定义或解释(🦆)
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±(🕗))
说明
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(🌐),如以水的冰
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或(🆙)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(🕢)质的所有分子和(💉)原子均(🐮)停止运动。所谓运(🤞)动,系指所有空间、(🧢)机械、分子以及振动等运动.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oK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。
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×(✔)10-8K)。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(📂)。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(🤮)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(💄)。