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絕對零度是-273℃,為什么不是-300℃,誰制定了這個物理定律?

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2019-10-06  星辰大海...

    這個話題就像光速為什么不是300000米/秒一樣,其實我們也可以將光速折騰到這個數字的,我們只要修改度量衡中的1M長度為: 299792458/300000000即可,光速立馬就從299792458米升格為整30萬米/秒,同理,我們將攝氏溫標重新定義,那么絕對零度立馬就從-273℃變成-300℃,當然大家肯定不服氣,這不是耍流氓嘛,沒關系,咱簡單來了解下溫度我們認識溫度的歷史。

    溫度的歷史,分子運動論的來歷

    • 早在1593年,伽利略的就發明了第一個溫度計,當然那很原始,不過已經知道了利用介質的熱脹冷縮來表示溫度。

    • 1665年,意大利天文學家惠更斯提出用水的冰點和沸點作為溫度的參考點(但當時還不知道氣壓和沸點的關系)

    • 1742年,瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯將一個大氣壓下的冰水混合物規定為0℃,同時將一個大氣壓下的水的沸點定為100℃,并且在兩者之間均分為100個刻度。此方式在1743年被修訂成現行的攝氏溫標。

    安德斯·攝爾修斯

    • 1799年,倫福德伯爵通過摩擦生熱的觀察提出了熱是一種運動的結論。

    • 早在1738年,丹尼爾·伯努利發表著作《流體力學》中提出了氣體分子運動論,1820年英國一位鐵道雜志的編輯赫拉派斯獨立提出了伯努利曾經提出過的氣體分子運動論,并且認為壓強是氣體粒子碰撞的結果,而且明確的提出了氣體的溫度取決于分子運動的速度。

    • 1824年,卡諾出版了《關于火的動力思考》,在書中卡諾提出了理想熱機理論,奠定了熱力學的理論基礎。

    • 1827年,英國植物學家羅伯特·布朗利用一般的顯微鏡觀察懸浮于水中的花粉時,發現了分裂出的花粉微粒的不規則運動,后人將之稱為布朗運動。

    布朗運動

    • 1848年,焦耳在赫拉派斯工作的基礎上,測量了很多氣體的分子速度。在焦耳的推動下,分子運動論開始被科學界重視。

    • 1848年,威廉·湯姆森(第一代開爾文勛爵)在《關于一種絕對溫標》中提出了需要一種“絕對的冷”(絕對零度)作為零點的溫標,使用攝氏溫標計量,威廉·湯姆森利用空氣溫度計測算出絕對零度為?273 °C

    第一代開爾文勛爵:威廉·湯姆森

    • 1859年,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋用概率論證明了平衡態下,理想氣體分子的速度分布是有規律的,這個規律稱為麥克斯韋速度分布律,并給出了它的分布函數表達式。

    • 1905年,愛因斯坦除了發表著名狹義相對論以外,還發表了《關于熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運動》,闡述了布朗運動的微粒,它的擴散將會以一個特定的速率(稱為均方位移)移動,而這速度取決于單位摩爾流體中的原子或分子的數量。

    • 1954年,第10屆國際計量大會(CGPM)的第3號決議標定了熱力學溫標的現代定義,以水的三相點為其第二定義點,并規定將其溫度修訂為273.15K。

    上文是溫度的本質-分子熱運動的流水賬,從這個過程中,我們了解了攝氏溫標的由來,以及絕對零度的概念,還有分子運動論的起源,當然另一層含義是絕對零度是測算出來的。

    如何達到絕對零度?

    前文我們了解了溫度是由微觀粒子運動引起的。那么何為溫度高低呢?微觀粒子運動運動越劇烈表示溫度越高,相反則溫度越低,那么問題來了,我們是不是能制造一個不運動的微觀粒子呢?當然目的是制造最低溫度?

    當然理論上是可以的,但事實上卻無法達到,因為沒有一種手段可以讓微觀粒子的運動完全停止。現代能制造最低溫度的設備是NASA的冷原子云實驗室(CAL),一個類似冰箱大小的設備,于2018年5月21日被送到了國際空間站,在微重力的條件下展開激光制冷的實驗。

    激光制冷:利用激光的多普勒制冷方式,每次以頻移欺騙原子,受激發的原子跌落基態會釋放吸收的能量,這個釋放能量大于吸收能量,每次操作都會讓原子失去能量,從而達到制冷的目的。

    但即使如此,激光制冷仍然只能達到-273.1499999999 ℃,但距離絕對零度仍然有一步之遙!

    總結

    我們了解了溫度的歷史與接近絕對零度的一種方式,為什么絕對零度是-273.15℃這是由一個大氣壓下冰水混合所定義的0℃的時候所決定的,以此時的0℃為標準,我們通過此時的微觀粒子運動劇烈程度計算出運動靜止時的溫度是-273.15℃,如果要重新定義絕對零度為-300℃,這完全沒有問題,畢竟微觀粒子停止運動時的標定是不會變的,取什么名字,那是國際計量委員會的問題。

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