絕對零度(熱力學的最低溫度)

絕對零度(熱力學的最低溫度)

絕對零度absolute zero,是熱力學最低溫度,但只是理論上的下限值。熱力學溫標的單位是開爾文(K),絕對零度就是開爾文溫度標(簡稱開氏溫度標,記為K)定義的零點。0K約等於攝氏溫標零下273.15攝氏度,也就是0開氏度,在此溫度下,物體分子沒有動能和勢能,動勢能為0,故此時物體內能為0。物質的溫度取決於其內原子分子等粒子的動能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布,粒子動能越大,物質溫度就越高。理論上,若粒子動能低到量子力學的最低點時,物質即達到絕對零度,不能再低。然而,絕對零度是不可能達到的最低溫度,自然界的溫度只能無限逼近。如果到達,那么一切事物都將達到運動的最低形式。因為任何空間必然存有能量和熱量,也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的,除非該空間自始即無任何能量熱量。在絕對零度下,原子和分子擁有量子理論允許的最小能量。

開爾文溫度計量單位。它是國際單位制的七個基本單位之一,符號為K。以開爾文計量的溫度標準稱為熱力學溫標,其零點為絕對零度。在熱力學的經典表述中,絕對零度下所有熱運動停止。1開爾文定義為水的三相點與絕對零度相差的1⁄273.16。水的三相點是0.01°C,因此溫度變化1攝氏度,相當於變化了1開爾文。

基本介绍

  • 中文名:絕對零度
  • 外文名:absolute zero
  • 表達式:T(K)=t(℃)+273.15
  • 提出者:威廉·湯姆遜·開爾文
  • 提出時間:1848年
  • 套用學科:物理
  • 適用領域範圍:冷原子實驗室
  • 適用領域範圍:兩極
  • 具體攝氏溫度:約等於零下273.15攝氏度
  • 具體華氏溫度:約等於零下459.67華氏度
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詳細內容

絕對零度(absolute zero)是熱力學的最低溫度,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。絕對零度是僅存於理論的下限值,其熱力學溫標寫成K,等於攝氏溫標零下273.15度(-273.15℃)。
物質的溫度取決於其內原子分子等粒子的動能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布,粒子動能越高,物質溫度就越高。理論上,若粒子動能低到量子力學的最低點時,物質即達到絕對零度,不能再低。然而,根據熱力學第三定律,絕對零度永遠無法達到,只可無限逼近。因為任何空間必然存有能量和熱量,也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的,除非該空間自始即無任何能量熱量。在此一空間,所有物質完全沒有粒子振動,其總體積並且為零。
有關物質接近絕對零度時的行為,可初步觀察熱德布洛伊波長(Thermal de Broglie wavelength)。其中h普朗克常數m粒子的質量、k玻爾茲曼常量T為絕對溫度。可見熱德布洛伊波長與絕對溫度的平方根成反比,因此當溫度很低的時候,粒子物質波的波長很長,粒子與粒子之間的物質波有很大的重疊,因此量子力學的效應就會變得很明顯。著名的現象之一就是玻色-愛因斯坦凝聚,玻色-愛因斯坦凝聚在1995年首次被實驗證實,當時溫度僅有170*10^(-9)開爾文
①在中學階段,對於熱力學溫標攝氏溫標間的換算,是取近似值T(K)=t(℃)+273。實際上,如以的冰點為標準,絕對零度應比它低273.15℃所以精確的換算關係應該是T(K)=t(℃)+273.15。
②絕對零度是根據理想氣體所遵循的規律(即理想氣體狀態方程
),用外推的方法得到的。用這樣的方法,當溫度降低到-273.15℃時,氣體的體積將減小到零。如果從分子運動論的觀點出發,理想氣體分子的平均平動動能由溫度T確定,那么也可以把絕對零度說成是“理想氣體分子停止運動時的溫度”。以上兩種說法都只是一種理想的推理。事實上一切實際氣體在溫度接近-273.15℃時,將表現出明顯的量子特性,這時氣體早已變成液態或固態。總之,氣體分子的運動已不再遵循經典物理的熱力學統計規律。通過大量實驗以及經過量子力學修正後的理論導出,在接近絕對零度的地方,分子的動能趨於一個固定值,這個極值被叫做零點能量。這說明絕對零度時,分子的能量並不為零,而是具有一個很小的數值。原因是,全部粒子都處於能量可能有的最低的狀態,也就是全部粒子都處於基態
③由於水的三相點溫度是0.0076℃,因此絕對零度比水的三相點溫度低273.16℃。
絕對零度表示那樣一種溫度,在此溫度下,構成物質的所有分子和原子均停止運動。所謂運動,系指所有空間機械分子以及振動等運動。還包括某些形式的電子運動,然而它並不包括量子力學概念中的“零點運動”。除非瓦解運動粒子的集聚系統,否則就不能停止這種運動。從這一定義的性質來看,絕對零度是不可能在任何實驗中達到的這些運動是肉眼看不見的,但是我們會看到,它們決定了物質的大部分與溫度有關的性質。正如一條直線僅由兩點連成的一樣,一種溫標是由兩個固定的且可重複的溫度來定義的。最初,在一標準大氣壓(760毫米水銀柱,或760托)時,攝氏溫標是定冰之熔點為0℃和水之沸點為100℃,絕對溫標是定絕對零度為0K和冰之熔點為273K,這樣,就等於有三個固定點而導致溫度的不一致,因為科學家希望這兩種溫標的度數大小相等,所以,每當進行關於這三點的相互關係的準確實驗時,總是將其中一點的數值改變達百分之一度。僅有一固定點獲得國際承認,那就是水的“三相點”。1948年確定為273.16K,即絕對零度以上273.16度。當蒸氣壓等於一大氣壓時,水的正常冰點略低,為273.15K(=0℃=32°F),水的正常沸點為373.15K(=100℃=212°F)。這些以攝氏溫標表示的固定點和其他一些次要的測溫參考點(即所謂的國際實用溫標)的實際值,以及在實驗室中為準確地獲得這些值的度量方法,均由國際權度委員會定期公布。
科學家在對絕對零度的研究中,發現了一些奇妙的現象。如本是氣體(氦是自然界中最難液化的物質),在-268.9℃時變為超液態,當溫度持續降低時,原本裝在瓶子裡的液體,輕而易舉地從只有0.01毫米的縫隙中,溢到了瓶外,繼而出現噴泉現象,液體的粘滯性也消失了。
物體的溫度實際上就是原子在物體內部的運動。當我們感到一個物體比較熱的時候,就意味著它的原子在快速運動:當我們感到一個物體比較冷的時候,則意味著其內部的原子運動速度較慢。我們的身體是通過熱或冷來感覺這種運動的,而物理學家則是絕對溫標或稱開爾文溫標來測量溫度的。
按照這種溫標測量溫度,絕對溫度零度(0K)相當於攝氏零下273.15度(-273.15℃)被稱為“絕對零度”,是自然界中可能的最低溫度。在絕對零度下,原子的運動完全停止了,那么就意味著我們能夠精確地測量出粒子的速度(0)。然而1890年德國物理學家馬克斯·普朗克引入的了普朗克常數表明這樣一個事實:粒子的速度的不確定性、位置的不確定性的乘積一定不能小於普朗克常數,這是我們生活著的宇宙所具有的一個基本物理定律(海森堡不確定關係)。那么當粒子處於絕對零度之下,運動速度為零時,與這個定律相悖,因而我們可以在理論上得出結論,絕對零度是不可以達到的。
事實上,在這樣的非常溫度下,物質呈現的既不是液體狀態,也不是固體狀態,更不是氣體狀態,而是聚集成唯一的“超原子”,它表現為一個單一的實體。
19世紀中期,開爾文男爵威廉·湯姆森定義了絕對溫度,在此規定下沒有物質的溫度能低於絕對零度。氣體的絕對溫度與它所包含粒子的平均能量有關,溫度越高,平均能量越高,而絕對零度是氣體的所有粒子能量都為零的狀態,這是一種理想的理論狀態。到了上世紀50年代,物理學家在研究中遇到了更多反常的物質系統,發現這一理論並不完全正確。
在正常溫度下,這種逆轉是不穩定的,原子會 向內坍塌。他們也同時調整勢阱雷射場,增強能量將原子穩定在原位。
現任美國麻省理工大學物理教授科特勒稱此最新成果為一項“實驗的絕技”。在實驗室里,反常高能態在正常溫度下很難產生,而在負絕對溫度下卻會變得穩定——“就像你能把一個金字塔倒過來穩穩的放著,而不必擔心它會倒。”克特勒指出,該技術使人們能詳細研究這些反常高能態,“也可能成為創造新物質形式的一條途徑。”

真空能量

在絕對零度下,任何能量都應消失。可就是在絕對零度下,依然有一種能量存在,這就是真空零點能
真空零點能,因在絕對零度下發現粒子的振動而得名。這是量子真空中所蘊藏著的巨大本底能量。海森堡不確定性原理指出:不可能同時以較高的精確度得知一個粒子的位置和動量。因此,當溫度降到絕對零度時粒子必定仍然在振動;否則,如果粒子完全停下來,那它的動量和位置就可以同時精確的測知,而這是違反測不準原理的。這種粒子在絕對零度時的振動(零點振動)所具有的能量就是零點能
量子真空是沒有任何實物粒子的物質狀態,其場的總能量處於最低,這是一切物質運動及能量場的最初始狀態,它的溫度自然處於絕對零度。這樣的狀態具有無限變化的潛在能力。零點能就是由(量子真空中)虛粒子,不斷產生的一對反粒子的出現和湮滅產生的。據推測,量子真空中,每立方厘米包含的能量密度有10^13焦耳
從理論上看,真空能量以粒子的形態出現,並不斷以微小的規模形成和消失。真空中充滿著幾乎各種波長的粒子,但卡西米爾認為,如果使兩個不帶電的金屬薄盤緊緊靠在一起,較長的波長就會被排除出去。接著,金屬盤外的其他波就會產生一種往往使它們相互聚攏的力,金屬盤越靠近,兩者之間的吸引力就越強。1996 年,物理學家首次對這種所謂的卡西米爾效應進行了測定。這是證明真空零點能存在的確鑿證據。

創造發現

逼近技術溫度紀錄
和外太空宇宙背景輻射的 3K 溫度做比較,實現玻色-愛因斯坦凝聚的溫度170*10^(-9)K 遠小於 3K,可知在實驗上要實現玻色-愛因斯坦凝聚是非常困難的。要製造出如此極低的溫度環境,主要的技術是鐳射(雷射)冷卻蒸發冷卻
德國美國奧地利等國科學家組成的一個國際科研小組在實驗室內創造了僅僅比絕對零度高0.5納開爾文的溫度紀錄,而此前的紀錄是比絕對零度高3納開。這是人類歷史上首次達到絕對零度以上1納開以內的極端低溫。
這個科研小組在美國《科學》雜誌上發表論文介紹說,他們是在利用磁阱技術實現銫原子的玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)的實驗過程中創造這一紀錄的。參與研究的科學家大衛·普里查德介紹說,將氣體冷卻到極端接近絕對零度的條件對於精確測量具有重要意義,他們的此次實驗成果有助於製造更為精確的原子鐘和更為精確地測定重力等。
玻色-愛因斯坦凝聚態是物質的一種奇特的狀態,處於這種狀態的大量原子的行為像單個粒子一樣。這裡的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同,它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態。要實現物質的該狀態一方面需要達到極低的溫度,另一方面還要求原子體系處於氣態。華裔物理學家朱棣文曾因發明了雷射冷卻和磁阱技術製冷法而與另兩位科學家分享了1997年的諾貝爾物理學獎
科學家說,他們希望利用新達到的最低溫度發現一些物質的新現象,諸如在此低溫下原子在同一物體表面的狀態、在限定運動通道區域時的運動狀態等。因發現了“鹼金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚”這一新的物質狀態而獲得了2001年諾貝爾物理學獎的德國科學家評價說,首次達到絕對零度以上1納開以內的溫度是人類歷史上的一個里程碑。
慕尼黑路德維格·馬克西米利安大學物理學家烏爾里奇·施奈德解釋說,從技術上講,人們能從一條溫度曲線上讀出一系列溫度數,但這些數字表示的只是它所含的粒子處於某個能量狀態的機率。通常,大部分粒子的能態處於平均或接近平均水平,只有少數粒子在更高能態上下。理論上,如果這種位置倒轉,使多數粒子處於高能態而少數粒子在低能態,溫度曲線也會反過來,溫度將從正到負,低於絕對零度。2001年諾貝爾物理學獎獲得者沃爾夫岡·克特勒也曾證明,在磁場系統中存在負絕對溫度。
施奈德和同事用鉀原子超冷量子氣體實現了這種負絕對零度。他們用雷射和磁場將單個原子保持晶格排列。在正溫度下,原子之間的斥力使晶格結構保持穩定。然後他們迅速改變磁場,使原子變成相互吸引而不是排斥。施奈德說:“這種突然的轉換,使原子還來不及反應,就從它們最穩定的狀態,也就是最低能態突然跳到可能達到的最高能態。就像你正在過山谷,突然發現已在山峰。”
在正溫度下,這種逆轉是不穩定的,原子會向內坍塌。他們也同時調整勢阱雷射場,增強能量將原子穩定在原位。這樣的結果是。這樣一來,氣體就實現了從高於絕對零度到低於絕對零度的轉變,約在負十億分之幾開氏度。
這項研究已經被發表在很多自然科學雜誌上,這是人類在物理學上的重大突破,許多科學家表示這將為發現新的物質——暗物質提供了一條路徑。

最冷之地

智利天文學家發現了宇宙最冷之地,這個宇宙最冷之地就叫做“回力棒星雲”,那裡的溫度為零下272攝氏度,是目前所知自然界中最寒冷的地方,稱為“宇宙冰盒子”。事實上,布莫讓星雲的溫度僅比絕對零度(零下273.15℃)高將近1度。這個“熱度”(因為實際上我們談到的溫度總是在絕對零度之上)是作為宇宙起源的大爆炸留存至今的熱度,事實上,這是證明大爆炸理論最顯著有效的證據之一。

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