阿基米德说:给我一个支点我就可以翘起地球。人类在探索温度的过程中也是如此,只要设定了一个支点,就能开启探索的漫漫征程。
最早的温度计是意大利科学家伽利略(1564 ~ 1642)在1593年发明的。他的第一个温度计是一个玻璃管,一端开口,另一端是核桃大小的玻璃灯泡。使用时,先加热玻璃泡,然后将玻璃管插入水中。随着温度的变化,玻璃管中的水面会上下移动,根据移动量可以判断温度的变化和温度的高低。
714年,德国人瓦伦哈特用水银作为测温材料,将冰的熔点固定在32度,沸点固定在212度,中间固定在180度,建立了华氏温标。那就是我们所说的华氏温度,单位是。目前,华氏温度在英国、美国和其他英语国家被广泛使用。
1740年,瑞典人塞尔丘斯提出在标准大气压下,将冰水混合物的温度定为0,水的沸点定为100。温度根据水的两个固定温度点分级。将两点等分成100等份的方法创造了摄氏温标。也就是我们所说的摄氏度,单位是。这也是包括中国在内的世界上大多数国家采用的测温方法。
直到1848年开尔文威廉汤姆逊勋爵提出绝对零度的概念,威廉汤姆逊提出热力学温度的单位可以通过选择一个固定点来确定。开尔文勋爵(威廉汤姆森)在他的论文《关于一种绝对温标》中写道,需要一个以“绝对冷”(绝对零度)为零点,以摄氏度为单位增量的温标。此后,它不仅极大地推动了热力学的发展,也为我们的温度探索建立了坚实的支点。
绝对零度是如何定义的
绝对零度是开尔文勋爵提出的热力学最低温度。是粒子动能达到量子力学最低点时物质的温度,在摄氏标度上等于负273.15度(-273.15)。但绝对零度是理论的下限,并不能真正达到。
为了纪念开尔文勋爵的贡献,热力学的单位被指定为开尔文,单位为k,它的标度变化与摄氏度的温度一致,所以1摄氏度的温度变化相当于1开尔文的变化。
开尔文是热力学温度的测量单位。现在它也是国际单位制的七个基本单位之一,即长度m,时间s,质量kg,热力学温度(开尔文温度)K,电流A,光强度cd(坎德拉),物质的量mol。,这些单位是现代科学研究的基本支点。
随着热力学的发展,人们对于温度的认识更加接近于本质
人们发现,物质的温度取决于其中原子、分子和其他粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,粒子的动能越高,物质的温度越高。理论上,如果粒子的动能低到量子力学的最低点,物质就达到绝对零度,不能再低了。然而,根据热力学第二定律(不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起其它变化),\’s绝对零度永远无法达到,只能无限接近。因为任何空间都必然存在能量和热量,并且它们在不断地相互转化而不消失。所以绝对零度是不存在的,除非这个空间从一开始就没有能量和热量。在此一空间,所有物质完全没有粒子振动,其总体积并且为零。
19世纪,当绝对零度的气体实验用开尔文提出热力学温标时,物理学界仍然普遍认为热是一种不朽的物质(\”热质说\”).直到1799年,汉弗莱戴维在真空容器中,两块冰相互摩擦,最后变成水,证明了热质不存在的结论,认为热是粒子的振动。
但早在1787年,法国物理学家查尔斯就发现,当压力一定,温度升高1时,一定量气体的体积增量(膨胀率)是一个恒定值,体积膨胀与温度成线性关系。
有了这种完美的对应,就有可能确定热力学中的绝对零点。绝对0度,代表着物体分子没有动能和势能,也即是说在绝对0度温度下,空气内的分子将不再运动,气压和气体体积将变为0。
起初,人们发现固定值是0时气体体积的1/269。后来,经过几十年的实验,尤其是法国人盖吕萨克在1802年对它进行了修正。理想气体模型修正后,该值为1/273.15。
从这个固定值1/273.15开始,在摄氏温度和热力学温度之间架起了一座桥梁,理想气体等容、等压实验数据的延长线相交于一点,即温度坐标轴的t=-273.15,从而确定了绝对零度的理论值。如下图所示。
以从黑体辐射到恒星光谱热力学温标的建立为支点,人们对温度的探索已经深入到浩瀚的宇宙。
人们发现,任何温度高于绝对零度的物体都会辐射电磁波。辐射的电磁频谱只和它的温度有关。据此,我们可以测出它发出的电磁波的频谱。
反推它的温度。
因为在一定的温度范围内,各种物质由于其结构不同,对电磁波的吸收也不同,每种物质都有其特征性的吸收光谱,只有特定的谱线会被吸收,在连续的谱线中被吸收的部分就会形成明显的吸收暗线,所以检视光谱中被吸收的谱线,不但可以推断出观测对象的物质成分也可以推断出物质的温度。
为了方便这种研究物理学家们还定义了一种理想物体——黑体,以此作为热辐射研究的标准物体。
黑体就是在任何条件下,对任何波长的外来辐射完全吸收而无任何反射的物体,但是却可以向外辐射,这就是通常称的黑体辐射或者热辐射。
太阳光的极为宽阔的连续谱以及数以万计的吸收线和发射线,是一个极为丰富的太阳信息宝藏。如图,太阳光谱黑线的部分就是吸收线。
科学家利用天文望远镜观测的全太阳光谱
随着人们的实验和研究的深入,人们逐渐总结出了与恒星温度相对应的温度光谱,目前常用哈佛光谱和摩根-肯纳光谱。
哈佛光谱
利用黑体辐射,我们不但可以研究恒星的物质和温度,也可以测定来自宇宙深处的温度信息。从宇宙微波背景辐射-270.15℃, 星际尘埃-260℃,到数千度、数十万度的的宇宙天体,人类都能得以探知。
在布莫让星云,人们甚至探测到了-272℃的低温,比绝对零度(-273.15℃)仅高1.15℃,是目前已知的唯一一个温度低于背景辐射的天体,也是目前已知的宇宙中最冷的地方。
布莫让星云
人类创造的最高温度
随着粒子物理学的发展,逐渐打通了粒子领域与热力学的桥梁,电子伏能量单位也与开尔文发生了关联,即1eV=11605K。从此也就能计算粒子层面的温度,也包括核反应的温度了。
据报道,40000亿℃ 是人类创造的最高温度。科学家通过欧洲核子研究中心大型重离子实验探测器(ALICE)创造了有史以来最高的人造温度,产生的夸克-胶子等离子体瞬间超过了此前4万亿度等离子体流温度记录的38%。
从简单的温度计,到绝对零度的确立。人类从一个热力学温度的支点开始,开启了传奇探索历程,而这个传奇也必将继续下去。