为什么绝对零度是-273.15℃?这个数字有什么特别的?

浏览:2800   发布时间: 08月18日

本文参加百家号科学#了不起的天文航天# 系列征文

在物理学中许多常数都好像是任意设定的。摄氏温标把水结冰到沸腾的温度设定为0-100摄氏度。在发现绝对零度之前,这一直是一个方便的温标。在这之后,对科学家来说有了更方便的温标,就是将绝对零度定义为0开氏度,并以升高1摄氏度的标准定义1开氏度的增量。那么这个数字有什么特别的呢?在新的温标下,水在273.15开氏度时结冰。

图解:零开尔文(-273.15°C)定义为绝对零度。

开氏温标仍是一个历史性的妥协。一个更合适的标准可以设定出温度T,让能量E=KT中玻尔兹曼常数K=1,并且KT=1焦耳。这种现象不常发生,因为即便是米和秒也是任意设定的。

图解:温度计用开尔文和摄氏度校准。拍摄于荷兰奈梅亨的圣斯蒂芬斯教堂。温度计本身位于支撑教堂中殿的一个柱子中的一个壁龛中。

-273.15摄氏度或0开氏度被称为绝对零度,可能是宇宙中已知的最低温度。在这个温度下会有以下几个特点:

根据查理定律,我们了解到理想气体的压力与温度成正比。在绝对零度时,压力为0,这意味着气体可以无限压缩。

所有分子和原子动能为0。固体分子停止震动,表现得像一个被称为玻色-爱因斯坦凝聚体的巨大原子。

这个温度只能在理论上达到,因为它似乎违背了能量守恒定律。

图解:铷原子气体在高于绝对零度的几十亿分之一的温度下的速度分布数据。左:就在Bose-Einstein凝聚物出现之前。中心:刚好凝结后出现。右:进一步蒸发后,留下几乎纯净的冷凝物样品。

简单来说,如果我们达到这个温度,并且能保持住,还能避免光线引起的温度升高,那么所有关于原子和量子力学的问题都会找到答案。

图解:回力棒星云是在半人马座的方向上,距离地球5,000光年的一个原行星云。这个星云的温度经测量为1K(272.15°C; 457.87°F),是自然界中已知温度最低之处。

这个数字唯一“特殊”的是,它是向下延伸摄氏温标的结果,直到所有原子/分子不再“运动”的点(“绝对零度”)。

当安德斯·摄尔修斯首次提出他的温标时,水沸腾时为100度,水结冰时为0度。 幸运的是,后来这种情况发生了逆转(在1744年,在摄尔修斯去世后,由卡尔·冯·林奈调整)。

图解:放入水中的冰块在开始融化时将达到冰的0°C熔点。

这两点的选择是具有哲学意义的,因为当环境温度与这两个极点相接近时,地球生活环境似乎是最佳的,但这个选择也是随心所欲的。华伦海特也任意的选取了两点,列奥米尔(和其他几个人,详见温度单位的转换)也一样。

1开氏度的大小等于1摄氏度的大小,而0摄氏度被视为冰点,但是在这一点上系统也提供了相当大的能量。这就是为什么我们会用一个低于冰点的摄氏度来表示分子能级。

图解:一只手拿着一块冰块在拍照,中心部分的白色区域是为微小的空气气泡。

在不使用开氏温标的情况下,0点被视为任何系统不提供能量,并且体积为0的点,它是通过摄氏度在t-v曲线上延伸计算出来的。当这个曲线被延伸到体积为0时,温度为-273.15摄氏度,也就是0开氏度。因为0点是最低的能量点,任何系统都不能具有能量,所以开氏温标上也没有负温度,他又被称为绝对温标。根据热力学第二定律,0开氏度点无法通过传热实现。

图解:一个常见的摄氏度温度计,显示冬季白天温度为-17°C。

尽管没有发现像开氏温标这样绝对的标准,但发现了在卡诺热机上热量吸收和释放比率的温度函数,后来人们把它视为开氏温度,并把三相点0.01摄氏度作为273.16开氏度的参考,取1摄氏度=1开尔文。

但这是另一种简单的理解方式。

图解:罗伯特·博伊尔开创了绝对零的概念图

绝对零度已经通过实验确定为-273.15℃。开氏温标设计为与摄氏温标一一对应,所以这个值不是随便设定的,是被导出的,这也是为什么不取整数值的原因。

这个数字非常特殊,因为理想气体体积为0,所有材料的熵也为0。

那么-273.15℃是我们所知的最低温度。 如果我们采用恒定体积的理想气体温度计并绘制温度计中包含的理想气体的压力和温度之间的曲线,那么我们将发现-273.15℃是理想气体压力变为零的温度。正如我们所知,任何气体的压力都可以认为是气体粒子在正常方向上向每单位面积容器壁撞击的动量变化率。压力为零意味着动量变化为零,这意味着气体分子的速度为零(如果容器没有被抽空)。如果在理想气体分子速度为零,则这意味着气体显热能量为零(在理想气体的情况下它等于内部能量)因为显热能量是温度的函数,所以我们能导出结论:这是绝对零度,我们能达到的最低温度。

参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3.quora-杭青

如有相关内容侵权,请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

主营产品:直通、接头,液压接头