什么是绝对零度 绝对零度的内容

发布时间:2017-05-11 16:24

绝对零度是热力学的最低温度,但只是理论上的下限值。那么你对绝对零度了解多少呢?以下是由小编整理关于什么是绝对零度的内容,希望大家喜欢!

什么是绝对零度 绝对零度的内容

绝对零度的简介

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。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273.16度。当蒸气压等于一大气压时,水的正常冰点略低,为273.15K(=0℃=32°F),水的正常沸点为373.15K(=100℃=212°F)。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℃时变为超液态,当温度持续降低时,原本装在瓶子里的液体,轻而易举地从只有0.01毫米的缝隙中,溢到了瓶外,继而出现喷泉现象,液体的粘滞性也消失了。

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。

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。

19世纪中期,开尔文男爵威廉·汤姆森定义了绝对温度,在此规定下没有物质的温度能低于绝对零度。气体的绝对温度与它所包含粒子的平均能量有关,温度越高,平均能量越高,而绝对零度是气体的所有粒子能量都为零的状态,这是一种理想的理论状态。到了上世纪50年代,物理学家在研究中遇到了更多反常的物质系统,发现这一理论并不完全正确。

在正常温度下,这种逆转是不稳定的,原子会 向内坍塌。他们也同时调整势阱激光场,增强能量将原子稳定在原位。

现任美国麻省理工大学物理教授科特勒称此最新成果为一项“实验的绝技”。在实验室里,反常高能态在正常温度下很难产生,而在负绝对温度下却会变得稳定——“就像你能把一个金字塔倒过来稳稳的放着,而不必担心它会倒。”克特勒指出,该技术使人们能详细研究这些反常高能态,“也可能成为创造新物质形式的一条途径。”

绝对零度的内容

绝对零度(absolute zero)是热力学的最低温度,是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是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℃)。

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,根据热力学第二定律,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。

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,当时温度仅有170*10^(-9)开尔文。

①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。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。

②绝对零度是根据理想气体所遵循的规律(即理想气体状态方程),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。

③由于水的三相点温度是0.0076℃,因此绝对零度比水的三相点温度低273.16℃。

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