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为什么高温可以无限,而低温最低是-273.15℃?

绝对零度是-273.15℃,也就是K氏温标的0K,家里的冰箱就能轻易达到零下十几度,干冰可以达到-78.5℃,液氮可以达到-196℃,但继续往下,显然难度就越来越高!但高温却很容易到达数百度,点根火柴就差不多400-500℃了,一般的热处理炉温就到上千度了,高炉则1500℃以上,当然最简单的还是电焊电弧的温度,轻松超过3000℃!

但这远没有上限,太阳表面5500℃以上,天狼星超过9000℃,中子星表面超过1000万摄氏度,而中心则超过了100亿度,而中子星碰撞时候则温度更高........似乎没有一个上限,为什么低温有个下限,而高温却没有上限?

温度的本质是什么?

曾经热质说非常流行,当时的科学界普遍认为热质是一种无质量的气体,物体吸收热质后温度会升高,热质会有温度高的物体流向温度低的液体!热质能解释很多发热现象,但却无法解释摩擦生热,比如1798年时,英国科学家伦福德在监造大炮时就发现,磨钝了钻头比锋利的钻头产生热量要高得多!有意思的是18世纪末期,还有科学家认为冷也是一种物质!

摩擦生热

焦耳在1840年进行多次导体通电发热的实验后认为不过热只是一种能量的形式,而随着热机理论的发展和布朗运动的发现,热质说逐渐被粒子运动论所代替,早在1738年丹尼尔·伯努利发表著作《流体力学》中,伯努利提出,气体是由大量向各个方向运动的分子组成的,分子对表面的碰撞就是气压的成因,热就是分子运动的动能。1744年罗蒙诺索夫第一次明确提出热现象是分子无规则运动的表现,可惜伯努力和罗蒙索夫的观点没有被当时所接受!

十九世纪中期克劳修斯和麦克斯韦玻尔兹曼统计定律发布,但热质论支持者仍然认为微粒运动只是假说,给热质说这个大棺材钉上最后一根钉的是爱因斯坦和马利安·斯莫鲁霍夫斯基关于布朗的论文,自此热质说被彻底抛弃!

最低温度和最高温度的来历

前文我们知道了物质的温度取决于原子、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,那么当粒子的动能低到量子力学的最低点时,物体也就达到了最低温度,因此最低温度即粒子不运动的温度,这是可以计算出来的!

这个理论最低温度就是绝对零度,也就是微观粒子不运动的温度:-273.15℃,但这个温度是无法达到的,因为我们无法通过有限的循环将温度降到这个值以下,另一个则是粒子宏观运动可以让其静止,但量子力学中的运动我们却无法控制,所以-273.15℃只是一个理论值,我们永远都无法达到,即使宇宙未来热寂时的温度!

不过这个理论却可以用来创造最低的温度,即用激光频率的多普勒效应来让原子无限接近“停止”运动,以此来达到宇宙中最低的温度,国际空间站的冷原子云实验达到了宇宙中最低的温度:-273.1499999999 ℃,但距离绝对零度仍然有一步之遥!

宇宙中最高的温度又是多少?

粒子不运动就是最低温,那么运动最高速就是最高温度,这个温度普朗克已经帮算好了:

1.416808(33) × 10^32 K

这里必须要了解下粒子运动的最高速度,似乎没有上限?但狭义相对论已经规定了速度的上限是光速,因此粒子运动也必须遵守这个规律,因此宏观物体的理论最高温度就是微观粒子在光速下的运动速度!与绝对零度相比,这更是一个人类无法企及的温度!

宇宙诞生时的温度

在本宇宙中只有一次机会有过最高的普朗克温度,也就是奇点时的温度,当整个宇宙处在一个奇点时大达到了这个温度,但我们并不知道这个奇点维持了多久,因为那会时间都还没有起点,自这个奇点膨胀以后,温度就一路下降,到10^-6S后,温度将下降到了能让夸克在胶子的作用下诞生重子,之后就是太初核聚变,再后则是光子时期,一直到38万年后等冷却到光子可突破束缚,在宇宙中传播,这个界限就是微波背景辐射!

所以相对于普朗克温度,还是绝对零度和我们接近一点!

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