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最低温度是零下多少度是极限(为什么温度最低只有零下273度)

2024-11-10 09:50:34

导语

在人类认识世界的范围内,温度有一个理论的极限值——绝对零度,温度是一种表示物质的热运动能力的物理量,在温度绝对零度时,物质的热运动将停止,微观粒子不再运动。
那么,这种绝对零度的温度状态到底意味着什么?
人类是否能够观测到达到绝对零度的物质?

与此相反,如果是在宇宙中极端的高温状态,温度极限又是多少?
如果温度超过了这个极限值,那么它将意味着什么?
这也是人类一直在探索的问题,而产生这样的疑问都是因为在人类的认知范围内,温度的变化范围是有限的,那么人类是否能够突破这一极限?
如果温度极限被打破了,人们又能够看到什么样的世界呢?

一、温度的本质。

温度是一种衡量物质热运动的物理量,物质的温度的高低是由微观粒子的运动状态决定的。
无论是固体还是液体,甚至是气体,都是由微观粒子构成的,而这些微观粒子在不同温度下,所展现出来的运动状态也不尽相同,因此温度也主要由微观粒子的运动状态来决定。

比如说,在温度较低的环境中,由于微观粒子的热运动能力比较低,因此其间的相互作用力会比较大,导致物质呈现出固体的性质;
而在温度较高的环境中,由于微观粒子的热运动能力加大,因此其间的相互作用力也会减小,于是物质呈现出液体和气体的性质。
因此,物质的温度是微观粒子的热运动能力的体现,而温度的单位通常是以摄氏度为单位的,这种单位是以水在大气压下,液态的冰点为0℃。

人类将冰点温度记作0℃,将水的沸点温度记作100℃,然后将二者之间的温度等分划分为100等份,这样便形成了以摄氏度为单位的温度计,同时还引入了绝对温度的概念,也就是以绝对零度为0的温度刻度,这种刻度叫做热力学温度。
绝对零度是在温度达到0的时候,物质的热运动能力减小到最小,微观粒子的运动状态也呈现出一种静止的状态。

在微观粒子的热运动能力减小到最小的时候,物质和能量的微观性质将会更加明显,这样的状态是人类从未见过的,因此绝对零度也被称为是冷能的极限,0℃就是绝对零度所对应的温度,而-273.15℃是摄氏温度的绝对零度。
现在的宇宙中的平均温度约为-270.15℃,这是根据人类对于宇宙背景辐射的观测数据,而这个数值也是比较接近绝对零度的温度。

二、积分波温度。

那么,普朗克温度是多少呢?
普朗克温度又被称为是热力学的温度极限,它是在20世纪初,德国的物理学家普朗克给出的一个热力学计算得出的宇宙中的最高温度极限。
普朗克认为,微观粒子的进一步发展会导致物质的物理法则失效,因此,物质的物理性质不能在进一步研究了,而是要从宇宙的角度出发,对这一范围进行研究。

在宇宙的研究中,物质和能量都是通过微观粒子来进行传递的,因此,微观粒子的运动状态和能量的转化就成为了物质和能量关系的重要标志。
普朗克对这种运动状态进行了分析,并根据玻尔兹曼关系和普朗克公式,以及赫兹的量子理论,给出了普朗克温度计算公式,这个公式就是:
T = m*c^2/k,其中,T是普朗克温度,m是质子的质量,c是光速,k是玻尔兹曼常数。

将质子的质量代入到公式中,那么普朗克温度就是1.4*10^32k,而普朗克温度也被称为是“积分波温度”。
当温度达到这个温度时,宇宙中的物质和能量将会在一个瞬间内呈现出波动的状态,这种波动将会对宇宙中的所有物质产生影响,人类的物质和能量转化的规律也将会失效,因此当温度超过普朗克温度的时候,它意味着宇宙中的物理定律出现了异常,宇宙的规则也会随之改变。

这样一来,人们对于宇宙的认知也将会发生巨大的变化,因此普朗克温度也被称为是物质和能量交互的极限,其产生的重要性不言而喻。
而普朗克温度又被称为是热力学的温度极限,通过计算公式可以得出普朗克温度的结果,这是因为当温度的极限值是绝对零度时,它对应的是物质静止的状态,对应着宇宙中的最低温度。

而当温度的极限值是普朗克温度时,它对应着宇宙中的最高温度,它是由物质和能量的极限状态决定的。
因此,普朗克温度也是由数学计算得出的,在宇宙形成的早期时期,宇宙的温度非常的高,那时候的温度并没有达到普朗克温度,而是在物质逐渐形成之后,普朗克温度才逐渐升高的。

在物质形成之后,温度也随之降低,而现在的宇宙中的温度约为-270.15℃,也是不断降温的结果,直至温度降到绝对零度的时候,人类将无法继续观察到宇宙中的物质信息,因此绝对零度也被称为是信息的极限。

三、普朗克温度的计算公式。

普朗克温度的计算公式是由物质的微观粒子来决定的,因此普朗克温度也是物质和能量转化的极限,那么,普朗克温度的计算公式又是如何数学推导出来的呢?
在计算中,首先要引入氢原子的玻尔模型,根据玻尔模型的计算公式:
En = -Z^2*(mee^4)/(2(4πε_0)^2n^2h^2)。

这里的En是氢原子的能级,Z是原子序数,me是电子的质量,e是电子的电荷,n是能级的主量子数,h是普朗克常数,ε_0是真空介电常数,那么根据等式,就可以求出氢原子的能级。
而氢原子的内能和温度之间又有关系,内能是由温度来决定的,那么氢原子的内能和温度之间又是如何关联的呢?
内能的计算公式是:
= (k*T)/2。

内能的期望值是由温度和玻尔兹曼常数共同决定的,那么根据氢原子的内能的计算公式,然后与氢原子的能级之间建立联系,就以得出普朗克温度的计算公式。

结语

普朗克温度是宇宙中的温度极限,它是由物质和能量的交互极限而决定的。
人们通过计算公式可以得出普朗克温度的数值,这也为人们在进行宇宙的研究提供了很大的便利性。
而普朗克温度的产生也是由物质和能量的交互逐渐演化而来的。