什么是絕對(duì)零度絕對(duì)零度的內(nèi)容
絕對(duì)零度是熱力學(xué)的最低溫度，但只是理論上的下限值。那么你對(duì)絕對(duì)零度了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是絕對(duì)零度的內(nèi)容，希望大家喜歡!
絕對(duì)零度的簡(jiǎn)介
絕對(duì)零度表示那樣一種溫度，在此溫度下，構(gòu)成物質(zhì)的所有分子和原子均停止運(yùn)動(dòng)。所謂運(yùn)動(dòng)，系指所有空間、機(jī)械、分子以及振動(dòng)等運(yùn)動(dòng)。還包括某些形式的電子運(yùn)動(dòng)，然而它并不包括量子力學(xué)概念中的“零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)”。除非瓦解運(yùn)動(dòng)粒子的集聚系統(tǒng)，否則就不能停止這種運(yùn)動(dòng)。從這一定義的性質(zhì)來(lái)看，絕對(duì)零度是不可能在任何實(shí)驗(yàn)中達(dá)到的這些運(yùn)動(dòng)是肉眼看不見(jiàn)的，但是我們會(huì)看到，它們決定了物質(zhì)的大部分與溫度有關(guān)的性質(zhì)。正如一條直線僅由兩點(diǎn)連成的一樣，一種溫標(biāo)是由兩個(gè)固定的且可重復(fù)的溫度來(lái)定義的。最初，在一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(760毫米水銀柱，或760托)時(shí)，攝氏溫標(biāo)是定冰之熔點(diǎn)為0℃和水之沸點(diǎn)為100℃，絕對(duì)溫標(biāo)是定絕對(duì)零度為0K和冰之熔點(diǎn)為273K，這樣，就等于有三個(gè)固定點(diǎn)而導(dǎo)致溫度的不一致，因?yàn)榭茖W(xué)家希望這兩種溫標(biāo)的度數(shù)大小相等，所以，每當(dāng)進(jìn)行關(guān)于這三點(diǎn)的相互關(guān)系的準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)時(shí)，總是將其中一點(diǎn)的數(shù)值改變達(dá)百分之一度。僅有一固定點(diǎn)獲得國(guó)際承認(rèn)，那就是水的“三相點(diǎn)”。1948年確定為273.16K，即絕對(duì)零度以上273.16度。當(dāng)蒸氣壓等于一大氣壓時(shí)，水的正常冰點(diǎn)略低，為273.15K(=0℃=32°F)，水的正常沸點(diǎn)為373.15K(=100℃=212°F)。這些以攝氏溫標(biāo)表示的固定點(diǎn)和其他一些次要的測(cè)溫參考點(diǎn)(即所謂的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo))的實(shí)際值，以及在實(shí)驗(yàn)室中為準(zhǔn)確地獲得這些值的度量方法，均由國(guó)際權(quán)度委員會(huì)定期公布。
科學(xué)家在對(duì)絕對(duì)零度的研究中，發(fā)現(xiàn)了一些奇妙的現(xiàn)象。如氦本是氣體(氦是自然界中最難液化的物質(zhì))，在-268.9℃時(shí)變?yōu)槌簯B(tài)，當(dāng)溫度持續(xù)降低時(shí)，原本裝在瓶子里的液體，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(xiàn)噴泉現(xiàn)象，液體的粘滯性也消失了。
物體的溫度實(shí)際上就是原子在物體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我們感到一個(gè)物體比較熱的時(shí)候，就意味著它的原子在快速運(yùn)動(dòng)：當(dāng)我們感到一個(gè)物體比較冷的時(shí)候，則意味著其內(nèi)部的原子運(yùn)動(dòng)速度較慢。我們的身體是通過(guò)熱或冷來(lái)感覺(jué)這種運(yùn)動(dòng)的，而物理學(xué)家則是絕對(duì)溫標(biāo)或稱(chēng)開(kāi)爾文溫標(biāo)來(lái)測(cè)量溫度的。
按照這種溫標(biāo)測(cè)量溫度，絕對(duì)溫度零度(0K)相當(dāng)于攝氏零下273.15度(-273.15℃)被稱(chēng)為“絕對(duì)零度”，是自然界中可能的最低溫度。在絕對(duì)零度下，原子的運(yùn)動(dòng)完全停止了，那么就意味著我們能夠精確地測(cè)量出粒子的速度(0)。然而1890年德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克引入的了普朗克常數(shù)表明這樣一個(gè)事實(shí)：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于普朗克常數(shù)，這是我們生活著的宇宙所具有的一個(gè)基本物理定律(海森堡不確定關(guān)系)。那么當(dāng)粒子處于絕對(duì)零度之下，運(yùn)動(dòng)速度為零時(shí)，與這個(gè)定律相悖，因而我們可以在理論上得出結(jié)論，絕對(duì)零度是不可以達(dá)到的。
事實(shí)上，在這樣的非常溫度下，物質(zhì)呈現(xiàn)的既不是液體狀態(tài)，也不是固體狀態(tài)，更不是氣體狀態(tài)，而是聚集成唯一的“超原子”，它表現(xiàn)為一個(gè)單一的實(shí)體。
19世紀(jì)中期，開(kāi)爾文男爵威廉·湯姆森定義了絕對(duì)溫度，在此規(guī)定下沒(méi)有物質(zhì)的溫度能低于絕對(duì)零度。氣體的絕對(duì)溫度與它所包含粒子的平均能量有關(guān)，溫度越高，平均能量越高，而絕對(duì)零度是氣體的所有粒子能量都為零的狀態(tài)，這是一種理想的理論狀態(tài)。到了上世紀(jì)50年代，物理學(xué)家在研究中遇到了更多反常的物質(zhì)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)這一理論并不完全正確。
在正常溫度下，這種逆轉(zhuǎn)是不穩(wěn)定的，原子會(huì) 向內(nèi)坍塌。他們也同時(shí)調(diào)整勢(shì)阱激光場(chǎng)，增強(qiáng)能量將原子穩(wěn)定在原位。
現(xiàn)任美國(guó)麻省理工大學(xué)物理教授科特勒稱(chēng)此最新成果為一項(xiàng)“實(shí)驗(yàn)的絕技”。在實(shí)驗(yàn)室里，反常高能態(tài)在正常溫度下很難產(chǎn)生，而在負(fù)絕對(duì)溫度下卻會(huì)變得穩(wěn)定——“就像你能把一個(gè)金字塔倒過(guò)來(lái)穩(wěn)穩(wěn)的放著，而不必?fù)?dān)心它會(huì)倒。”克特勒指出，該技術(shù)使人們能詳細(xì)研究這些反常高能態(tài)，“也可能成為創(chuàng)造新物質(zhì)形式的一條途徑。”
絕對(duì)零度的內(nèi)容
絕對(duì)零度(absolute zero)是熱力學(xué)的最低溫度，是粒子動(dòng)能低到量子力學(xué)最低點(diǎn)時(shí)物質(zhì)的溫度。絕對(duì)零度是僅存于理論的下限值，其熱力學(xué)溫標(biāo)寫(xiě)成K，等于攝氏溫標(biāo)零下273.15度(-273.15℃)。
物質(zhì)的溫度取決于其內(nèi)原子、分子等粒子的動(dòng)能。根據(jù)麥克斯韋-玻爾茲曼分布，粒子動(dòng)能越高，物質(zhì)溫度就越高。理論上，若粒子動(dòng)能低到量子力學(xué)的最低點(diǎn)時(shí)，物質(zhì)即達(dá)到絕對(duì)零度，不能再低。然而，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，絕對(duì)零度永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到，只可無(wú)限逼近。因?yàn)槿魏慰臻g必然存有能量和熱量，也不斷進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換而不消失。所以絕對(duì)零度是不存在的，除非該空間自始即無(wú)任何能量熱量。在此一空間，所有物質(zhì)完全沒(méi)有粒子振動(dòng)，其總體積并且為零。
有關(guān)物質(zhì)接近絕對(duì)零度時(shí)的行為，可初步觀察熱德布洛伊波長(zhǎng)。
有關(guān)物質(zhì)接近絕對(duì)零度時(shí)的行為，可初步觀察熱德布洛伊波長(zhǎng)(Thermal de Broglie wavelength)。其中h為普朗克常數(shù)、m為粒子的質(zhì)量、k為玻爾茲曼常量、T為絕對(duì)溫度?？梢?jiàn)熱德布洛伊波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度的平方根成反比，因此當(dāng)溫度很低的時(shí)候，粒子物質(zhì)波的波長(zhǎng)很長(zhǎng)，粒子與粒子之間的物質(zhì)波有很大的重疊，因此量子力學(xué)的效應(yīng)就會(huì)變得很明顯。著名的現(xiàn)象之一就是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚在1995年首次被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)時(shí)溫度僅有170*10^(-9)開(kāi)爾文。
①在中學(xué)階段，對(duì)于熱力學(xué)溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)間的換算，是取近似值T(K)=t(℃)+273。實(shí)際上，如以水的冰點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，絕對(duì)零度應(yīng)比它低273.15℃所以精確的換算關(guān)系應(yīng)該是T(K)=t(℃)+273.15。
?、诮^對(duì)零度是根據(jù)理想氣體所遵循的規(guī)律(即理想氣體狀態(tài)方程)，用外推的方法得到的。用這樣的方法，當(dāng)溫度降低到-273.15℃時(shí)，氣體的體積將減小到零。如果從分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)出發(fā)，理想氣體分子的平均平動(dòng)動(dòng)能由溫度T確定，那么也可以把絕對(duì)零度說(shuō)成是“理想氣體分子停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫度”。以上兩種說(shuō)法都只是一種理想的推理。事實(shí)上一切實(shí)際氣體在溫度接近-273.15℃時(shí)，將表現(xiàn)出明顯的量子特性，這時(shí)氣體早已變成液態(tài)或固態(tài)?？傊?，氣體分子的運(yùn)動(dòng)已不再遵循經(jīng)典物理的熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)以及經(jīng)過(guò)量子力學(xué)修正后的理論導(dǎo)出，在接近絕對(duì)零度的地方，分子的動(dòng)能趨于一個(gè)固定值，這個(gè)極值被叫做零點(diǎn)能量。這說(shuō)明絕對(duì)零度時(shí)，分子的能量并不為零，而是具有一個(gè)很小的數(shù)值。原因是，全部粒子都處于能量可能有的最低的狀態(tài)，也就是全部粒子都處于基態(tài)。
?、塾捎谒娜帱c(diǎn)溫度是0.0076℃，因此絕對(duì)零度比水的三相點(diǎn)溫度低273.16℃。
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