温度到底是什么?现代物理学家认为“温度是物质热运动的物理量”,即温度依赖于物质的存在,没有物质就没有温度。在科学上,温度实际上是一种物质中有多少能量的量度。
自然界的低温极限
经过多年的研究,科学家们得出了一个明确的结论,那就是地球上存在着自然界中最低的温度之一,即绝对零度。物体不可能低于这个极限,因为在这个温度下,一种物质的所有分子停止运动,“粘”在一起。绝对零度在国际单位制中被记为“OK”,也称为热力学零点。“K”是温度的单位,以英国物理学家拉格斯·开尔文勋爵的名字命名。OK等于-.15℃。
人们是如何发现这个绝对零度的?16世纪末,法国物理学家阿蒙顿发现,在水的沸点以下,温度与气体的压力成正比。他认为压强的下降是有极限的,因此温度的下降也是有极限的,然后他计算出温度下降的极限是-℃。
科学家们还发现,气体的体积与压力和温度有关:当压力增大或温度降低时,气体体积就缩小。年,法国物理学家查尔斯把它写成了一条定律:对于一定质量的气体,压强是恒定的,温度每下降1℃,气体的体积就缩小到0℃时体积的1/。其最低温度为-.15℃。
根据这句话,当温度降到-.15℃时,气体的体积不是为零吗?它似乎是不可能的。几十年后,科学家改变了这一观点,他们认为气体的温度是分子运动的结果。物体有温度,因为分子、原子在运动,运动越快,温度越高;相反,分子和原子的运动越弱,温度越低,温度越低,它就越不动。最后,当温度达到-.15℃时,分子将完全停止移动。所以这个温度是自然界的最低温度。
实验室制造出的最低温度
虽然无法比绝对零度更寒冷,不过世界各地的科学家依然你追我赶,看谁能制造出更接近绝对零度的温度环境。
若干年前,由德、美、奥地利等国科学家组成的一个科学小组改写了人类所达到的最低温度记录:他们在实验室中达到了仅比绝对零度高0.5纳开尔文(1纳开尔文等于10亿分之1开尔文)的温度,而此前的记录是比绝对零度高3纳开尔文。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开尔文以内的极端低温!
这么低的温度是怎么达到的?冷却是从一个物体中获取能量并将其释放到其他地方的过程。如果你能不断地从一个物体中获取能量并将其排出,那么这个物体就会变得越来越冷。要达到超低温,首先要用激光冷却物体。
用特定的激光照射被冷却的原子,射入的激光先被吸收,然后会在不同的方向重新射出。掌握好这项技术,就能做到散射的能量较吸收能量稍高。由于总能量守恒,能量的差额取自原子的运动,原子因而被减速,换句话说,原子的温度降低了。
超低温现象
当环境温度接近绝对零度时,许多物质会出现与正常物质完全不同的奇怪现象,这就是超低温现象。
当温度超过摄氏零下度时,空气变成淡蓝色的液体。当花朵浸泡在液体空气中时,它们就会变得像玻璃一样易碎,当它们摇摆时就会丁当作响。鸡蛋、石蜡等在液体空气中发光。
金属在超低温下也会变得面目全非:水银(汞)在常温下是银色的液体,但是一旦把它放进超低温下,立即就会冻成“大头针”:铅在常温下是软绵绵的,超低温下却变得富有弹性;铅制作的铃铛在常温下摇起来像闷葫芦,用液态空气浸泡过后,摇起来却发出银铃般的清脆响声;锡和铅恰恰相反,好端端的锡壶在超低温下会变成煤灰似的一团粉末。例外的是铜,它在常温和超低温下均能保持很好的韧性和强度,所以许多超低温设备常用铜制作。
自年以来,科学家发现许多金属在超低温下会呈现“超导现象”,即金属失去电阻!目前世界上的电能大约有四分之一损耗在输电电路上,一旦制作成没有电阻的导线并成功大范围投入使用,那就意味着全世界发电量增加了四分之一!
超低温下还存在超流现象。超流体是超低温下具有奇特性质的理想流体,即流体内部完全没有粘滞。超流体所需温度比超导还低。氦有两种同位素,即由2个质子和2个中子组成的氦-4和由2个质子和1个中子组成的氦-3。液态氦-4在冷却到2K以下时,开始出现超流体特征。
超低温现象还有许多广泛的运用与诱人的发展前景,相信不久的将来科学家会利用超低温现象为人类造福。
最高温度极限是多少?
那么温度既然存在最低温极限,是否也存在“最高温度极限”呢?现代物理学还无法回答这个问题。但是,也有科学家提出自己的观点,如中国著名物理学家叶建敏提出的“粒子寿命公式”。他认为存在“绝对至高温度”,这个温度就是所有“粒子顷刻衰变的临界温度”中的一个最高的温度,这也是“宇宙大爆炸”发生时的温度上限。
根据“大爆炸”理论,宇宙大爆炸那一刻,温度达到无穷大;宇宙大爆炸后10-43秒,温度达到K,约为1亿亿亿亿摄氏度;宇宙大爆炸后10-35秒,宇宙温度继续下降,当时的温度达到K,约为亿亿亿摄氏度;宇宙大爆炸后10-32秒,温度约为1亿亿亿摄氏度;宇宙大爆炸10-12秒后,温度达到1亿亿摄氏度;宇宙大爆炸后10-6秒,温度达到亿摄氏度;宇宙大爆炸后10-4秒,温度达到亿摄氏度,这也是超新星爆发时其星核的温度;宇宙大爆炸后1秒,温度降低到约为亿摄氏度;在大爆炸后的大约3秒,温度降到了10亿摄氏度,这也是最热的恒星内部的温度。现在人类在实验室内创造的最高温度是35亿摄氏度。
人体耐寒与耐热的极限
人类在0℃条件下可耐受15分钟,在5℃条件下可耐受1小时,在10℃条件下可耐受3小时,在25℃条件下可耐受昼夜。在耐热性方面,已经有实验表明,健康的人可以在50°c的温度下保持2小时,在70°c的温度下保持15分钟,在°c的温度下保持30秒钟,在相当干燥的空气中。但是如果在45℃的潮湿空气中呆一个小时,很可能会中暑昏迷。因此,可以确定人体的高温耐受极限是受湿度影响的。当温度和湿度达到一定限度时,人体的热量就不消散,体温就会上升,超出人体的承受极限,就会造成死亡。