热力学的最低温度.doc

热力学的最低温度 绝对零度绝对零度，理论上所能达到的最低温度，在此温度下物体没有内能。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）。 热力学温标的单位是开尔文（K）。绝对零度(absolute zero)是热力学的最低温度，但此为仅存于理论的下限值。其热力学温标写成K，等于摄氏温标零下273.15度（-273.15）。 绝对零度，是可能达到的最低温度。在绝对零度下，原子和分子拥有量子理论允许的最小能量。绝对零度就是开尔文温度标（简称开氏温度标，记为K）定义的零点；0K等于273.15，而开氏温度标的一个单位与摄氏度的大小是一样的。 物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子动能越高，物质温度就越高。理论上，若粒子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，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。在此一空间，所有物质完全没有粒子振动，其总体积并且为零。 有关物质接近绝对零度时的行为，可初步观察热德布洛伊波长（Thermal de Broglie wavelength） 其中 h 为普朗克常数、m 为粒子的质量、k 为玻尔兹曼常量、T 为绝对温度。可见热德布洛伊波长与绝对温度的平方根成反比，因此当温度很低的时候，粒子物质波的波长很长，粒子与粒子之间的物质波有很大的重叠，因此量子力学的效应就会变得很明显。著名的现象之一就是玻色-爱因斯坦凝聚，玻色-爱因斯坦凝聚在1995年首次被实验证实，当时温度降至只有 17010 开尔文。 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。 绝对零度的温度图线实际上，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。 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。 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27316。 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五十亿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相等，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27316度。当蒸气压等于一大气压时，水的正常冰点略低，为27315K(=0=32F)，水的正常沸点为373.15K(=100=212F)。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。 编辑本段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（18241907）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，相当于零下273摄氏度（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0（K），但今天，科学家却已经非常接近这一极限了。 低温下超导体产生的磁浮现象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，那么就意味着我们能够精确地测量出粒子的速度(0)。然而1890年德国物理学家马克斯普朗克引入的了普朗克常数表明这样一个事实：粒子的速度的不确定性、位置的不确定性与质量的乘积一定不能小于普朗克常数，这是我们生活着的宇宙所具有的一个基本物理定律(海森堡不确定关系)。那么当粒子处于绝对零度之下，运动速度为零时，与这个定律相悖，因而我们可以在理论上得出结论，绝对零度是不可以达到的。 自然界最冷的地方不是冬季的南极，而是在布莫让星云。那里的温度为零下272摄氏度，是目前所知自然界中最寒冷的地方，成为“宇宙冰盒子”。事实上，布莫让星云的温度仅比绝对零度高1度多(零下273.15摄氏度)。 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（210-8 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（210-8 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（18941974）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。 当到达绝对零度时，物质将塌缩成次原子粒子，-273.15应称原子绝对零度，还应有粒子绝对零度。低于绝对零度在宇宙中是很常见的，比如“黑洞”，只是无法测到。 编辑本段绝对零度下时间是否会停止当在绝对零度时，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。 正方认为（时间会停止）： 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，甚至有低于绝对零度的地方，那些低于绝对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零度时刻，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？就像速度达到光速时时间会停止，再快就倒着走。那如果速度达到了0km/s。那么时间的状态又会改变。 (现在根据实验，黑洞不会产生绝对零度，因为将大量的能量和物质吸进一个极小的点将会产生极大的热量，以强大的辐射线放出） 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！ 事实上，在绝对零度时，物体是不存在运动不存在能量的，此时物体保持了一个相对于非绝对零度物体的绝对静止状态。时间是一种能量（如前文所说），但更多时候它是一种形式，是存在于我们感知范围内的单位，因而在绝对零度时，相对时间是取决于你的认证方式的。另外，当到达绝对零度时，空间会发生扭曲。 编辑本段绝对零度是不可能产生火焰的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。 编辑本段绝对零度下的振动真空零点能在绝对零度下，任何能量都应消失。可就是在绝对零度下，依然有一种能量存在，这就是真空零点能。 真空零点能，因在绝对零度下发现粒子的振动而得名。这是量子真空中所蕴藏着的巨大本底能量。海森堡测不准原理指出：不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。因此，当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动；否则，如果粒子完全停下来，那它的动量和位置就可以同时精确的测知，而这是违反测不准原理的。这种粒子在绝对零度时的振动（零点振动）所具有的 处于绝对零度的宇宙边缘处能量就是零点能。 量子真空是没有任何实物粒子的物质状态，其场的总能量处于最低，这是一切物质运动及能量场的最初始状态，它的温度自然处于绝对零度。这样的状态具有无限变化的潜在能力。零点能就是由（量子真空中）虚粒子，不断产生的一对反粒子的出现和湮灭产生的。据推测，量子真空中，每立方厘米包含的能量密度有1013焦耳，足以在瞬间烧干地球上所有海洋的水分！ 从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。真空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。接着，金属盘外的其他波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强。1996 年，物理学家首次对这种所谓的卡西米尔效应进行了测定。这是证明真空零点能存在的确凿证据。 其实，绝对零度和绝对至高温度在理论上均可达到。人类正不遗余力地做着相关实验，探索着隐藏在科学深处的奥秘。 编辑本段逼近绝对零度和外太空宇宙背景辐射的 3K 温度做比较，实现玻色-爱因斯坦凝聚的温度 170109K 远小于 3K，可知在实验上要实现玻色-爱因斯坦凝聚是非常困难的。要制造出如此极低的温度环境，主要的技术是雷射冷却和蒸发冷却。 编辑本段宇宙中最冷的地方目前所知宇宙中最寒冷的地方，在布莫让星云，那里的温度为零下272摄氏度，仅比绝对零度高1.15摄氏度，堪称“宇宙冰窟”！布莫让星云急速喷发，而周围没有任何热源，（像一个密封罐子中的液体被迫喷出时，罐子中的温度就会急速降低）最终达到接近绝对零度的状态。 布莫让星云编辑本段最近一次达到的最低温度(2003年09月12日 16:37) 由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组，目前改写了人类创造的最低温度纪录：他们在实验室内达到了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。 编辑本段最低温度