單個(gè)分子有沒(méi)有溫度
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- 2022-05-30 07:56:08
如果分子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速，那會(huì)有多高溫度？
我就用分子動(dòng)力學(xué)理論來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，分子運(yùn)動(dòng)是不規(guī)則的，不會(huì)停止。分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，溫度越高。隨著分子對(duì)外能吸收的增加，分子的運(yùn)動(dòng)加快。當(dāng)分子的動(dòng)能增加到一定程度時(shí)，分子就會(huì)脫離分子間的作用力，變成單分子。宏觀上，說(shuō)明對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生了變化。從固體→液體→蒸汽。
一個(gè)分子是在物體內(nèi)部以光速運(yùn)動(dòng)，還是變成單個(gè)分子之后。如果它在一個(gè)物體內(nèi)部，這個(gè)物體已經(jīng)被蒸發(fā)了。如果物體變成單分子后達(dá)到光速，分子就會(huì)“分解”成一些基本粒子，就不存在溫度這種東西了。
溫度是物體的冷熱程度。它是決定一個(gè)物體能容納多少能量的因素。而內(nèi)能是物體中所有分子的勢(shì)能和動(dòng)能之和。所以溫度是“分子團(tuán)”的集體表現(xiàn)，對(duì)單個(gè)分子沒(méi)有溫度理論，即使運(yùn)動(dòng)達(dá)到光速。當(dāng)分子之間的距離較大時(shí)，相當(dāng)于每個(gè)分子的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。
我們地球上的人體溫度計(jì)測(cè)不到這么高的溫度，所以用黑體輻射定律來(lái)計(jì)算，但是計(jì)算結(jié)果正確嗎？
瑞利-金斯定律是計(jì)算黑體輻射強(qiáng)度的好定律。但當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，就不符合實(shí)驗(yàn)，這就是科學(xué)史上“紫外線災(zāi)難”。
我不知道他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了多少溫度。既然黑體輻射的峰值波長(zhǎng)可以移動(dòng)到紫外區(qū)，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的黑體溫度一定要高于太陽(yáng)的表面溫度！地球上沒(méi)有什么東西能承受這樣的溫度！
一般情況下，分子的運(yùn)動(dòng)速度是無(wú)法接近光速的，更不用說(shuō)達(dá)到光速了。因?yàn)榉肿雍茈y遇到這么大的激發(fā)力。退一步說(shuō)，即使有這么大的激發(fā)力，分子也不會(huì)是原來(lái)的分子，會(huì)因?yàn)槠渌ぷ拥膹?qiáng)烈撞擊而被打碎成原子甚至質(zhì)子或者最小的基本粒子——電子。
當(dāng)一個(gè)宏觀物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們常常把它看作物體的運(yùn)動(dòng)力。那是因?yàn)槲覀兏惺懿坏剿臏囟?。比如高速運(yùn)動(dòng)的沙石撞擊人體后，人感受到的不是熱，不是燙，不是溫度，而是疼痛。
相反，微觀粒子(原子、質(zhì)子、電子)也是高速運(yùn)動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)力，但我們往往把它們當(dāng)成物體的溫度。所以一個(gè)物體的動(dòng)能，無(wú)論是力還是溫度，都是我們的感覺(jué)。無(wú)論物體是宏觀的還是微觀的，其本質(zhì)都與物體的運(yùn)動(dòng)力相同。
溫度有上限嗎，其本質(zhì)又是什么？
溫度的變化也是衣服薄厚的變化，溫度在生活中也是一個(gè)重要的穿衣參數(shù)。地球上所有的生物對(duì)于溫度都有一個(gè)適應(yīng)機(jī)制，溫度如果過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)對(duì)生物本身產(chǎn)生一定的影響。
而目前人類在面臨著全球變暖帶來(lái)的溫度上升，預(yù)計(jì)到了2100年，全球平均氣溫將上升1.4~5.8攝氏度左右！溫度的上升和下降對(duì)于全球來(lái)說(shuō)都是一個(gè)不好的現(xiàn)象。
回過(guò)頭，我們?cè)賮?lái)討論溫度這個(gè)概念。
我們都知道溫度是表示物體冷熱程度的一個(gè)物理量，而我們對(duì)溫度的理解也是冷和熱兩個(gè)概念。它對(duì)生物體也有著不可忽視的作用。
生物體包括人在內(nèi)，對(duì)溫度的敏感性還是比較大的。地球上幾乎所有的生物都生活在零下幾攝氏度到50攝氏度之間。
當(dāng)環(huán)境溫度低于一個(gè)臨界值，會(huì)導(dǎo)致生物代謝紊亂，蛋白質(zhì)合成受阻，脫水變性。
高溫則會(huì)破壞酶的活性，夏天沒(méi)有食欲就是因?yàn)槲傅鞍酌傅幕钚院艿?，?dǎo)致消化減慢。同時(shí)還會(huì)造成缺氧以及神經(jīng)系統(tǒng)麻痹等癥狀。
人的正常溫度是37度左右，感冒發(fā)高燒時(shí)體溫會(huì)上升到40攝氏度，即使是三度的差距，也足以對(duì)身體造成惡劣的傷害，可見(jiàn)人類有多么的脆弱。
除了溫度對(duì)生物體的影響，在其他方面也是不可忽略的因素之一。
比如物理和化學(xué)中也有著特別的意義，物理中溫度是粒子運(yùn)動(dòng)的直接體現(xiàn)，而在化學(xué)中不同溫度下的物體是有著不一樣的狀態(tài)。
1.溫度可以影響化學(xué)反應(yīng)的速率。
2.溫度可以使物體產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象。
3.溫度充當(dāng)了熱力學(xué)重要的參數(shù)。
4不同的溫度能影響聲速，空氣密度的大小。
溫度計(jì)的原理就是熱脹冷縮，當(dāng)溫度升高時(shí)，溫度計(jì)內(nèi)的物質(zhì)就會(huì)膨脹，體積增大。溫度降下來(lái)，體積又會(huì)減小。
宏觀上來(lái)講，溫度表達(dá)的是物體的冷熱程度，這也是人們對(duì)溫度的最直觀的表達(dá)。
但是對(duì)于人來(lái)說(shuō)，冷和熱都是相對(duì)的，用冷熱程度來(lái)形容顯然不合理。
假設(shè)有三杯水，溫度分別是0攝氏度，20攝氏度，40攝氏度。先把左手放到0度的水中，右手放到40度的水中，1分鐘后，同時(shí)放入20度的水中，這時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，左手給你的感覺(jué)是：這杯水是“熱的”，而右手給你的感覺(jué)則是：這杯水是“冷的”。
顯然，僅通過(guò)冷熱關(guān)系是無(wú)法精確描述溫度的。
于是科學(xué)家不得不找出，不受外界影響的單位來(lái)客觀的描述溫度這個(gè)物理量。
攝氏度的出現(xiàn)在1742年，由瑞典天文學(xué)家安德斯·攝兒修斯提出的，經(jīng)過(guò)幾次改進(jìn)后。最終把1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純凈的冰水混合物的溫度定義為0攝氏度，水的沸點(diǎn)定義為100攝氏度。并把中間的溫度差平均分為100份，每一份就是1攝氏度。
開(kāi)爾文勛爵
1848年，開(kāi)爾文勛爵發(fā)表了一篇名為《關(guān)于一種絕對(duì)溫標(biāo)》（On an Absolute Thermometric Scale），在論文中提到了“絕對(duì)的冷”的概念作為溫標(biāo)的零點(diǎn)（0K），也就是絕對(duì)零度，并使用攝氏度作為單位增量。通過(guò)測(cè)算得到絕對(duì)零度等于-273攝氏度。
1954年，第十屆全國(guó)計(jì)量大會(huì)（CGPM）把這個(gè)值訂為-273.15攝氏度，這個(gè)值就是宇宙中溫度的下限值。
有人可能會(huì)問(wèn)了，為什么溫度會(huì)有一個(gè)下限值，難道不可能更“冷”了嗎？
這時(shí)候，我們?cè)賮?lái)了解一下溫度的本質(zhì)是什么？
剛剛已經(jīng)提到溫度是表達(dá)物體冷熱程度的物理量，現(xiàn)在我們從微觀角度來(lái)看，溫度是由物體分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，分子熱運(yùn)動(dòng)越是劇烈，物體的溫度就越高。溫度是物體分子間的平均動(dòng)能的表現(xiàn)（注意是平均動(dòng)能，而不是單個(gè)或多個(gè)分子，因?yàn)閱蝹€(gè)分子不存在溫度）
接著我們大膽猜測(cè)一下，當(dāng)物體分子停止熱運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生什么？
沒(méi)錯(cuò)，這時(shí)物體的溫度就達(dá)到了絕對(duì)零度，
在這個(gè)溫度下，粒子的動(dòng)能和勢(shì)能都降到了零，內(nèi)能也為零，不與外界發(fā)生能量轉(zhuǎn)化和，包括電子都停止了運(yùn)動(dòng)。
顯然，這個(gè)假設(shè)并不能實(shí)現(xiàn)，絕對(duì)零度只能無(wú)限接近，而無(wú)法達(dá)到。
學(xué)過(guò)物理的應(yīng)該都知道，粒子是在永不停歇的做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這就說(shuō)明了粒子永遠(yuǎn)不會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，這就意味著絕對(duì)零度只是一個(gè)理想值，現(xiàn)實(shí)中是無(wú)法達(dá)到的。
還記得量子力學(xué)中的不確定性嗎？就是說(shuō)粒子的位置和動(dòng)量是不可能被同時(shí)確定的，如果粒子停止運(yùn)動(dòng)的話，那么其位置和速度是一個(gè)確定的值了，這樣就把量子力學(xué)給推翻了！
目前科學(xué)家為了一次又一次的接近絕對(duì)零度，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，達(dá)到的溫度已經(jīng)和絕對(duì)零度的差距非常小了。其中比較著名的方法有以下：
激光冷卻法
這種方法最早是由斯坦福大學(xué)的T.W.漢森等人提出的一種設(shè)想，原理是使用多道激光將氣體分子減速，從而降低分子的平均動(dòng)能。
當(dāng)原子的量子態(tài)都凝聚成單一的量子態(tài)時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要的低溫是1.7×10^-7 K，1995年，埃里克·康奈爾和卡爾·威曼首次獲得了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。也就是說(shuō)他們成功創(chuàng)造出了1.7×10^-7 K的低溫環(huán)境。
而最新實(shí)驗(yàn)表明，人類所創(chuàng)造出的最低溫已經(jīng)達(dá)到了-273.149999999k。
說(shuō)完了溫度的下限，我們?cè)賮?lái)看看，溫度的上限。
可能在大家的印象中，幾千攝氏度就算得上是高溫了，比如太陽(yáng)表面溫度5770k以上。這是什么概念呢？到目前為止，還沒(méi)有任何物質(zhì)能夠承受這個(gè)溫度。
溫度的本質(zhì)是分子運(yùn)動(dòng)
從微觀角度來(lái)說(shuō),溫度是物體分子平均動(dòng)能的量度,單個(gè)分子不存在溫度這個(gè)物理量,沒(méi)錯(cuò).傳導(dǎo)不是指溫度,指的是熱量的傳遞.傳導(dǎo)確實(shí)是因?yàn)榉肿娱g連續(xù)不斷的碰撞導(dǎo)致的.單個(gè)微觀粒子，在微觀世界中有沒(méi)有溫度概念呢？
單個(gè)微觀粒子，在微觀世界中有溫度概念。想要了解這些，首先我們要知道微觀粒子的概念，微觀粒子就是在“波粒二象性”中，更多表現(xiàn)為“波動(dòng)性”的一種粒子，此物質(zhì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)。電子及電子以下的那些中子，質(zhì)子，離子，分子是實(shí)物粒子統(tǒng)統(tǒng)可以認(rèn)為是微觀粒子。
人類向微觀世界的進(jìn)軍，從物質(zhì)世界有兩個(gè)極限尺度開(kāi)始，也就是“小宇宙”和“大宇宙”。“小宇宙”如同神秘的潘多拉魔盒，珍藏著眾多神態(tài)各異的微觀粒子，并成為這個(gè)世界不可或缺的重要組成部分。單個(gè)粒子只要能寫(xiě)出哈密頓，就能夠計(jì)算出來(lái)溫度。根據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)基本假設(shè)，這個(gè)溫度是單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)間的平均值，也就是大量這種粒子的微正則系綜平均值。當(dāng)這個(gè)單粒子在一個(gè)熱浴里，熱浴是有溫度的，那么無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到平衡后，平均動(dòng)能與熱浴的平均動(dòng)能相等，粒子就獲得了熱浴的溫度。
我們平時(shí)是測(cè)量一個(gè)物品的溫度，比方拿熱水來(lái)舉例。具體流程分三步：1）手持溫度計(jì)；2）把溫度計(jì)放水里；3）等溫度計(jì)穩(wěn)定；4）讀數(shù)。只要用過(guò)溫度計(jì)的人都知道，第三步才是重點(diǎn)，因?yàn)橐葴囟扔?jì)穩(wěn)定下來(lái)后才能去讀取數(shù)值，不然結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)。重點(diǎn)就在第三步等這里，等熱水和溫度計(jì)變得一樣熱。這其實(shí)就是我們對(duì)溫度最直觀的解讀，溫度也就是兩個(gè)東西在一樣熱的時(shí)候等同的量，溫度是兩個(gè)系統(tǒng)熱平衡下相等的量。
也就是說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)只有一個(gè)粒子，內(nèi)能就是它的動(dòng)能，熱平衡定義了溫度這個(gè)概念。而判斷兩個(gè)物體是否處于熱平衡，是可以查看彼此之間是否有總的熱流，答案是肯定的，所以說(shuō)，單個(gè)微觀粒子，在微觀世界中也有溫度概念。
