为何低温只能降到-273.15度,而高温却可以升至数十亿度甚至更高

在温度范围内的中低阶段,水是液态的,DNA和蛋白质这样的复杂分子能够起作用,让像我们这样的生物有了生存的可能。当温度稍稍升高,蛋白质就会变性(用于烹饪),这让我们的生活多了灭菌一环。朊病毒能在135℃的沸水中存活,需要121℃的氢氧化钠溶液(低于135℃)才能使其失去活性。

(图解:常温下的液态水 来源:pakutaso)

(图解:高温下沸腾的水 来源:freeImages)

在温度较高的阶段,原子无法结合形成分子,不存在液相和固相,电子也不能与等离子体中的原子结合。一些物质的其它奇异状态能存在于非常高或非常低的温度中,但此时的温度已经超越了这种反应的发生范围。恒星产生的能量,比如超新星,可以产生极高的温度,我们可以从几千光年以外的地球安全地观察到这一切。幸运的是,大气层和地球磁场能保护我们免受这些高能或高温事件所释放的大部分紫外线、X射线、伽马射线和宇宙射线的伤害。其中一些宇宙事件异常活跃,伽马射线的爆发可能导致了地球曾经的物种大灭绝。

(图解:许多宇宙事件能产生极高的温度 来源:知乎专栏)

我们通常可以用每小时2英里的速度行走,但我们现在可能是静止状态,而理论上我们可以达到每小时6.7亿英里的速度!我们存在于速度与温度的低端,也意味着我们处于能量的低端。(不仅只有我们,整个宇宙都是懒惰的,前面关于低能量状态的例子很好地形容了物体为什么会生锈、掉落、燃烧和放射衰变等。)

我并不同意温度没有上限的说法。温度的定义是平均分子的动能,准确的公式是T = 1/(3k)mv^2,其中m是分子的质量(kg),v是速度(m/s),k是玻尔兹曼常量1.3806488E-23 J/K。当分子静止时,v=0,也就是我们所说的“绝对零度”。当v接近光速,即=3e8 m/s时,就达到了最高温度。

(图解:开尔文与玻尔兹曼常数 来源:新浪)

在空气中,300开尔文(约为27℃)时分子最快能够达到声速,大约300m/s。所以空气的最高温度约为300*(3e8/300)^2 = 3e14K。这是理论上空气中温度的上限,不过在达到这个温度前物质就会分解成亚原子粒子,我并不相信亚原子粒子能够存活。这很像大爆炸早期的高温期。

(译者注:考虑到翻译严谨性,以上所有公式、计算与常数均为直接复制原文,如有错误敬请留意)

摄氏温标和华氏温标是为人们日常生活中常见的温度范围而设计的。

(图解:摄氏温标在生活中广泛运用 来源:中央气象台)

还有另一类人,他们除了生活在常用这两个尺度的地球上以外,还对地球以外的环境感兴趣——一个温度接近绝对零度的地方。这个地方的微粒停止了一切运动——这成为测量所有温度的基准。由于“无运动”的状态是静止的,因此被定义为“绝对零度”,这就是开尔文温标的起点。在开尔文温标里不可能有“零度以下”,因为没有任何物质能比“绝对零度”更冷(微粒运动更小)。

(图解:开尔文单位是为纪念著名物理学家开尔文而命名的 来源:ps-taiwan)

开尔文定律,即热力学第三定律。在一个接近热平衡的系统中,不可能通过有限步骤达到绝对零度。所以绝对零度是可以达到的温度的下限。

可以达到的最高温度的下限没有物理限制。

1)-275.15是一个随机数字,我们也可以把它称作0或-1000或45322。

2)温度不能到达正数。最终,当一个封闭系统的温度升高时,熵开始减少而非增加,使增加系统温度越来越困难。

由于温度有下限(0)但没有上限,所以每个温度值都更接近下限。每个有限数都比无穷更接近零(另一个有限数),因为n-0=n,∞-n=∞。

参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3. K君- quora

如有相关内容侵权,请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权,并注意保持完整性和注明出处

发表评论
留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码:

相关文章

推荐文章

'); })();