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如果有人问起 , 宇宙最低温度是多少?相信大家都可以给出答案:-273.15℃ , 但如果被追问 , 这个有零有整的-273.15℃ , 它到底有何特殊意义?为何宇宙最低温度会被限制为-273.15℃呢?可能就有人回答不上来了 , 回答不上没关系 , 下面我们就来聊一下这方面的知识 。
温度是一种用来表示物体冷热程度的物理量 , 想要讨论温度 , 首先就得给温度定义一个计量单位 , 怎么定义呢?
我们知道 , 在1个标准大气压下 , 水的冰点和沸点都是固定的 , 这显然可以当作一个非常好的参考 。
所以1742年的时候 , 瑞典物理学家安德斯·摄尔修斯(Anders Celsius)提出 , 在1标准大气压下 , 沸水的温度可以记为0度 , 而冰水的温度可以记为100度 , 这两者之间可以分为100等分 , 每一等分就是1度 , 而这就是我们常用的温度计量单位——摄氏度(℃)的由来 。
(安德斯·摄尔修斯)
看到这里你肯定要问了 , 这是不是搞反了 , 难道不是冰水的温度是0度 , 沸水的温度是100度吗?其实并没有搞反 , 摄尔修斯当时提出这种定义 , 是为了避免在测量温度时因为低于水的冰点而出现负数 。
后来人们觉得这种定义很不方便 , 毕竟从直觉上来看 , 数值越大 , 温度就应该越高 , 另一方面来讲 , 比沸水更高的温度也是存在的 , 出现负数依然不可避免 , 于是人们干脆就将这种定义反过来了 , 并一直沿用至今 。
早在16世纪 , 著名物理学家伽利略就发现了气体的热胀冷缩现象 , 而有了“摄氏度”的定义以及精确测量温度的技术之后 , 人们就可以更深入地研究温度对气体体积的影响 。
在1787年的时候 , 法国物理学家雅克·查尔斯(Jacques Charles)对多种气体进行了实验 , 他的实验结果表明 , 在压强不变的情况下 , 这些气体的温度每升高1℃ , 体积的增加量总是一个固定的值 , 大概是其在0℃时体积的273分之1 。
(雅克·查尔斯)
意思就是说 , 假设一团气体在温度为0℃的时候的体积为1立方米 , 那么当温度提升到1℃的时候 , 其体积就会增加大约0.00366立方米(其在0℃时体积的273分之1) , 也就是1.00366立方米 , 提升到2℃的时候 , 其体积又会增加0.00366立方米 , 也就是1.00732立方米 , 接下来也是这样累加 , 比如说温度提升到100℃的时候 , 这团气体的体积就增加到了1.366立方米 。
1802年 , 英国物理学家盖-吕萨克(Gay-Lussac)据此提出了“查尔斯定律 ”(也称“盖-吕萨克定律”) , 该定律指出 , 在恒定压力下 , 理想气体的体积与其温度成正比 , 而雅克·查尔斯测量出的“273分之1” , 则被当作压力不变时气体的体积膨胀系数 。
(盖-吕萨克)
到了19世纪中叶 , 人类的测量技术得到了较大的进步 , 科学家在实验室中将这个膨胀系数精度提升到了273.15分之1 。
想象一下 , 既然在恒定压力下 , 一团气体的温度每升高1℃ , 其体积的增加量总是其在0℃时体积的273.15分之1 , 那这团气体的温度每降低1℃ , 其体积的减少量就同样也是其在0℃时体积的273.15分之1 。
简单计算后就可以得出 , 对于一团初始温度为0℃的气体来讲 , 当温度降低至-273.15℃的时候 , 这团气体的体积就为零(前提是压力是恒定的) 。 显而易见的是 , 一团体积为零的气体是不可能存在的 , 而这也就意味着 , -273.15℃是不可能达到的 。
由此可见 , -273.15℃这个有零有整的温度值的特殊意义就在于 , 它是科学家通过理论和实验计算出来的宇宙温度在理论上的下限值 。
(开尔文勋爵)
1848年 , 被誉为“热力学之父”开尔文勋爵在其论文《关于一种绝对温标》中 , 提出了一种与测温物质的属性无关的纯理论上的温标 , 将这种“绝对温标”将理论上的温度下限值 , 也就是-273.15℃设为“绝对零度” , 并以摄氏度作为其单位增量 。
是的 , 这种温标也就是后来的热力学温标 , 其单位为K(开尔文) , 根据定义 , 1K的温度变化与1℃相等 , 只是两者的计算起点不同而已 , 两者可以简单地用“K = ℃ + 273.15”来进行换算 , 比如说1℃ , 就相当于274.15K 。
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