理解温度正确的方式是通过热能或是热量。|宇宙中有上亿度高温,低温只能无限接近-273℃!

理解温度正确的方式是通过热能或是热量 。 我们以常见的水为例:一杯热茶的热量来自于水分子的微观运动 。 把水冷却 , 就是把水里的热能吸出来 。 每个水分子的运动会越来越慢 。 最后水会冻结为冰 。 这发生在0℃ 。
但冰里的水分子仍会微微地运动:在冰的晶体里水分子在各自的平衡位置附近做振动 。 我们可以把冰的温度降低 , 随着温度越降越低 , 振动会越来越弱 。 最后 , 在-273.15摄氏度 , 所有的振动都会停下来(是几乎停下来)水分子按量子力学不确定原理所要求的程度被限制在各自的平衡位置附近 。 我们不能使温度降到比-273.15摄氏度(相当于-459.67华氏度)更低 , 因为我们已经无法从那里面吸取更多的热能了 。 这个最冷最冷的温度被称为绝对零度 。
理解温度正确的方式是通过热能或是热量。|宇宙中有上亿度高温,低温只能无限接近-273℃!
文章图片
强调一下是量子力学的不确定性使水分子即便在绝对零度下也没法彻底停止振动 。 不确定关系写△p×△x≥h/4Π 。 在冰的晶体中 , 你相当精确地知道每一个水分子的位置 。 这意味着△x很小:小于相邻水分子间的距离 。 如果△x很小的话 , 这意味着△p不能太小 。 所以 , 根据量子力学 , 每一个水分子仍然会晃晃悠悠地小幅运动着 , 即便它们在绝对零度时 。 和这个运动相对应的是一些能量 , 称作“量子零点能”(quantumzero-pointenergy) 。 它的位置和动量都有一些不确定 。 人们往往把这种现象描述为量子涨落 。 它的基态能可以被称为量子零点能量 。
理解温度正确的方式是通过热能或是热量。|宇宙中有上亿度高温,低温只能无限接近-273℃!
文章图片
总结一下 , 在冰的晶体里有两种振动:热振动和量子涨落 。 我们可以通过给冰降温到绝对零度摆脱热震动 。 但你永远无法摆脱量子涨落 。 绝对零度这个概念是如此有用以至物理学家更习惯于从这个基准出发度量温度 。 这种度量温度的标准称为开尔文温标 。 一开尔文就是绝对零度之上一度 , 或-272.15摄氏度 。 273.15开尔文是0摄氏度 , 冰就是在这个温度开始融化的 。
理解温度正确的方式是通过热能或是热量。|宇宙中有上亿度高温,低温只能无限接近-273℃!
文章图片
如果使用开尔文温标的话 , 热振动的特征能量就由一个简单的方程给出:E=kвT,这里kв是玻尔兹曼常数 。 例如 , 在冰的融点 , 这个公式计算出单个水分子热振动的特征能量是电子伏的1/40 。 这几乎是光弹效应里把钠原子的电子一脚踢飞所需能量的1/100,这个能量是2.3电子伏 。
理解温度正确的方式是通过热能或是热量。|宇宙中有上亿度高温,低温只能无限接近-273℃!】为了对开尔文温标更有感觉 , 下面我说几个有趣的温度 。 空气会在大约77开尔文变成液体 , 大约相当于-321华氏度(或-196摄氏度) 。 室温大约是295开尔文(或22摄氏度 , 72华氏度) 。 在温度的另一端高温 , 太阳表面的温度是稍低于6000开尔文 , 而太阳中心的温度大约是1600万开尔文 。