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温度的本质到底是什么?温度有下限和上限吗?

 人老颠东 2022-09-28 发表于安徽

我国北方地区一般到了1月份温度在零下5到10℃左右甚至更低,而南方有些地区温度虽然相对较高,一般应该是在零上5℃到10℃左右。

温度的变化也是衣服薄厚的变化,温度在生活中也是一个重要的穿衣参数。地球上所有的生物对于温度都有一个适应机制,温度如果过高或者过低都会对生物本身产生一定的影响。

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而目前人类在面临着全球变暖带来的温度上升,预计到了2100年,全球平均气温将上升1.4~5.8摄氏度左右!温度的上升和下降对于全球来说都是一个不好的现象。

回过头,我们再来讨论温度这个概念。

我们都知道温度是表示物体冷热程度的一个物理量,而我们对温度的理解也是冷和热两个概念。它对生物体也有着不可忽视的作用。

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生物体包括人在内,对温度的敏感性还是比较大的。地球上几乎所有的生物都生活在零下几摄氏度到50摄氏度之间。

当环境温度低于一个临界值,会导致生物代谢紊乱,蛋白质合成受阻,脱水变性

高温则会破坏酶的活性,夏天没有食欲就是因为胃蛋白酶的活性很低,导致消化减慢。同时还会造成缺氧以及神经系统麻痹等症状

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人的正常温度是37度左右,感冒发高烧时体温会上升到40摄氏度,即使是三度的差距,也足以对身体造成恶劣的伤害,可见人类有多么的脆弱。

除了温度对生物体的影响,在其他方面也是不可忽略的因素之一。

比如物理和化学中也有着特别的意义,物理中温度是粒子运动的直接体现,而在化学中不同温度下的物体是有着不一样的状态。

  • 1.温度可以影响化学反应的速率。

  • 2.温度可以使物体产生热胀冷缩现象。

  • 3.温度充当了热力学重要的参数。

  • 4不同的温度能影响声速,空气密度的大小。

温度计的原理就是热胀冷缩,当温度升高时,温度计内的物质就会膨胀,体积增大。温度降下来,体积又会减小。

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宏观上来讲,温度表达的是物体的冷热程度,这也是人们对温度的最直观的表达。

但是对于人来说,冷和热都是相对的,用冷热程度来形容显然不合理。

假设有三杯水,温度分别是0摄氏度,20摄氏度,40摄氏度。先把左手放到0度的水中,右手放到40度的水中,1分钟后,同时放入20度的水中,这时,你会发现,左手给你的感觉是:这杯水是“热的”,而右手给你的感觉则是:这杯水是“冷的”。

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显然,仅通过冷热关系是无法精确描述温度的。

于是科学家不得不找出,不受外界影响的单位来客观的描述温度这个物理量。

摄氏度的出现在1742年,由瑞典天文学家安德斯·摄儿修斯提出的,经过几次改进后。最终把1个标准大气压下,纯净的冰水混合物的温度定义为0摄氏度,水的沸点定义为100摄氏度。并把中间的温度差平均分为100份,每一份就是1摄氏度。

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开尔文勋爵

1848年,开尔文勋爵发表了一篇名为《关于一种绝对温标》(On an Absolute Thermometric Scale),在论文中提到了“绝对的冷”的概念作为温标的零点(0K),也就是绝对零度,并使用摄氏度作为单位增量。通过测算得到绝对零度等于-273摄氏度。

1954年,第十届全国计量大会(CGPM)把这个值订为-273.15摄氏度,这个值就是宇宙中温度的下限值。

有人可能会问了,为什么温度会有一个下限值,难道不可能更“冷”了吗?

这时候,我们再来了解一下温度的本质是什么?

刚刚已经提到温度是表达物体冷热程度的物理量,现在我们从微观角度来看,温度是由物体分子热运动产生的,分子热运动越是剧烈,物体的温度就越高。温度是物体分子间的平均动能的表现(注意是平均动能,而不是单个或多个分子,因为单个分子不存在温度)

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  • 接着我们大胆猜测一下,当物体分子停止热运动会发生什么?

没错,这时物体的温度就达到了绝对零度,

在这个温度下,粒子的动能和势能都降到了零,内能也为零,不与外界发生能量转化和,包括电子都停止了运动。

  • 显然,这个假设并不能实现,绝对零度只能无限接近,而无法达到。

学过物理的应该都知道,粒子是在永不停歇的做无规则运动,这就说明了粒子永远不会停止运动,这就意味着绝对零度只是一个理想值,现实中是无法达到的。

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还记得量子力学中的不确定性吗?就是说粒子的位置和动量是不可能被同时确定的,如果粒子停止运动的话,那么其位置和速度是一个确定的值了,这样就把量子力学给推翻了!

目前科学家为了一次又一次的接近绝对零度,进行了多次实验,达到的温度已经和绝对零度的差距非常小了。其中比较著名的方法有以下:

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激光冷却法

这种方法最早是由斯坦福大学的T.W.汉森等人提出的一种设想,原理是使用多道激光将气体分子减速,从而降低分子的平均动能。

当原子的量子态都凝聚成单一的量子态时,会呈现出玻色-爱因斯坦凝聚。这个实验需要的低温是1.7×10^-7 K,1995年,埃里克·康奈尔和卡尔·威曼首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。也就是说他们成功创造出了1.7×10^-7 K的低温环境。

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而最新实验表明,人类所创造出的最低温已经达到了-273.149999999k。

说完了温度的下限,我们再来看看,温度的上限。

可能在大家的印象中,几千摄氏度就算得上是高温了,比如太阳表面温度5770k以上。这是什么概念呢?到目前为止,还没有任何物质能够承受这个温度。

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而我国的第一个原子弹在爆炸中心温度就达到了5000万摄氏度,再来说一下氢弹的温度,据研究表明氢弹可能会超过一亿摄氏度!再高一点,人类使用大型强子对撞机使粒子相互碰撞创造出5万五千亿摄氏度的高温。

以上所说的温度可能在我们看来已经算得上高温中的高温了,但是现在要来说一下宇宙最高温。

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  • 接下来的数据可能超乎你想象。

根据宇宙大爆炸假说,在138亿年前,宇宙由一个奇点发生大爆炸,然后产生了宇宙最高温,大约为1.417×10³²开尔文,也就是1.4亿亿亿亿开尔文。如此高的温度只存在了一个普朗克时间(5.39×10⁻⁴⁴s。之后宇宙再也无法诞生出这个温度,于是普朗克温度就成了温度的上限值。

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最后我们来总结一下

我们讨论完温度会发现温度是个可以深入研究的物理量,首先温度是有范围的,绝对零度是温度的下限,它只是一个理论值,既不存在,也无法达到。温度最大值则是普朗克温度,它只在宇宙大爆炸之初,存在了一瞬间。未来宇宙中将再也不会出现如此高的温度。

温度的本质是物体分子热运动的剧烈程度,宇宙中所有的粒子都在永不停息的进行着运动。即使是宇宙背景辐射的温度也有3k。所以没有了物质,也就不存在温度这一说。

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