為什麼高溫沒有上限,而低溫卻有一個絕對零度在限制?

GodLovesme

很高興回答你的問題。

高溫怎麼沒有上限呢?在現有的理論之下,最高溫度為普朗克溫度。任何有溫度的物體都會輻射電磁波,這個好理解,我們每個人都是會向外發射電磁波的,電磁波的波長與溫度有關係,溫度越高,波長越短,所以,以我們每個人來說,胖子波長短、瘦子波長長;大人波長短、瘦子波長長;男子波長短、女孩兒波長長。

而根據經典量子力學看,最短波長是普朗克長度。對應的溫度就是普朗克溫度,數值為1.41 x 10^32 K。

最低溫呢,我們是從微觀的物理推算的。溫度的本質呢,其實就是原子、分子的振動。振動越快,溫度越高。可以理解為,我們動起來就會熱,冬天冷了,抖一抖就好一些,哈哈哈。

如果物體內部的原子和分子完全靜止不動了,那麼此刻溫度已經最低了,不能繼續往下了,而且甚至都不能達到,只能無限接近。這也被科學家們運用到了科學研究之中,在高速運轉的粒子中抓取甚至讓粒子接近靜止。

我們小時候看到聖鬥士星矢裡,冰河一個大招能打到幾個絕對零度以下。。。?那純屬哈哈哈哈了。

當然,我們不能這麼自信,所有事情都通過自己的理論知識來理解。比方說,我們真能讓某個原子完全被靜止。那我們就能知道它的位置和速度,這是和量子力學的不確定性原理相違背的。我們實驗上也是做不到這一點。


不哈韓的小韓

這個問題本身是有問題的,因為高溫並非沒有限制,在現有的理論之下,最高溫度為普朗克溫度。這個溫度是如何計算出來的呢?這得從黑體輻射理論講起。黑體輻射理論認為,任何有溫度的物體都會輻射電磁波,電磁波的波長與溫度有關係,溫度越高,波長越短。而空間長度是有下限的,被稱為“普朗克長度”,經典量子力學以為比普朗克長度更短的長度沒有意義。以此普朗克長度換算過去,得到的溫度就是普朗克溫度,數值為1.41 x 10^32 K。

最低溫之所以有限制,是因為溫度的本質表徵的是原子、分子的振動強度,振動的越快,溫度越高;振動的越慢,溫度越低。而這種振動的快慢是有下限的,即完全不振動。若是一個物體內部的原子、分子全部靜止不動,那麼此刻它的溫度就是最低的,稱為“絕對零度”,即開爾文溫標的0K,對應的攝氏度為零下273.15度。不過絕對零度只是一個理論極限值,無法達到。

說到這裡,我想起了如今有一項很前沿的技術,叫做“激光製冷”。一般情況下,激光只能用於加熱,因為電磁波將能量傳遞給物體,引起物體內能的增加。但由於溫度與原子振動存在直接關係,激光也可以對原子施加一個反向的作用力,將原子分子的振動幅度大大減小,從而實現將其降溫的目的。目前的低溫極限大多是用這種方法實現的,已經非常接近絕對零度了。


看風景的蝸牛君

這個說法是錯誤的!低溫的極限是絕對零度,即零下273.15攝氏度!同樣高溫也是有上限的,即普朗克溫度!

這個普朗克溫度是通過經典量子力學算出來的。量子力學認為任何物體只要溫度大於絕對零度(零下273.15攝氏度)就會向外輻射能量,同時也向外吸收能量,這就稱為黑體輻射。而其吸收能量過程中溫度必然會升高,同時其波長會降低,但是波長不可能無限降下去,因此最終可以通過計算得到黑體輻射的最高溫度,就是高溫的上限——

1.41*10的32次方開爾文度。


地震博士

先來看看我們所能理解的溫度變化吧。

-273.15℃ 絕對零度,是溫度的極限。目前,我們可以製造距絕對零度只差三千萬分之一度的低溫,但仍不可能得到絕對零度。

-264°C 鈮鈦合金的超導臨界溫度,這個溫度下呈現超導抗磁的特性。

-240℃ 冥王星的最低溫度

-120℃ 月球表面溫度最低值

-117℃ 酒精的凝固溫度,所以酒精的溫度計可以在極地使用,而水銀溫度計不可以。

-90℃ 地球最低溫 、大氣最低氣溫

-70℃ 北極最低氣溫

-50℃ 雪蓮,世界上最不怕冷的花,即使-50℃,也鮮花盛開。

42℃ 人體溫度極限

100℃ 開水

700℃ 菸頭、蚊香的溫度

1534℃ 高爐鐵水

3410℃ 鎢的熔點

熔點最高的物質是鉿合金(Ta4HfC5),熔點高達4215℃

地心溫度約為6000℃

太陽中心溫度約為2000萬℃。

5億℃ 普林斯頓等離子物理實驗室中的託卡馬克核聚變反應堆利用氘和氚的等離子混合體於1994年5月27日創造出來的

4萬億℃ 美國能源部布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)用巨型粒子對撞機對撞金元素離子,製造出了“超級大爆炸”。製造出了有史以來實驗室中的最高溫度———4萬億攝氏度。

從-273.15℃到4000000000000℃,看似溫度沒有上限,這不過是我們的錯覺罷了。其實溫度同樣是有上限的。根據黑體輻射理論,只要有溫度就會輻射出特定的電磁波,其中的波長與溫度直接相關,溫度越高,波長也就越短。由量子理論可知波長的最短空間長度為“普朗克長度”,用這樣的方法反推出最高的溫度也就是普朗克溫度,數值為1.41 x 10^32 K。

溫度下限,大家已經很好理解了。溫度是物質內部振動強度的表徵,振動的越劇烈溫度越高,而完全靜止不運動便是溫度的下限了。所以理論上算得如果物體中的原子、分子完全不動,便是零下273.15度。

如果覺得這些理論晦澀難懂,給大家來個通俗易懂的。

我們生活的宇宙是137億年前,由一個極度緻密熾熱的奇點爆炸產生的。爆炸的原點溫度便是1.41 x 10^32 K!這是宇宙曾經有過的最高的溫度,如同一個炮竹,爆炸之後便開始膨脹,溫度也開始下降。

所以,在我們可以觀測的所有時空之中,都無法超越這個溫度。那一刻,宇宙的所有能量聚於一點。


老爸的修行

1 : 好吧,談談個人的看法,關於溫度的下限,科學上的名詞稱之為絕對零度,絕對零度的數值為-273.15℃,這個溫度是熱力學上的最低值,但絕對零度實際上只存在於理論上,宇宙當中沒有任何一個地方的溫度可以達到這個數值,只能無限的接近,那麼為什麼溫度存在一個下限值,我是這麼理解的。

2 : 首先關於物質的溫度,一些書本上是這麼說的,物質的溫度取決於其內原子和分子以及其他粒子的動能,動能越大,溫度越高,那麼當粒子的動能低於量子力學的最低值的時候,物質的溫度就是所謂的絕對零度,這裡有一個非常關鍵的詞,“動能”,什麼是動能呢,我特地去查了一下,動能是由物體運動而產生的能量,物質的速度越大,動能也就越大。


3 : 那麼關鍵來了,既然速度決定動能,動能決定溫度,那麼速度和溫度之間肯定是密切相關的,在某些情況下,物質的速度越快,溫度也就越高,那麼速度有沒有上限呢,有的同學肯定要說光速,我又去查了一下,書本上是這樣解釋的,光速是目前自然界物體運動的最大速度,也是信息進行傳遞的上限值,這裡兩個詞很關鍵,一個是“目前”,一個是“信息”,但目前的理論是,宇宙膨脹以及量子糾纏的速度要遠大於光速,所以光速並非速度的上限值。


4 : 就我個人的看法是,理論上速度的數值可以無限的大,所以既然速度是無限的,動能當然也不會存在一個最大值,那麼當動能無限大的時候,溫度也就無限的高,所以溫度沒有上限,那麼反之,速度會無限的小嗎?答案是不會,因為速度的最低值為零,也就是靜止,靜止也就意味著物質的動能趨於零,然後上面已經說的很清楚了,當粒子的動能低於量子力學的最低值的時候,絕對零度就出現了,那麼由於速度不存在負數,不可能存在低於絕對零度的溫度,所以,這就是我個人的看法,你們覺得呢……



種植恆星

看了下面本人的瞎想,就明白溫度是啥玩意了,包括能量,質量,力,中子,黑洞等等。正宗民科,哈哈

統一場理論,老張獨家編寫,宇宙物質是“電場+磁場+方向”構成,如同立方體的長+寬+高,三種東西的不同組合與變化,形成萬物,解釋宇宙一切,包括能量,質量,力等

基礎知識:物質由分子構成,分子由原子構成,原子由質子+中子+電子構成,質子+電子=中子,

1.中子由三個電子團構成,即所謂三種夸克,而這三種夸克其實就是電子團的三種屬性的表現,分別是電場,磁場,方向,三者互相垂直。其中方向產生質量和力,而電場和磁場產生能量

電子就是由“電場+磁場+方向”三種特性構成

三種特性是物質的構成最小單位。特徵為:

特徵1.電場和磁場互相交變轉化:轉化頻率快慢表示能量高低,頻率快則能量大,頻率慢則能量小,

特徵2-如果電場和磁場轉化頻率太低,如為0.則轉變成質量,體現為力極其大,極端表現就是黑洞,所以,黑洞內部沒有電場和磁場,僅剩下無窮大的力,以致光速都被吸引逃脫不了。

黑洞內部電場和磁場消失,所以無法檢測到。

黑洞內部電場和磁場消失,表示沒有能量,所以黑洞溫度為絕對溫度,-273.12度

每個中子,其實就是最小的黑洞,內部沒有溫度,沒有能量,只有質量或力。

特徵3.電場和磁場轉變頻率無窮大,則方向為0.表現為中“中微子“!因為方向為0.表示質量和力為0.沒有質量和力,所以很難檢測到

解釋溫度和能量:溫度其實是電子的活躍程度,對一個物體加熱,比如對鐵塊加熱,只是電子活躍了而已,電子混亂度加大,而電子內部的電場和磁場沒有任何變化。原子核也沒有任何變化。

同理,中子星,中子活躍度極大,表現為超高的溫度,中子星旋轉速度越快,則磁性越強,

‌解釋電磁波,電磁波是具備能量而沒有質量的東西,本身由電場和磁場交變構成,但電磁波的產生卻是力的轉換形成的,如太陽發光(電磁波),光具有了能量,而這能量是太陽減少質量形成的,質量=力

解釋夸克:無數個電子凝聚在一起,形成電子團,就是一個夸克,一共三種,本別是偏向磁場性能的夸克,偏向電場的夸克,偏向”力“的夸克,尤其是偏向“力”的夸克最難檢測到。

解釋愛因斯坦的質能關係E=MC^2. 其實和經典動能公式E=1/2MV^2是一樣的,差別就是係數1/2,為什麼呢?原因是電子以光速運動,其次是中子裡面的電子被打出來並破裂了,電子裡面的電場和磁場被釋放出來了,而“力”卻消失了,即質量消失了。這也符合前面說的中子就是最小黑洞的說法,也符合黑洞裡電場和磁場轉變頻率為0的說法,即質量完全變為能量,所以沒有了係數1/2

以上理論為老張在北京做地鐵時腦洞大開時想到的,時間是2017年4月29日。地點,六里橋

創建於2017.4.30

老張說甲醇汽車

你說的定義的對不對?確實很對,完全對。。。然而什麼卵用都沒有,因為還是沒有說溫度是什麼。不過就具備一定理科教育背景的人而言,以下的知識肯定是具備的:溫度的單位分為攝氏度和開爾文(我知道還有華氏度。。。),攝氏度是將水在一個標準大氣壓下的熔點和沸點分別定義為0攝氏度和100攝氏度,並把這兩個溫度之間的溫差100等分,每份成為1攝氏度;而開爾文就是攝氏溫度加上個273.16。可能會有人說這不就把溫度定義下來了嗎?其實不然。這種定義首先不討論其“100等分”是如何做到的,關鍵的問題在於這根本就不是定義的溫度啊!這個東西在物理學上稱作溫標而不是溫度,因為說到底,這是定義了一種給予溫度量化/單位化的方法,但是還是沒提溫度是什麼東西啊!!如果對物理瞭解再深一點,可能會知道“溫度是分子平均動能的標誌”。到這個地步,就可以說把溫度定義下來了。對於單原子理想氣體,平衡態時有如下的關係:

Ek是分子的平均動能,kB是Boltzmann常數,T就是平衡態下體系的溫度。理想氣體分子是經典粒子,它的平均動能可以算出來,這樣的話T就完完全全可以計算了。與此等價的引入方式是通過理想氣體的查理定律和蓋呂薩克定律引入,這樣引入的溫度的溫標被成為理想氣體溫標。ps: 我知道,嚴謹地說我上面這段話從物理角度來看漏洞百出,但有些細節不想深究望不吐槽

好了,前菜過了。上面所有關於溫度的討論,且不說沒有揭示本質,連“唯象”都沒有做到。如果想要十分嚴謹地理解溫度這個概念,必須引入熱力學第零定律:
如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處於熱平衡,則它們彼此也必定處於熱平衡。
熱力學第一定律:不同形式的能量在傳遞與轉換過程中守恆。熱力學第二定律:不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響,或不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響
不做過多解釋,默認大家都明白這兩條定律什麼意思。熱力學第一定律的定量表述是這樣的形式:系統的吸熱和外界對系統做的功之和等於系統內能的變化量。通過熱力學第二定律,我們可以看到宏觀現象的不可逆性。換句話說,宏觀現象總是沒有時間反演不變性。根據熱二律可以證明,一定可以引入一個態函數,在孤立系中這個函數不減,並且在不可逆過程中增加(具體證明可以自行搜索)。我們稱這個態函數叫做——熵。同時,我們發現了這樣一個驚人的事實,那就是對於可逆過程,採用理想氣體溫標定義的溫度和熵函數的變化量的乘積正好等於系統的吸熱!而對於不可逆過程,溫度和熵函數的變化量的乘積一定大於系統的吸熱!定量表述是: 對於可逆過程 對於不可逆過程 之前聲明過,溫度這個函數只用來描述平衡態,若平衡態之間都用準靜態過程來連接,我們必然可以得到這個微分方程:最後一項表示的是所有廣義力所做的元功的和。終於到了這裡,從這個公式裡面我們可以得到這樣的信息:當沒有任何功參與時,溫度表徵的就是內能變化和熵函數變化的比例關係在所有的yl保持不變的時候,系統內能對對熵函數的微商。終於!!我們得到了一個只與系統有關的!!不依賴任何測溫物質的!!完完全全定量給出的!!溫度的表達式!!!而且由於熵函數的取法不是唯一的,所以取不同的熵函數,我們就可以得到完全不同的溫度的表達式!!是不是聽起來炫爆了。。。事實確實如此,而且這些溫度都是合理的,可以參與運算的。當然,不見得能夠很好的符合“表示物體冷熱程度”的定義就是了。。。魂淡這並不重要到這裡,我們就可以回答關於負絕對溫度的問題了。首先,為了使這裡的溫度成為絕對溫度,我們應該把熵取成和理想氣體溫標配套的熵(就是最正常的熵的表達式,或者說Boltzmann熵)。然後!只要存在這樣一個系統,當它的內能增加時,熵卻減小了(無功)!那這個系統的絕對溫度就是負的。這樣的系統是否存在?很遺憾的說,在我們生活中,這樣的系統完全不存在。絕絕絕絕大多數情況,內能增加,熵必增(無功,後略)。但是還是有一些特例,這些特例的系統必須滿足這個條件:系統的能量有上限。當然只滿足這一個條件是遠遠不夠的,只是其他的條件細節太多,沒法展開。假如我們手裡就有這樣一個系統,它的能量是有上限的。那麼隨著溫度上升的過程中,能量增大,由於溫度是正的,所以上也會增大。由於系統的能量是有限的,假如我們可以把正好系統能量上限的能量輸入系統(這一步的可行性需要其他條件的支持),那麼系統的熵在能量達到上限的時候將達到極大值。由於熵處於極大,此時內能發生微變時,熵的微變為0,作比之後可以得到又由於溫度是不斷增大的,可知這個無窮是正無窮。那麼當我們繼續增大系統的能量,使其超過系統能量的上限,會發生什麼?前面已經說到,能量達到上限時熵極大,則能量繼續增大時,熵必然減小!再把它們的變化量作比,就發現得到了負的結果!!沒錯,這就是負絕對溫度,它存在與內能增加但熵減的系統當中。並且可以看到,最開始的時候,T是接近負無窮的,隨著系統的能量越來越大,T的絕對值不斷減小。所以我們可以很清楚的意識到,負絕對溫度並不是比0K更低的低溫,而是比更高的高溫!在強調一次,負絕對溫度是比任何正溫度都要“高”的溫度!!這也解釋了為什麼要求系統的能量有上限,否則根本沒有足夠的能量輸入系統使得其溫度突破正無窮達到負溫區!那麼身處在負絕對溫度下會是怎樣的感受呢?很遺憾,這不可能。前面只說了“系統的能量有上限”這一個要求,實際上要求還有很多,這些要求限制了負絕對不可能成為穩定的狀態。由於 不穩定,所以負絕對溫度下的平衡只能是局部的和短暫的(為什麼強調平衡?前面說過了,沒有平衡談不上溫度)。綜上!這就是我想科普的全部內容啦!至於熱力學第三定律,我想說這並不矛盾。因為熱力學第三定律只是說了絕對零度不可達。。。。我也沒達絕對零度啊!而且我也不是跨過0K去的負溫區啊,我明明是從正無窮過去了,完全和熱力學第三定律沒有任何矛盾!

脫韁的小野驢

回答這個問題要知道兩點:

物體內部分子的平均動能的外部表徵就是溫度,動能可以為0,所以有絕對零度。但是動能沒有上限,所以溫度沒有上限。

絕對零度 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,係指所有空間、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,但已達到絕對零度以上百萬分之一度內的低溫。所有這些在物質內部發生的分子和原子運動統稱為“熱運動”,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託)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oK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朝等,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。 現在,除了絕對零度外,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(=o℃=320°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佈


明仔說電影

首先是高溫有上限。宇宙大爆炸是一個膨脹伴隨冷卻的過程,所以很簡單的倒推回去,在大爆炸發生的那一刻無疑是宇宙的最高溫度。絕對至高溫度也叫做普朗克溫度,數值是1.4*10^32K。

然後是絕對零度。溫度在物理意義上來說表示分子動能。絕對零度意味著分子動能為零,即絕對靜止。如果這種情況被允許,那能量守恆定律將被打破,會有一處空間沒有任何能量和熱量,這當然不可能。所以熱三定律說,絕對零度只能趨近不可達到。


老老的月光

萬物皆有其限。無窮,無限只是一種數學形式,有條件地視為無。比如,物理上的距離無窮遠就是大於給定距離的10倍100倍以上,認為其影響力忽略不計。而量子理論告訴我們,能量是和振動頻率正比的 hv,是不連續的。最低溫就是絕對靜止下0K(-273攝氏度),看起來很簡單卻永遠也達不到,(幾k的超導低溫極限難有寸進)因為動能 內能都是0,時空統一體的不存在又怎麼會被你感知?(感知至少是發個電磁波 或暗物質那樣的引力波吧?)。高溫極限是10^32K,也是達不到的,為什麼呢?因為是波長理論下限值(或頻率v理論上限值了,聯繫普朗克公式e=hv),那麼這個極限溫度就是全宇宙的一切存在都轉化為內能所達到的溫度。。。(想想你自己都裂變 聚變 再湮滅為能量了,你還感受得到特麼什麼至高溫度麼?)。。。另外,跟大爆炸假說聯繫起來的就是一切湮滅成內能,物理規律都失效的那個神奇存在就是大爆炸所謂的“奇點”,假說者認為奇點就是絕對高溫 10^32K. 這跟上面反演一切宇宙存在湮滅為能量的至高溫度一致的(甚至暗合 能量守恆)。然而,大爆炸理論終極產物“奇點”是讓人既愛又恨的。愛是一切物理的數學的反演都一致性地指向它,不得不讓人側目和深思。恨的是這個“奇點”是不符合既有的一切物理規律。。。大爆炸假設在奇點上也走到終結,類試於黑體輻射和光速不變的經驗,人們意識到,即便大爆炸大廈都是對的,從奇點開始就“不靈光”了。要麼全是錯的,要麼到預言最重要的“奇點”就say goodbye 了。從來沒有這麼奇怪的理論,一方面,許多的預言 如宇宙膨脹因子在一個個被天文望遠鏡和巡天設備所證實。另一方面,從誕生之初,就指向了“奇點”這個預言不了的玩意兒。你自己理論創造的東西,自己都預測控制不了。等於自己把自己埋葬了。。。有點繞,反正是成也蕭何敗也蕭何。因為奇點,大爆炸理論形成完美的體系,也因為這個奇點 不可預測,沒有規律,整個理論都處於被顛覆的尷尬位置。。。



分享到:


相關文章: