理论教育 绝对零度的概念: 超越温度尺度的极致理论

绝对零度的概念: 超越温度尺度的极致理论

时间:2023-07-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:18世纪初,他利用气体体积会随温度变化而变化这一观察结果设计出一款全新的温度计——温度计中热空气的弹性会迫使水银液面上升。绝对零度的概念由此诞生,并迅速地被广为接受。时至今日,绝对零度的数字已经精确到了-273.15℃。在阿蒙东的气体温度计中,玻璃管中水银液面的升高和降低,均取决于被密封于其中的气泡的温度。绝对零度是是可观察宇宙中的理论最低温度。参考阅读//No. 70 气体动理论,第144页绝对零度是一个普遍的极值。

绝对零度的概念: 超越温度尺度的极致理论

你可以达到多低的温度

17世纪的研究人员在气体方面的发现助推了工业革命的发生(参考阅读:波义耳定律,第126页)。但在气体领域和自然的基本法则方面仍有太多的未知等待着人们的探索。

这段故事可以说是从纪尧姆·阿蒙东开始的。18世纪初,他利用气体体积会随温度变化而变化这一观察结果设计出一款全新的温度计——温度计中热空气的弹性会迫使水银液面上升。阿蒙东用他的温度计作出了一个大胆的预测:从理论上来说,如果空气被冷却到-240℃,它将会完全失去弹性(尽管他做研究的时候,摄氏温标还未被采用)。

与阿蒙东同一时代的科学家里,鲜有对其研究感兴趣的人。直到18世纪70年代,约翰·海因里希·朗伯才将研究重点转回到阿蒙东的理论上来。朗伯运用了更先进的设备改进了阿蒙东的预测。他认为,理论上,空气温度可以降至-270℃,并随之失去所有能量。

到19世纪早期,科学已有了长足的进步。许多科学家都认为,随着温度变化,所有气体(不仅是空气)都会以一种大致相同的方式膨胀或者收缩。19世纪30年代,埃米尔·克拉伯龙发展了上述观点,提出了理想气体定律。根据该定律,理论上的“理想”气体会随着温度变化而持续改变其体积的大小,改变的方式在所有温度下都是一样的(而真实的气体不是——随着温度下降,它们最终会凝结成液体或者凝固成固体)。

1848年,威廉·汤姆森(开尔文勋爵)从前人的思想中获得了灵感,抛弃了基于特定材料表现情况的相对温标,转而在“理想”的热力学原理的基础上提出了一个绝对温标。绝对零度的概念由此诞生,并迅速地被广为接受。时至今日,绝对零度的数字已经精确到了-273.15℃。

在阿蒙东的气体温度计中,玻璃管中水银液面的升高和降低,均取决于被密封于其中的气泡的温度。当温度达到水的沸点(100℃)时,阿蒙东温度计中的水银柱就上升到了“73”这个刻度(以英寸为单位);然而,当气温降到水的凝固点(0℃)时,水银柱却停在了51.5这个位置上。这说明(用阿蒙东的术语来说)空气仍具有相当的“弹性”。 假设空气随着温度下降而保持其气体的性质不变(换句话说,假设空气为现代物理学家所称的“理想气体”),阿蒙东就可以毫不困难地计算出,当空气即将完全失去弹性(及能量)之前,其温度一定会下降至-240℃,而水银柱就会停留在其温标的零度位置上。(www.daowen.com)

绝对零度是是可观察宇宙中的理论最低温度。

参考阅读//

No. 70 气体动理论,第144页

绝对零度是一个普遍的极值。

根据热力学原理,这个温度不可能真正达到。

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