝对温度10K降至绝对温度5K或5K降至2.5K等等亦然。现在已达到高于绝对零
度百万分之一的低温,但若想从百万分之一度降至其一半的温度,就像从绝对温
度300K降至150K一样困难。如果达到了,要从其百万分之一的一半温度再降到百
万分之一的四分之一,仍然同样地困难。这样继续下去无论怎样似乎接近,但绝
对温度还是处在无穷远的距离。

用该方式探求绝对零度的最后阶段,导致对极稀有物质氦-3的仔细研究。
氦本身在地球上并不常见;而且当它被分离出来时,每 1000万个原子中只有 13
个是氦-3。其余全是氦-4。

氦-3比氦-4原子稍微简单,且只有最常见变体质量的3/4。氦-3的液化
点在绝对温度3.2K,比氦-4整整低了1度。更有甚者,起初认为氦-4在低于绝
对温度2.2K可变为超流体,而氦-3(虽然简单,但却是较少对称的分子)没有
一点迹象。它是惟一需要继续试验的。在 1972年,发现低于绝对温度 0.0025K
时,氦-3会变成超流体氦-Ⅱ。

(XYS20080508)

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