高溫溫度高的能達到幾萬幾十萬度,為什麼低溫最低才-273.15度?

赤月金虹


這個題我們通俗的講簡單理解,物體微觀粒子原子、分子等熱運動表現出的是外在的溫度,微觀粒子運動的越快越劇烈動能越高也就是溫度越高,那麼物體的溫度就很容易得出有理論上的低溫下限,而沒有高溫上限。微觀粒子停止運動表現出的溫度定義為絕對零度,實際上我們知道這種情況並不會發生,粒子一定會運動,那麼溫度只能是無限接近於絕對零度。

至於題中說的高溫幾十萬度,低溫零下273.15度就是定義的原因了,如果把攝氏度的零度重新定義也可以實現低溫幾十萬攝氏度的情況。但這些並不影響絕對零度。

智利天文學家在半人馬星座,距離地球約5000光年的地方發現回力棒星雲,這裡被認為是宇宙中最冷的地方溫度為零下272攝氏度,只比絕對零度高大約1攝氏度。


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科學黑洞


理論上的最低溫度與我們所處的環境溫度相差也就兩三百度,但高溫卻能高達幾萬、幾十萬甚至幾十億度以上。之所以有如此巨大的差異,與人類如何定義溫度有關。

我們在生活中通常使用攝氏溫標,它的定義與水有關。在標準大氣壓下,純水的冰點被定義為0攝氏度,而純水的沸點則被定義為100攝氏度。基於這樣的標準,通過理論可以推導出最低溫度為-273.15攝氏度,這就是無法達到的絕對零度。至於為什麼最低溫度只能到絕對零度,並且還不能達到,這與物體產生溫度的機制有關。

組成物體的粒子一直會做不會停止的熱運動,這是物體有溫度的根本原因。如果粒子熱運動的劇烈程度下降,溫度也會隨之下降。那麼,極限就是粒子停止熱運動,熱量不再產生,所以溫度將會達到最小值。但海森堡不確定性原理表明,粒子的位置和速度無法被同時測出來,所以粒子停止熱運動與之相違背,這意味著絕對零度只能無限趨近,而無法達到 。並且相對論還表明,這個世界不存在絕對靜止的物體,任何物體都會存在運動,靜止只是相對的。

上圖為三種不同氣體的壓力與溫度關係曲線,通過查理定律可以外推到絕對零度。

通過實驗和理論(比如查理定律)推導,絕對零度的大小約為-273.15攝氏度。人類目前取得的最低溫度仍然比絕對零度高出10^-10度,但就是無法達到極限。

另一方面,粒子的熱運動可以非常劇烈,所以溫度可以升到非常高的程度,幾萬、幾十萬甚至幾十億、幾十萬億度都是可以達到的。人類目前取得的最高溫度是10萬億度,由質子和原子核在高能粒子加速器中高速碰撞得到。

不過,溫度也不會無限升高,量子力學給出的溫度上限是普朗克溫度,溫度高達1.42億億億億度,只有宇宙大爆炸的最初時刻才達到過這個溫度。


火星一號


為什麼最高溫可以達到上億度,而最低溫只有-273.15℃?之所以會出現這種情況,主要是由於我們所定義的溫標所引起的,還有另外一點原因會在後面提到。

溫標就像一把尺子,為了定義溫度的大小,我們必須要找一個基準,然後按比例劃分就可以了。我們對溫度的定義由於溫標的不同,其數值大小也不同。目前全世界比較主流的有三個溫標:熱力學溫標、攝氏溫標、華氏溫標。其中攝氏溫標主要在全球許多國家的日常生活中使用,而熱力學溫標主要應用於科學領域。

攝氏溫標是以標準大氣壓下,冰水混合物的溫度和水沸騰的溫度為基準,將其分成100等份,每一份即為1℃。規定標準大氣壓下冰水混合物的溫度為0℃,則水沸騰的溫度即為100℃。而華氏溫標則是將其等分成180份,華氏度與攝氏度的換算關係為F=1.8C+32,目前只有美國等少數國家還在日常生活中使用。



如果我們使用熱力學溫標,就可以避免這個問題。熱力學溫標的最低溫度為0開爾文,不會有負數出現的情況。0K為絕對零度(即-273.15℃),任何物體都不可以達到這個溫度,只能無限接近。熱力學溫標與攝氏溫標的換算關係為:K=C+273.15,也就是說在標準大氣壓下冰水混合物的溫度為273.15K。

溫度在微觀上表現為粒子熱運動的劇烈程度。只有大量聚集態粒子才具有溫度這個概念,溫度是一個具有統計學意義的物理量。溫度存在一個理論上限值,即普朗克溫度,其數值大小為1.42x10^32 K,只有在宇宙大爆炸最初的那一刻才能達到。


為什麼溫度的最大值感覺很大?

在宇宙中,物體的最低溫只能無限接近絕對零度。絕對零度為什麼不可達?那是因為物體不可能絕對靜止,除非粒子停止熱運動,否則不可能達到絕對零度。

在大約一萬度以下時,物體的形態主要是由電磁力約束著的,對溫度變化比較敏感。當物體的溫度達到幾十上百萬度時,傳統意義上的物質形態已不復存在,物體都是以粒子狀態存在了。而粒子的結構形態是由核力約束著的,高溫對處於粒子態的物質的影響就沒有那麼大了,也就是粒子的熱運動可以很劇烈。當溫度足夠高時,物質就會以基本粒子形態存在,這種溫度也就只在宇宙大爆炸初期及高能粒子碰撞實驗等極端條件下才會存在。通常要維持上億度的高溫都必須在高壓條件下才能維持得住,這也是目前要實現可核聚變需要攻克的難點。

簡單點說,就是粒子可以承受的溫度比普通物體所能承受的溫度要高很多。


其實高溫與低溫只是一個相對的概念,我們只是以日常生活經驗去判斷的,所以才會讓人覺得物體的高溫範圍似乎比低溫範圍要廣很多。

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科學探索菌


首先這些溫度是人定義的,假設最低溫度為一個值,我們稱它為絕對零度,這種情況下物體內的一切物質停止運動,一般來說物質內原子、電子等是不可能停止運動的,而溫度越高運動越快。因此讓一個物體保持絕對零度是不現實的,而保持高溫卻相對容易,就比如真空度的發生永遠比不上提供正壓值方便。也就是說低溫的低值跨度遠遠小於高溫的高值跨度。


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