[应用]绝对零度浅论

[应用]绝对零度浅论 绝对零度浅论 摘要 :简要介绍了绝对零度的由来、低温的历史以及绝对零度的测量方法，最后推导得到了绝对零度不能达到。 关键词 :绝对零度、温度、能斯特定理 正文: 1. 绝对零度的由来 绝对零度，理论上所能达到的最低温度，在此温度下物体没有内能。把-273.15?定作热力学温标(绝对温标)的零度，叫做绝对零度(absolute zero)。 热力学温标的单位是开尔文(K)。 [1]绝对零度的概念早在17世纪末阿蒙顿(G(Amontons)的著作中就已有萌芽。他观测到空气的温度每下降一等量份额，气压也下降等量份额。继续降低温度，总不会得到气压为零的时候，所以温度降低必有一限度。他认为任何物体都不能冷却到这一温度以下。阿蒙顿还预言，达到这个温度时，所有运动都将趋于静止。 目前，我们通常把200~81k称为普冷区;80~0.3k称为低温区或深冷区;而把0.3k以下的温区称为极冷区。那么，低温有没有尽头呢,1785年，法国物理学家查理发现:一定量的气体，在体积一定的情况下，温度每降低一度，压强就会降低它在零度的1/273。17年以后，盖?吕萨克又发现:一定量的气体，在压强一定的情况下，温度每降低一度，气体体积就会缩小它在零度的1/273。照此推算，当温度降低至,273?时，所有气体的体积和压强都变为零。又过了半世纪，英国物理学家汤姆生明确指出:温度每降低一度，降低1/273的是物质分子的平均内能，即在,273?时物质分子的平均内能要变为零，这显然是不可能的。结论很清楚，,273?是物质的最低温度，物质世界里再没有比它更低的温度了。这就是绝对温度的由来，也是科学上常用的热力学温标(K)的起点。 1848年，英国科学家威廉?汤姆逊?开尔文勋爵建立了一种新的温度标度，称为绝对温标，它的量度单位称为开尔文(K)。这种标度的分度距离同摄氏温标的分度距离相同。它的零度即可能的最低温度，相当于零下273摄氏度(精确 数为-273.15?)，称为绝对零度。因此，要算出绝对温度只需在摄氏温度上再加273即可。 物体的温度实际上就是原子在物体内部的运动。当我们感到一个物体比较热的时候，就意味着它的原子在快速运动:当我们感到一个物体比较冷的时候，则意味着其内部的原子运动速度较慢。我们的身体是通过热或冷来感觉这种运动的，而物理学家则是绝对温标或称开尔文温标来测量温度的。 2.绝对零度的测量 传统测量绝对零度的方法是采用外推法估算理想气体可以达到的最低温度(绝对零度)的摄氏温。 [2]代伟等曾报道新型PTl4扩散硅压力传感器和AD590电流型集成温度传感器灵敏度高，用它们配合贮气球体测量绝对零度，测量准确性和重复性好。将它们用于改进的绝对零度测量装置，实验时能明显地观察热力学现象，实验结果精确。以空气为介质，用改进后的实验装置测得的绝对零度值为-272.00?，与标准值相比，百分差为0.42,，这在热学与热力学的实验中测量准确度是较高的。测得平均值为-274.12?，而理论值为-273.15?，绝对误差小于0.5,。 这是由数据采集器+传感器+多 媒体计算机构成的一种新型掌上 实验系统。利用手持技术对绝对 零度的测量，其操作简便，现象 明显，绝对误差小于0.5,。 图1 测量绝对零度实验装置 3.绝对零度不能达到的原因 按照热力学温标测量温度，绝对温度零度相当于摄氏零下273.15度(-273.15?)，是自然界中可能的最低温度。在绝对零度下，原子的运动完全停 止了，那么就意味着我们能够精确地测量出粒子的速度(0)。然而1890年德国物理学家马克斯?普朗克引入的了普朗克常数明一个事实:粒子的速度的不确定性、位置的不确定性与质量的乘积一定不能小于普朗克常数，这是我们生活着的宇宙所具有的一个基本物理定律(海森堡不确定关系)。那么当粒子处于绝对零度之下，运动速度为零时，与这个定律相悖，因而我们可以在理论上得出结论，绝对零度是不可以达到的。 1906年能斯特(Nernst)在研究各种化学反应在低温下的性质时引出一个结论，称为能斯特定理。 [3]Nernst定理指出，在接近绝对零度时，任何过程中的熵值不变，它既是等熵过程，又是绝热过程，没有热量的交换(如果有热量的交换?S就不等于零)。因此，任何凝聚态物质在接近绝对零度时，无论进行什么热力学过程，都不能通过释放热量而降低温度。而凝聚态物质也不能靠绝热膨胀对环境做功而降低温度。所以，系统的温度不可能继续降低，因而达不到绝对零度。 [4]从Nernst定理推出“绝对零度不可达到原理”，还可以采取如下的。 首先考虑降温的手段，即考查经历何种过程降温最有效。显然，放热降温当然有效，但又必须有更低温度的热源，这是不实际的。因此，只有绝热降温是可取的方式。这又有两种选择:可逆或不可逆。我们来这两种方式。假定以(T，y)为独立参数，y可能是实验可控的体积、压强等。 对于可逆过程，随着温度的增加系统的熵亦增加。在S,T图(图2)上，假定物体系由y线上的一点A经历绝热可逆过程(熵不变，沿水平线)到达y线的12B点。两状态的温度分别记为T和T。AB 如果由A经历不可逆绝热过程(熵增加)到达 y线，则应到达熵更大的一点C，显然有2 TT, CB 图2 物体系熵随温度T和y的变化趋势 可见，可逆过程降温更为有效，即绝热可逆过程降温是最有效的途径故而我 们只讨论绝热可逆过程。 熵的计算公式 CTy (,)(,)STySTydT=+ò00T0T 3量子理论与实验都给出，在极低温度下，非金属定容摩尔热容C?T，金属VC?T，所以 V C=0 ylim?0T 上述(2)式在T?0时收敛。并且，当物体系由A(T，y)经绝热可逆过程(熵AA不变)至时，有 BTy(,)BB SS=AB 由能斯特定理 SySy(0,)(0,)=AB 因而 CCTTyyABABdTdT= 蝌00TT 如果 T,0 A 则有 CTyAA,0dT ò0T 亦必有 T,0 B 即绝热可逆过程不能将温度降至绝对零度。因此，任何有限步骤都不能将体系的温度降至绝对零度。 4.低温的终点——绝对零度 自然界最冷的地方不是冬季的南极，而是在布莫让星云。那里的温度为零下272摄氏度，是目前所知自然界中最寒冷的地方，成为“宇宙冰盒子”。事实上，布莫让星云的温度仅比绝对零度高1度多(零下273.15摄氏度)。 这个“热度”(因为实际上我们谈到的温度总是在绝对零度之上)是作为宇宙起源的大爆炸留存至今的热度，事实上，这是证明大爆炸理论最显著有效的证据之一。 而绝对零度被提出后，许多科学家也致力于此，开始了向绝对零度的冲刺。 1877年，法国师Caiheted首先液化了O，达到了90.2K的低温。2 1898年，英国物理学家Dewer将H液化，达到了24K的低温。2 1908年，荷兰的Onnes将He液化，得到了4.2K的低温。Onnes曾进一步用减压降温的方法达到了1.04k的低温。他也被人们称为“绝对零度”先生。 -51956年，英国人Simon和Kurti用核去磁冷却法获得10K。 -81979年，苏格兰人用级联核冷却法得到了5×10K的低温。 -91989年，中国和瑞士的低温实验室报道已得到了10K的低温。 众所所周知，人类要获得高温比较容易。但要想获得低温则较为闲难。目前 -9[5]人类已获得1(7×10K的低温。事实上，在这样的非常温度下，物质呈现的既不是液体状态，也不是固体状态，更不是气体状态，而是聚集成唯一的“超原子”，它表现为一个单一的实体。 和外太空宇宙背景辐射的 3K 温度做比较，实现玻色-爱因斯坦凝聚的温度 170×10K 远小于 3K，可知在实验上要实现玻色-爱因斯坦凝聚是非常困难的。要制造出如此极低的 温度环境，主要的技术是雷射冷却和蒸发冷却。最近一次达到的最低温度是由德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组在实验室内达到了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。 绝对零度虽然不能达到，但这并不能阻挡我们向它逼近。 参考文献 [1] 苏许辉.探索绝对零度不能达到的原因[J].物理教师,2007,28(3):33 [2] 代伟.用压力传感器和温度传感器测量绝对零度[J].大学物理,2008,27(9):30 [3] 傅献彩.物理化学[M].第五版.北京:高等教育出版社，2005:181 [4] 苏许辉.正确理解热力学第三定律[J].物理通报,2010,2:21 [5] 张龙.绝对零度的思考[J].大学化学,2008,23(3):50