從宏觀層面來說,溫度是用于衡量物體冷熱程度的物理量 ,這是我們日常生活中對溫度最直觀的理解。
我們常說的天氣冷熱、物體的燙與涼,都是基于這種宏觀感受。
但從微觀角度來看,溫度的本質與分子的熱運動密切相關。
世間萬物都是由分子、原子或離子構成,這些微觀粒子處于永不停息的運動狀態,這種運動被稱為分子熱運動。而且,物體的溫度越高,其分子的熱運動就越劇烈。
例如,我們將一壺水放在火上加熱,隨著溫度升高,水分子的熱運動加劇,水會逐漸從液態轉變為氣態,形成水蒸氣。
這是因為溫度升高,分子獲得了更多能量,運動更加活躍,分子間的距離增大,從而導致物質狀態的改變。
分子的動能是分子熱運動的能量體現。
由于分子的運動速度各不相同,它們的動能也不相等,而分子動能的平均值被稱為 “分子平均動能”。溫度正是物體內分子間平均動能的一種表現形式,溫度越高,分子平均動能越大;溫度越低,分子平均動能越小。
需要注意的是,溫度是大量分子熱運動的統計結果,對于少數幾個分子甚至單個分子構成的系統,是沒有溫度意義的。
在地球上,地核的溫度高達 6000 攝氏度以上,這一高溫是由于地球內部巨大的壓力以及放射性元素衰變產生的熱量共同作用的結果。
地核的高溫使得地球內部的物質處于熔融狀態,形成了地球的液態外核和固態內核,對地球的磁場、板塊運動等產生著深遠影響 。
而在太陽系中,太陽作為核心天體,其內核溫度更是高達 1500 萬攝氏度 。
在太陽的核心,時刻進行著劇烈的核聚變反應,氫原子核聚變成氦原子核,同時釋放出巨大的能量,這就是太陽能夠持續發光發熱的能量來源,為太陽系內的行星、衛星等天體提供了光和熱,維持著太陽系的穩定和平衡。
隨著科技的不斷進步,人類已經能夠在實驗室中創造出遠超太陽內核溫度的高溫。
其中,我國的 “東方超環”(EAST)便是這方面的杰出代表。
2020 年,“東方超環” 成功實現了 1 億攝氏度等離子體運行 1056 秒的世界紀錄,這一成果標志著我國在可控核聚變領域取得了重大突破,為人類未來利用核聚變能源邁出了堅實的一步 。
此外,韓國的超導托卡馬克核聚變裝置(KSTAR)也曾在 1 億攝氏度的高溫下產生等離子體流,持續時間為 20 秒,創造了新的紀錄 。
而歐洲核子研究中心的大型強子對撞機更是產生了高達 10 萬億℃的高溫,這一溫度已經達到宇宙大爆炸后萬分之一秒時的溫度,讓人類得以模擬宇宙誕生初期的極端環境,深入研究物質的基本結構和相互作用 。
說完了高溫,下面來講講低溫。
絕對零度,是熱力學的最低溫度,其數值為 - 273.15℃ ,在熱力學溫標中,絕對零度被定義為 0K(開爾文) 。
熱力學溫標又稱開氏溫標,是國際單位制中的基本溫度單位,它與攝氏溫標的換算關系為:T(K)= t(℃) + 273.15 。絕對零度代表著自然界中任意一個系統在平衡條件下可以趨近的最冷狀態,是理論上溫度的下限值 。
為什么人類無法突破絕對零度的限制呢?
根據量子力學理論,微觀粒子具有波粒二象性,這意味著微觀粒子不僅具有粒子的特性,還具有波動的特性。
同時,海森堡不確定性原理表明,我們無法同時精確地確定一個微觀粒子的位置和動量 。如果一個粒子的位置被精確確定,那么它的動量就會變得完全不確定,反之亦然 。
在絕對零度時,粒子的熱運動應該完全停止,即粒子的動量為零,位置也完全確定 。
然而,這與不確定性原理相矛盾 。因為如果粒子完全靜止,其位置和動量就都能被精確確定,這是違反量子力學規律的 。
所以,微觀粒子不可能完全靜止,即使在理論上,絕對零度也是無法達到的 。
此外,微觀粒子還存在零點能,這是量子力學中微觀粒子在絕對零度下仍然具有的能量 。
零點能的存在表明,即使在最低能量狀態下,微觀粒子也不會完全靜止,而是會在其平衡位置附近做微小的振動 。
這種振動是量子漲落的表現,使得微觀粒子始終具有一定的動能,從而溫度不可能降低到絕對零度 。
也可以從熱力學第三定律來理解絕對零度的限制。
熱力學第三定律指出,不可能用有限的步驟使系統的溫度達到絕對零度 。
從熱力學的角度來看,降低物體的溫度需要使用制冷機,而制冷機的工作原理是通過消耗能量將熱量從低溫物體轉移到高溫物體 。
根據卡諾制冷機的制冷系數公式,溫度越低,從低溫物體移走熱量所需消耗的功就越多 。當溫度趨近于絕對零度時,需要消耗的功將趨近于無窮大,這在現實中是不可能實現的 。
即使在理論上達到了絕對零度,要維持這個溫度也是極其困難的 。
因為任何與外界的相互作用,如測量溫度時將溫度計放入系統內部,都必然會通過信息通道(如實物、電磁信號等)與外界進行熱交換 。
而使用特殊材料隔斷這些信息通道的同時,也會阻礙對系統溫度的測量和維持,所以絕對零度無法實現,即使真的可以達到,它也無法維持和確定 。
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