1848年 , 在北爱尔兰出生的英国物理学家威廉·汤姆森对阿蒙顿此前的研究成果进行了更深入的研究 , 他还有个更为人所知的身份是第一代开尔文男爵 。 汤姆森开发了一种被他称为适用于所有物质的“绝对”温标 , 他在温度计上将绝对零设置为0 , 使温度摆脱了负数 , 看起来更加直观也更便于理解和记录 。 一直到现在 , 物理学家们依然会使用开尔文(K)标度来进行温度的测量 。
Tips:威廉·汤姆森William Thomson , 为英国的数学物理学家、工程师 。 也是热力学温标绝对温标的发明人 , 被称为热力学之父 。
目前为止 , 在整个宇宙中都不存在达到绝对零度的环境 。 宇宙诞生时的大爆炸残留的能量使整个宇宙的温度都上升了 , 所以宇宙中的温度要比绝对零度高得多 , 太空中的平均温度为2.74开尔文 。 但是 , 宇宙中一些天体的温度甚至比真空环境还要冷 。 比如 , 有一种膨胀的气体云 , 被称为回旋镖星云 , 它就像一个在宇宙空间中的冰箱 , 温度约为1K , 是宇宙中最冷的自然环境温度 。
那些挑战绝对零度的科学家
2019年 , 一个来自剑桥大学的团队试图接近绝对零度这个热力学定律允许下最冷的温度 。 不过有一个问题:绝对零度是不可能达到的 。 因为当人们从物质中去除热量时 , 尝试越冷的温度 , 热量就会增加得越显著 。 想要达到绝对零度 , 这之前的准备工作量是巨大的 。 即使能够到达绝对零度 , 这个时候的原子和分子仍然会继续运动 。
Tips:旋镖星云Boomerang Nebula , 距离地球5000光年 。 尺度为2.1光年 。 是宇宙中最寒冷的地方 , 是距离地球5000光年的尘埃和气体云 。
量子力学表明 , 研究人员越接近绝对零度 , 物质的特性就越奇怪 。 例如 , 在足够低的温度下 , 液氦会变成超流体 , 这是一种没有摩擦阻力的流动的液体 。 而且 , 它可以自发地向上流动并流出容器 , 能够渗透进分子间的缝隙 , 在高速旋转时保持完美静止 。 最令物理学家惊讶的是 , 它能够凝聚成一个“超级原子” , 这种状态也被称为玻色-爱因斯坦凝聚 。
科学家探索绝对零度的旅程始于18世纪初 , 当时纪尧姆·阿蒙顿说 , 如果温度是系统中热量的量度 , 那么必须有可能的最低温度 。 然而 , 直到两个世纪之后 , 阿蒙顿的理论才被人们真正重视 , 并且出现了许多与此理论相关的实验 。
Tips:超流体是一种物质状态 , 特点是完全缺乏黏性 。 如果将超流体放置于环状的容器中 , 由于没有摩擦力 , 它可以永无止尽地流动 。
1845年 , 迈克尔·法拉第第一个在挑战绝对零度的相关实验中得出了突破性的结果 。 在当时 , 他使用了初级的压缩和冰浴方式 , 将多种气体变为液态 。 根据当时的科学技术来看 , 能够到达的最低温度是-130℃ 。 但是通过观察法拉第的研究能够发现 , 有几种气体是液化失败了的 , 比如氧气、氮气和氢气 。 由于当时的科学理论还不够发达 , 所以法拉第将这几种气体定义为“永久气体” , 认为它们是不能被压缩成液态的 。
Tips:冰水浴就是在运动后让身体表面暴露在低温的水中 (一般低于摄氏15度) 。 不少专业体育训练中心均设有特制的冰水池 Ice pool , 或冰水桶 Ice Tub , 而一般人亦可自行在浴缸开水加冰自制 。
19世纪70年代末期 , 法国物理学家路易斯·保罗·卡耶泰解决了氧气和氮气无法液化的难题 , 在获得液氧的同时达到了-183℃的低温 , 在获得液氮的同时达到了-196℃的低温 。 在这个过程中 , 卡耶泰主要利用到的原理是焦耳-汤姆森效应 。
Tips:焦耳-汤姆森效应:室温常压下的多数气体经节流膨胀后温度下降产生制冷效应而氢、氦等少数气体经节流膨胀后温度升高产生致热效应 。
实际上 , 焦耳-汤姆森效应并不是一种少见的现象 。 打火机中就有液化气 , 当我们将打火机里的液化气释放一部分之后 , 就能够感觉到液化气出口的地方温度明显下降了 。 这就是焦耳-汤姆森效应的表现之一 。 这个效应在科学中的解释是 , 在等焓环境下 , 气体会膨胀 , 温度也会随之升高或者降低 , 这个过程就被称为焦耳-汤姆森过程 。 在这个过程中 , 还存在一个标准叫做反转温度 , 如果环境温度比反转温度更低 , 温度就会下降 , 如果环境温度比反转温度更高 , 温度就会上升 。
Tips:液化气一般指液化石油气 。 液化石油气是在炼油厂内 , 由天然气或者石油进行加压降温液化所得到的一种无色挥发性液体 。
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