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[水煮物理]:春江水暖谁人知
澳门新萄京官方网站:2010-09-19文章来源:

作者:罗会仟  新萄京科学院物理研究所

杨明义《春江水暖》

   “竹外桃花三两枝,春江水暖鸭先知。”苏东坡脍炙人口的诗词告诉我们:要知道水的冷暖,唯有自己亲自感受一把,鸭子嬉水固然就为“先知”了。又若“如鱼饮水、冷暖自知”以及“乍暖还寒时候,最难将息”,可见古人对于冷暖的概念大都来自于感官信息。事实上,触觉感知温度往往是不准确的,触觉只有对温差是比较敏感的。假如你刚刚洗个热水澡就把你扔到春江里去,肯定还是得冻个半死,水暖就无从谈起了。要对物质冷热程度进行度量,需要有明确的物理量,它就是温度。

    从宏观上来说温度代表物体的冷热程度,一块材料是冷是热可以从它的温度是高是低来衡量;从微观上来说,温度就是物体分子热运动的剧烈程度,组成物质的微观分子实际上在平衡位置附近会不断振动,所有分子振动的平均能量就和温度有关。因此,温度变化实际上和能量的转移是分不开的,这类能量转移我们可以称之为热量。物质之间的热量传递会引起温度的变化,但是如何表征温度的高低呢?这就有必要确认一个标准,即取某一个物质的温度作为参考点,这样就可以表示其他物质的温度了,由此成为温标。

 

温度计

    最早的温标是Fahrenheit在1714年制定的华氏温标,他取氯化铵和冰水混合物的温度为零度,人体温度为100度,把水银的膨胀体积在此之间分成100等份,每一份就是1°F。而Celsuis在1740年则取一个标准大气压下的冰水混合物为零度,水的沸点为100度,定出了摄氏温标°C。随着参考点和分度法的不同,不同的温标下面对于同一个客观温度可以有不同的数值,这是非常令人烦恼的事情。此外,一般来说测定温度必须采用温度计,水银、酒精、石油等液体温度计是以测温物质膨胀体积和温度关系衡量的,气体温度计可以根据气体压强和温度关系,金属温度计是根据金属电阻和温度的关系,电偶温度计是根据热电势差和温度的关系,无论采取任何测温物质,测得的温度实际上都是在假设除测温属性随温度变化以外其他属性不变的情况下获得的。这样的话,这些依赖于测温属性的温标必然会依赖于测温物质,于是任何温度计似乎都难以测得物体的真正温度。

Celsuis 和 Kelvin

   为解决温标的混乱局面,Kelvin根据热力学第二定律提出,可以根据卡诺循环的热量作为测定温度的工具,把热量作为温度的唯一量度,就可以建立不依赖于任何测温物质的温标——开氏温标,亦称热力学温标。在热力学温标中,定义水的三相(气、液、固)点为273.16K,对应摄氏温标下一个大气压下水固液线为273.15K(注意和前者有0.01度的区别),也即0°C,这样绝对零度0K就是-273.15°C。

奇妙的量子世界

   绝对零度是个什么概念?温度为零的时候,就是说物体内部分子热运动不存在,分子被完全“冻”住了。有人想会不会就是“整个世界都彻底清净了”?量子力学告诉我们不是如此。微观粒子即使在绝对零度下没有了热运动,但还是存在量子涨落和量子相变等量子过程,并非绝对的“静止不动”。如前所述,温度和热量传递密切相关,和微观粒子热振动的能量密切相关,若简单言之,温度实际上就代表了能量的一种形式——热能。那么处于绝对零度下的微观粒子态系统,就是热能的最低态,在量子力学中叫做基态。微观粒子系统的基态是多种多样了,显示出量子世界的复杂性。关于奇妙的量子世界,《水煮物理》的后半部分将会逐一为您揭示,此处暂且略过。

    热力学第三定律指出,绝对零度是不能通过有限次降温实现的,它只是一个可以无限逼近的理想值。人类获得低温的方法有很多,诸如用氦气减压制冷可以达到1K左右,用He3和He4同位素进行稀释制冷可以达到mK(千分之一)量级,利用绝热去磁技术可以达到千万分之一K,而用激光制冷可以达到十亿分之一K。随着温度的一步步降低,许多奇妙的量子现象就会呈现。如超导(电阻消失、磁力线排出物体外)、超流(流体不呈现粘滞性,具有很好的热导率)、玻色爱因斯坦凝聚(所有原子同时降到能量最低态)等等。

液氦超流与碱金属原子的玻色爱因斯坦凝聚——低温下神奇的量子现象

   从低温到高温的物理世界是非常丰富多彩的,在文章的最后我们就举例来见识一下:

   2.7K也即约-270°C 是我们宇宙现在的平均温度,是宇宙大爆炸后残留的微波背景辐射温度;

    -240°C是冥王星和海王星的温度,因为它们离太阳很远,接收到得热量也就很少;

    -170°C,是生命存活的极限,只有大肠杆菌之类的才能存活。当然有一种更为牛的水熊虫,居然能在太空中(-270°C )冻几个小时还能存活!

 

水熊虫

  -130°C是地球上出现的最低气温,在南极的最高峰——文生峰顶;

  -50°C是中国境内出现的最低气温,在黑龙江漠河;

  -10°C是人类能够长期正常生活的温度;

   0°C 是水的冰点(固液线);

  30°C是蚊子最适宜的温度,温度太高了它会热死,太低了会停止繁殖,所以杀死蚊子的办法要么是热死它,要么就冻死它吧!

  40°C是人类体温的极限,如果连续几天高烧40°C以上,那基本上就要挂了;

  90°C海底火山微生物生活的环境温度,它们能在几乎是沸水中活着,真了不起!

  800°C是火山熔岩的温度,地球内部是一个炙热的地方!

  6000°C是太阳表面的温度,太阳是一个巨大的核聚变反应球,温度高是必然的;

  8000°C是牛郎星的温度,太阳热也比不过牛郎的心热啊,而织女星要在10000°C左右,真是一对“热恋”的情人!

  十万摄氏度是星云的温度,超新星爆发时候会抛出大量星云物质,死也死的壮烈!

  一千万摄氏度是中子星表面,这是密度最大的星球,一个芝麻粒大小估计就得万吨货轮才运的动!

  一亿摄氏度,这是人类创造的最高温记录,在普林斯顿大学的核聚变反应堆中实现的。

  十亿摄氏度以上,这么高温度目前只有一种时期可以实现——宇宙大爆炸的时候,大爆炸之后3秒左右时间降到了这个温度,至于大爆炸附近的温度,那简直是要多高有多高……

宇宙大爆炸到现在的宇宙是一个从热到冷的降温过程


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