温度 存在 上限 吗 ？为什么 存在 绝对零度 -273.15摄氏度？ Temperatur|existiert|Obergrenze||||Absoluter Nullpunkt|Grad Celsius Does an upper limit to temperature exist? Why does absolute zero -273.15 degrees Celsius exist? ¿Existe un límite superior para la temperatura? ¿Por qué existe el cero absoluto - 273,15 grados Celsius? Существует ли верхний предел температуры? Почему существует абсолютный ноль -273,15 градуса Цельсия?

妈咪 说 知识 就是 力量 大家 好 我 是 妈咪 叔 Mama|||||||||Mama|Onkel

上期 视频 之后 有 同学 问 我 说 绝对零度 是 怎么 来 的 Letzte Folge|Video|||||||Absoluter Nullpunkt||||

既然 温度 有 下界 那 温度 有没有 上界 呢 ？ Da||||||||

其实 通过 这个 问题 主要 想 和 大家 聊一聊 科学研究 的 思路 |||||||||wissenschaftliche Forschung||Denkweise

就是 好多 时候 学生 问 我 这个 东西 怎么 学 那个 定义 不会 啊 |||||||||||Definition lernen||

我 觉得 首先 不能 死记硬背 ||Zunächst||auswendig lernen

那 你 是 记不住 的 |||kannst nicht merken|

你 就 想 假如 这个 问题 交给 你 你 该 怎么 研究 呗 |||Angenommen|||||||||

所以 要 去 了解 历史

了解 这帮 科学家 为什么 要 提出 这个 定义 |diese Gruppe||||vorschlagen||Definition

它 一定 是 遇到 某些 困难 有 道理 的 |||aufgetreten|einige|||guten Grund|

不 可能 说 他 随便 提出 一个 定理 ||||leichtfertig|aufstellen||Satz

然后 几百年 之后 大家 都 在 学 它

还 不 知道 咋 回事 不 可能 |||wie|los ist||

所以 人类 对于 温度 的 研究 也 是 一样

任何 东西 都 一样

基本思路 就是 先 定性 再 定量 Grundgedanke|||qualitativ bestimmen||quantitativ bestimmen

对于 温度 的 研究 源于 人类 的 感知 |||||||Wahrnehmung

就是 这个 东西 我能 摸出来 它 比较 冰 它 比较 热 ||||ertasten||||||

这 叫 定性 ||Das ist Definition Das nennt man qualitativ.

那 具体 它 比 它 热 了 多少 呢 ？ Wie viel heißer ist es?

也 就是 想个办法 去 定量 ||||quantifizieren Das heißt, man muss einen Weg finden, sie zu quantifizieren.

所以 温度计 就 出现 了 |Thermometer erschien|||

早期 的 温度计 不管 是 酒精 的 还是 水银 的 frühe|||||Alkohol|||Quecksilber|

它们 的 原理 都 是 通过 热胀冷缩 ||Prinzipien||||Wärmeausdehnung

说 不同 温度 下 水银 或者 酒精 膨胀 的 高度 不 一样 ||||Quecksilber||Alkohol|ausdehnen||||

那妥 了

定量 的 手段 有 了

那 具体 怎么 定量 呢 ？ |konkret||| Wie können wir sie quantifizieren?

那 我 就 选 两个 不同 温度 的 物体 给 它定 上数 |||wählen|||||Gegenstände||es festlegen|eine Zahl zuweisen

然后 中间 再 等 分 这样 我 不 就 可以 向外 拓展 了 嘛

就 有 参照 了 ||Referenz haben|

就 比如说 1742 年 瑞典 的 天文学家 摄尔 修斯 |||Schweden||Astronom|Celsius|Celsius

他 就 说 Und er sagte.

我要 把 水 的 沸点 温度 定义 为 0 冰点 定义 为 100 ||||Siedepunkt||||Gefrierpunkt||

这 中间 100 等 分

有 同学 说 这 不是 反 了 吗 ？ Einige Schüler sagten: "Ist das nicht das Gegenteil von dem, was es sein sollte?

最早 确实 就是 这么 定义 的 Nun, so wurde es in den Anfängen definiert.

摄尔 修斯 自有 他 的 道理 Celsius hat seine eigene Argumentation.

因为 瑞典 这个 地方 不能 说 它 偏 冷 Denn Schweden, dieses Land, kann man nicht als kalt bezeichnen.

反正 平均气温 就是 0 度 左右 Jedenfalls liegt die Durchschnittstemperatur bei 0 Grad.

所以 把 水 的 沸点 定义 为 0 冰点 定义 为 100 Der Siedepunkt von Wasser ist also mit 0 und der Gefrierpunkt mit 100 definiert.

就 可以 避免 大部分 天气 的 温度 出现 负数 ||vermeiden||||||

人们 不 喜欢 负数 |||negative Zahlen Die Menschen mögen keine negativen Zahlen.

后来 有 一 老哥 叫 卡尔 · 林奈 植物学家 |||Alter Herr||Karl|Carl Linné|Botaniker

学 植物学 的 应该 不 陌生 |Botanik||||nicht fremd

他 说 负数 就 负数 吧

但是 按照 常理 来讲 ||üblichen Maßstäben|

应该 是 数越 大 温度 越高 ||je mehr|||höheren Temperatur

这样 比较 符合 直观 感受 ||entspricht|intuitiv|

所以 就 改成 了 现行 的 摄氏温标 ||umgewandelt in||derzeitige||Celsius-Skala

也 就是 我们 现在 说 的 多少 多少 摄氏度 ||||||||Grad Celsius

其实 你 说 如果 当年 摄尔 修斯 要是 ||||Damals||Schürs|

把 水 的 冰点 定义 成 0 沸点 定义 成 1 |||Gefrierpunkt|||Siedepunkt|definieren als|

行不行 呢 ？

行 如果 按照 这个 定义 Wenn nach dieser Definition.

那问 说 你 的 体温 是 多少 啊 ？ Wie hoch ist Ihre Körpertemperatur?

0.37 度 可以 的 0,37 Grad, ja.

只要 大家 有 一个 通用 的 标准 就行

定义 成 0 到 100 就是 为了 方便

什么 意思 呢 Was bedeutet das?

就是说 我们 为什么 要 定量 呢 ？

定量 只是 研究 的 手段

定量 是 为了 研究 你 之前 定 的 那个 性

就是 回过头来 再 去 研究 性质

然后 去 寻找 某种 因果关系

是 这么 个 逻辑 吧

说 的 高大 上点 这 就是 科学 方法论 |||||||Wissenschaftstheorie Im Großen und Ganzen ist das wissenschaftliche Methodik.

这 也 是 科学 和 不 科学 之间 最大 的 区别 ||||||||||Unterschied Das ist der größte Unterschied zwischen Wissenschaft und Nicht-Wissenschaft.

好 了 我 现在 温度 的 标准 制定 完 了 ||||||Standard|festgelegt||

开始 研究 温度 的 性质 了 ||||Eigenschaften|

两个 问题 第一个 问题

同 一种 物质 它 的 温度 变化 和 什么 有关 呢 ？ ||Stoff||||||||

就是 哪些 参数 能够 影响 它 的 温度

第二个 问题 温度 的 本质 是 什么 ？ ||||Wesen||

为什么 同一个 物体 的 温度 会 变化 啊 ？ ||Gegenstand|||||

到底 是 哪变 了 呢 ？

其实 你 会 发现 这 两个 问题 本质 上 是 一个 问题

对于 第一个 问题 的 研究

早 在 17 世纪末 人们 就 有所 发现 了 Bereits Ende des 17. Jahrhunderts machten die Menschen Entdeckungen.

这 段时间 热力学 可 还 都 没 建立 呢 |||||||etablieren| Zu diesem Zeitpunkt war die Thermodynamik noch nicht einmal etabliert.

正 处于 萌芽 时期 |befindet sich in|Im Entstehen|

最早 是 法国 物理学家 阿蒙 顿 |||Physiker|Amon Dufour|Amontons Der älteste ist der französische Physiker Amonton.

他 发现 空气 的 压强 变化 与 温度 变化 似乎 是 成正比 的 ||||Luftdruck|||||scheint||proportional zu|

啥意思 呢 Was bedeutet das?|

就 比如说 今天 我 测量 了 一下 外边 的 温度 还有 气压 ||||messen|||||||Luftdruck

明天 天气 变冷 了 我 又 测量 了 一下 温度 和 气压 ||kälter werden||||messen|||||

每天 都 测量 一遍

最终 发现 温度 降低 一 等量 份额 Schließlich wurde festgestellt, dass die Temperatur um den gleichen Anteil gesunken war.

气压 也 会 降低 等量 份额 |||||Anteil Auch der barometrische Druck würde den entsprechenden Anteil senken.

这件 事 有意思 啊 Das ist interessant, nicht wahr?

那 你 顺着 这个 思路 去 想 Du denkst also in etwa wie folgt.

温度 降低 气压 也 会 降低 Wenn die Temperatur sinkt, sinkt auch der Luftdruck.

那 温度 能 不能 降低 到 个 极限 呢 ？ Kann die Temperatur bis zu einem gewissen Grad gesenkt werden?

能 最多 就 降到 气压 趋近 于 0 呗 Das kann bestenfalls so lange der Fall sein, bis der Luftdruck nahe dem Nullpunkt liegt.

所以 这个 时候 人们 就 发现 了

温度 很 可能 是 有 下限 的

后来 一个 世纪 之后 Später, ein Jahrhundert später.

法国 两位 物理学家 查理 还有 盖 - 吕萨克 Zwei französische Physiker, Charles und Guy Lussac.

这 二位 建立 了 严格 的 气体 定律 Diese beiden haben ein strenges Gasgesetz erlassen.

就是 查理 - 盖 · 吕萨克 定律 ||||Gesetz

说 气体 的 温度 和 什么 有关 呢 ？ Wovon hängt die Temperatur eines Gases ab?

和 压强 还有 体积 有关

压力 恒定 时 一定量 气体 的 体积 V 与其 温度 T 成正比 ||||||||||Temperatur|

这 就是 总结 出来 的 结果

你 要是 感觉不好 理解 我 来说 说 当时 的 实验 就 好 了 Wenn Sie sich dabei nicht wohlfühlen, werden Sie das verstehen, und ich werde Ihnen von dem Experiment erzählen.

1787 年 查理 做 了 个 实验 |Karl||||Experiment Im Jahr 1787 führte Karl ein Experiment durch.

他 分别 用 空气 |Er benutzte jeweils Luft||

还有 提纯 之后 的 氧气 、 氮气 、 二氧化碳 等 气体 做 实验 |Reinigung|||Sauerstoff|Stickstoffgas|Kohlendioxid||||

怎么 做 呢 Wie machen Sie das?

把 这些 气体 从 0 度 加热 到 100 度 Erhitzen dieser Gase von 0 Grad auf 100 Grad.

然后 在 尽量 保持 压强 不变 的 情况 下 ||so weit wie möglich||Druck||||

看 它们 体积 的 变化 ||Volumen||

首先 查理 发现

随着 温度 的 变化 Wenn sich die Temperatur ändert

气体 体积 的 膨胀 速率 的 一定 的

也就是说 是 线性 的 ||linear| Das heißt, sie ist linear.

啥意思

就是 温度 逐渐 升高 体积 也 是 逐渐 升高 的

不是 说 体积 先是 不 升 |||||nicht steigen

然后 超过 一个 温度 per 膨胀 好几倍 |überschreiten|||pro|ausdehnen|mehrfach größer

不是 这样 的

其实 这 就是 阿蒙 顿 的 发现 的 规律 嘛

其次 查理 还 发现 Und zweitens, Charlie, ist da noch das hier.

任意 气体 从 0 度到 100 度 Jedes Gas von 0 bis 100 Grad

压强 不变 的 情况 下 Druckkonstante

它 的 体积 会 增加 37% 左右

大概 是 36.6% Etwa 36,6 Prozent.

这个 数据 是 测量 出来 的

它 换算 成 分数 就是 100/273

这 就 意味着 对于 （ 任意 ） 气体 而言 ||||beliebigen|Gas|

温度 每 增加 1 摄氏度

其 体积 会 膨胀 0 度 时候 的 体积 的 1/273

温度 每 降低 1 摄氏度 ||um 1 Grad| Temperatur Für jede Abnahme um 1 Grad Celsius

体积 就 会 压缩 0 度 时候 的 1/273 Das Volumen wird bei 0 Grad um 1/273 komprimiert.

注意 是 相对 0 度 而言 的 Beachten Sie, dass dies relativ zu 0 Grad ist.

这个 1/273 在 当时 就 被称作 是 气体 的 压缩系数

那 你 根据 这个 数据 就 会 发现 一个 问题

如果 现在 某个 气体 温度 是 0 摄氏度 Wenn die Temperatur eines Gases in diesem Moment 0 Grad Celsius beträgt.

理论 上 我 要是 把 它 降低 到 零下 273 度

它 的 体积 就 会 变成 0 对 吧 ？

当然 具体 273 这个 数值 取决于 你 测算 压缩系数 的 精度

现在 我们 用 的 1/273.15 这个 数值

是 到 了 1847 年 法国 物理学家 勒 尼奥 他 测算 出来 的

也就是说 温度 确实 存在 下限

在 摄氏温标 当中 就是 零下 273.15 摄氏度

为啥

在 当时 的 解释 就是

如果 你 把 一个 气体 降低 到 零下 273.15 摄氏度

它 的 体积 就 会 变成 0 这 是 不 可能 的

后来 开尔文 就 说

既然 温度 存在 下限

那 我 也 来 建立 一个 温标 吧

就 从 这个 最低温度 开始 定义 为 0

之后 的 换算 比例 和 摄氏度 一样

我 把 它 称为 开氏 温标 单位 就是 开尔文

当然 这 肯定 不是 开尔文 自己 说 的

开氏 温标 最大 的 好处 就是 没有 负数

因为 他 把 下限 定义 为 0 了 啊

明白 它 是 怎么 来 的 了 吧 ？

不是 随便 选 了 一个 273.15

是 先算 出来 这个 数

开尔文 的 意思 就是 我 不管 这个 数 具体 等于 多少

之后 随着 测算 的 精度 有没有 变化

反正 我要 把 温度 的 下限 定义 为 0

这样 没有 负数 好 计算

所以 开氏 温标 对于 科学研究 比较 友好

但是 生活 当中 如果 用 开氏 温标 就 不 友好 了

用 摄氏温标 在生活中 一般 都 是 50 以内 加减法 很 好 算

如果 用 开氏 温标 那 就是 500 以内 加减法

然后 还 带 小数点 不 方便

不过 本质 上 是 一样 的

就是 零点 选择 不同

但是 到 这 人们 在 实验 中 发现 一个 问题

啥 问题 呢

刚才 咱们 不是 说

说 气体 温度 不 可能 降低 到 零下 273.15 摄氏度

因为 体积 会 变成 0 这 是 不 可能 的

人们 发现 这 也 确实 不 可能

就是 某个 气体 温度 降着 降 着 就 变成 液体 了

就是 某个 气体 温度 降着 降 着 就 变成 液体 了

液体 就 不 符合 气体 定律 什么 压缩系数 了 啊

那 你 这个 零下 273.15 摄氏度 的 绝对零度 到底 准 不准 啊 ？

这个 问题 的 解决 是 又 过 了 半个 多 世纪

一直 到 了 1906 年 德国 物理学家 化学家 能 斯特

他 提出 了 能 斯特 定理

就是 现在 总结 出来 的 热力学 第三 定律

说 不 可能 通过 有限 循环 过程

使 物体 的 温度 降低 到 绝对零度

其实 能 斯特 定理 没 这么 简单

它 是 首先 肯定 了 绝对零度 是 存在 的

然后 说 这个 绝对零度 你 还 到 不了

至此 我们 对于 绝对零度 才 算是 有 了 一个 比较 清晰 的 定义

不过 咱们 前面 说 的 都 属于 是 宏观 层面 的

对于 第二个 问题 就是 热 的 本质 是 什么

还要 等到 热力学 微观 理论 的 建立 也 就是 气体 动 理论

根据 动 理论 说 热 的 本质 是 物质 分子 剧烈运动 的 程度

分子运动 的 越 剧烈 温度 就 越 高

其实 动 理论 也 有 过 对手

就 像是 咱们 说 人们 研究 光

有 两套 理论 波动 说 和 微粒说

哪个 对 啊 ？ 最后 打了个 平手

对于 热 也 有 两套 理论

一个 是动 理论 一个 是 热质说

后来 热质说 就 被 彻底 打败 了

最早 触 碰到 动 理论 的 人 知道 是 谁 不 ？

是 欧拉

欧拉 是 支持 动 理论 的

就是 温度 和 分子运动 有关

而且 他 差一点 就 提出 来 了

欧拉 在 1729 年 就是 22 岁 的 时候

他 把 空气 分子 看成 是 一个个 理想 球体

然后 估算 出 了 常温下 空气 分子 的 平均 运动 速率

欧拉 说 大概 是 477 米 / 秒

已经 很 接近 了

按照 现在 的 理论 算 大概 是 460 米 / 秒左右

你 看 空气 分子运动 的 还是 很 剧烈 的

按照 这个 理论 我 就 更 容易 理解 绝对零度 了

温度 为什么 会 存在 下限 呢 ？

就是 当 所有 分子 全部 静止 的 时候

就是 它 的 温度 下限

不 可能 比 这个 再 低 了

我 都 已经 不动 了 你 还 想 怎么着

然后 在 微观 层面 我们 也 更 容易 理解

为什么 绝对零度 永远 不能到达 呢

因为 存在 量子 涨落

咱们 说 过 是 吧

就是说 微观粒子 的 动量 和 位置 你 不 可能 同时 确定

这 就 意味着 微观粒子 永远 停不下来

要是 停下来 动量 和 位置 你 就 都 知道 了 那 不行

只能 有 一个 最低 能量 态 它 还 不是 0

所以 不 可能 把 一个 系统 的 温度 降低 到 绝对零度

只能 接近 明白 了 吧

以上 就是 关于 绝对零度 一些 笼统 的 介绍

下面 咱们 来聊 一聊 今天 的 第二个 问题

温度 的 下限 我 知道 有 了

温度 有没有 上限 呢 ？

根据 热 的 微观 理论 温度 只是 表象

本质 是 分子 的 热 运动 的 剧烈 程度

所以 理论 上 分子 可以 具有 无限大 的 动能

也 就 意味着 温度 没有 上限

有 同学 可能 会 说

当 分子运动 到 趋近 于 光速 的 时候 不 就是 一个 上限 吗 ？

注意 哦

咱们 说 的 是 分子 的 平均 动能 而 不是 平均 速率

经典 里边 你 看 速率 就行了

但是 当 分子 的 运动 速度 接近 光速 的 时候

你 还 得 考虑 相对论 还 得 考虑 动 质量 呢

无限 趋近 于 光速 就是 动能 无限大 了

所以 得出 的 结论 也 是 温度 没有 上限

但是 要是 硬 说 有 它 也 算是 有 上限

啥意思 呢

我们 知道 任何 物体 其实 都 是 在 向 外 辐射 电磁波 的

这 叫 热辐射

具体 辐射 的 电磁波 频率 就 取决于 物体 的 温度

黑体 辐射 咱们 说 过 对 吧

只有 理论 上 的 绝对零度 的 物体 才能 不 辐射 电磁波

比如说 100°C 沸水

它 辐射 的 电磁波 波长 大概 是 7766nm

这 就 属于 中波 的 红外线 了

而 太阳 表面温度 是 5500 摄氏度 左右

它 辐射 的 电磁波 就 在 500nm 左右

太阳 的 核心 1600 万摄氏度

辐射 的 电磁波 就是 0.18nm

这 就 属于 X射线 了

原子弹 爆炸 的 中心 温度 能够 达到 3.5 亿 摄氏度

这个 向外 辐射 的 电磁波 就 比较 厉害 了

波长 大概 是 0.0083nm 这 就是 伽马射线 了

所以 你 看 温度 越高 辐射 的 电磁波 频率 就 越 高

也 就是 波长 越小

那 波长 最小 能小到 多少 呢 ？

在 物理学 里 有 个 普朗克 长度 1.616*10^-26nm

物理学家 认为 当某 一个 尺度 小于 普朗克 长度 的 时候

它 就 没有 现实意义 了 你 也 没有 办法 去 测量

也 就 理解 不 上去 了 所以 不 存在 意义

那当 一个 物体 温度 达到 多少 的 时候

它 向 外 辐射 的 电磁波 波长 刚好 是 一个 普朗克 长度 呢 ？

答案 是 1.4168*10^32K

这个 温度 被称作 普朗克 温度

根据 宇宙 大 爆炸 理论

宇宙 从 最 开始 的 一个 奇点

然后 发生爆炸 的 一个 普朗克 时间 内

就是 5.391*10^-44s 内

宇宙 的 温度 就是 这个 普朗克 温度

它 向 外 辐射 的 电磁波 波长 就是 普朗克 长度

那 你 说 有没有 办法 把 一个 物体 加热 到 普朗克 温度 呢 ？

理论 上 是 有

那 就 需要 穷尽 宇宙 所有 的 能量

换句话说 要 回到 宇宙 大 爆炸 的 起点

所以 它 也 只能 是 在 理论 当中 存在

假如 存在 别的 宇宙

你 管 它 借点 能量 也许 可以 超越 普朗克 温度

否则 是 不行 的

所以 要是 硬 要说 温度 有 上限 的话

普朗克 温度 算是 一个 吧

反正 在 咱们 的 宇宙 是 达 不到 了

好 吧 今天 就 聊到 这

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