为什么热力学零度不可达到?

为什么热力学零度不可达到?
为什么热力学零度不可达到?

为什么热力学零度不可达到?
开尔文 英文是 Kelvin 简称开,国际代号K,热力学温度的单位.开尔文是国际单位制（SI）中7个基本单位之一,以绝对零度（0K）为最低温度,规定水的三相点的温度为 273.16K,1K等于水三相点温度的1／273.16.热力学温度T与人们惯用的摄氏温度t的关系是T＝t＋273.15,因为水的冰点温度近似等于 273.15K,并规定热力学温度的单位开（K)与摄氏温度的单位摄氏度（℃)完全相同.开尔文是为了纪念英国物理学家Lord Kelvin而命名的.
热力学温度单位开尔文(K)是国际单位制（SI）基本单位之一.其他基本单位是米、千克、秒、安培、摩尔和坎德拉.
开尔文的定义(K)：
开尔文(K)是热力学温度单位,等于水的三相点热力学温度的(1/273.16).上述定义以物理常量:水三相点热力学温度Tt
r为基础,而Tt r国际上已于1967年协议,精确地等于273.16K.(图略)
1K=1/273.16 Tt r
开尔文是用英国科学家开尔文的名字命名的.
威廉·汤姆森（William·Thom?鄄son）,后来的开尔文勋爵(Lord·Kelvin of
Largs),1824年6月26日生于英国北爱尔兰贝尔法斯特.他的特殊天赋和理解力很早就表现出来了,以致他在10岁就被格拉斯哥大学注册录取.16 岁他作为大学生来到剑桥,在剑桥他所有功课成绩都很优秀.汤姆森作为格拉斯哥大学物理学教授从1846年开始从事教学和科学研究.人们说,在他那儿,计划 1小时的课经常持续3个小时.
汤姆森的兴趣一向在热力学和电学方面.热能的研究使他认识了一个可能最低的温度,即温度的绝对零度.他把这个-273.15℃的温度点当作一个新的温度和温标（图略）的出发点.他与一位英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦尔（James·Prescott·Joule
1818~1889）一起发现了用他们两人名字命名的“焦尔-汤姆森效应”.它表明,理想气体在没有外界做功而膨胀时,使其冷却到足够低的温度.发生冷却是由于膨胀时必须通过内部做功以克服气体的分子力.＊1856年汤姆森认识到按照他的名字命名的热电“汤姆森效应”,它包含,当一个电流通过,在一个均匀的电导体中存在一个温度落差按照它的方向产生热或取走热.
“汤姆森热”和一个导电体的焦耳电流热(它取决于导体的电阻和电流强度)是不能混淆的.另外汤姆森还认识到可以转化为机械功的热能.作为热力学过程不可逆性的一个量,用熵的概念他与鲁道夫·克劳西乌斯(Rudolf·Claustus1822~1888)同时创立了热力学第二定律,亦即所有的热力机只能把它从一种热材料取走的热能的一部分转换成机械功.这个热能的剩余部分又总是被散发给冷材料.
在电学领域按照他的名字命名的开尔文电流天平属于最重要的发明.它可以确定机械力和电流强度之间的关系.电流天平特别在测量电流和检定电流计中得到应用.值得一提的是他还研制了静电伏特计,它能够相当精确的测量当时最高大约10kV的电压.此外汤姆森改进了许多测量方法并且发明了无数其他的测量仪器,比如说精确测定很小电阻的测量电桥,它现在被称作为汤姆森测量电桥.汤姆森通过参与实现大不列颠和美国之间首次海底电缆连接名扬国外.他是这个项目的发起人之一,并计算了电缆.经海底电缆的第一次通话是1858年8月17日通过北大西洋从大不列颠通往美国.无可置疑,这项海底电缆的连接是19世纪最大的技术贡献.遗憾的是,因为出现了故障,用这个电缆向大西洋另一方大约只通了700次话.跨越大西洋持续的通信直到1866年初才在两洲之间建起,这项工作汤姆森同样参与并起了决定性的作用.
威廉·汤姆森1882年被授予贵族称号后被尊称为拉格斯的开尔文勋爵.1907年12月17日死于苏格兰拉格斯附近的内斯霍尔(Netherhall),享年84岁.他的成就得到了承认,他是19世纪杰出的和受人尊敬的自然科学家.他把最后的长眠之处选在伊萨克·牛顿爵士(1643-1727)旁边的威斯敏斯特尔教堂.
＊焦尔-汤姆森效应：气体经历焦尔-汤姆森膨胀时温度随压强的变化.
绝对零度是指-273.15度,在这个温度下的物体不包含热量,气体的体积将减小到零.在此温度下,构成物质的所有分子和原子均停止运动.所谓运动,系指所有空间、机械、分子以及振动等运动．还包括某些形式的电子运动,然而它并不包括量子力学概念中的“零点运动”.除非瓦解运动粒子的集聚系统,否则就不能停止这种运动.从这一定义的性质来看,绝对零度是不可能在任何实验中达到的,但已达到绝对零度以上百万分之一度内的低温.若用分子运动论来解释,理想气体分子的平均平动动能由温度T确定,则可将绝对零度与“理想气体分子停止运动时的温度”等同看待.事实上一切实际气体在温度接近-273.15℃时,早已变成液态或固态,它的温度趋于一个极限值,这个极限值就称为绝对零度.绝对零度是温度的最低点,实际上永远也不会达到的.
初学查理定律时,我们知道,一定质量的气体,在体积一定时,压强与摄氏温度不成正比.那么,怎样才能使一定质量的气体在体积一定时,它的压强与温度成正比呢?
很自然地,我们用“外推法”,将等容线反向延长与横坐标(t轴)交于一点(如图),令P＝0时,Pt=P0（1＋1/273°C）=0由得出t= -273°C.经过精确的实验证明,上述的t＝－273°C应为－273.15°C.早在19世纪末,英国科学家威廉·汤姆(开尔文)首先创立了以t=- 273.15°C为零度的温标,称之为热力学温标(即绝对温标),t=-273.15°C定义为OK,即绝对零度.
绝对零度到达:人们是从液化气开始,十步步地逼近它的.早在19世纪末,许多科学家利用加压法对氨气进行液化,得出了－110°C(163K 的温度.利用这种方法以及后来的级联法(即采用临界温度下气体逐渐蒸发冷却而获得较低温度),在－140°C(133K)液化了氧气,-183°C (90k)液化了氮,在－195°C(78K)液化了一氧化碳.1898年,英国人杜瓦用多孔塞膨胀法在－240°C(33k)的低温下液化了氢气,随着固化氢的成功,得出了18世纪的最低温度－259°C(14k).
进入20世纪后,随着科技的发展和仪器的更新,我们离绝对零度越来越近：1908年,荷兰物理学家昂尼斯成功地实现了4.2k的低温把自然界中最轻的隋性气体氦液化了.随后,昂尼斯又叩开1k的大门,获得0.7k的低温.
在通往绝对零度的道路上,科学家发现了许多经典物理学无法解释的现象,如超导电性,超流动性等.为使这些有用的技术造福人类,科学家继续前进. 1926年,德拜与吉奥克用磁冷却法达到了10－3k,后来又攻破了10－6k,离绝对零度仅有一步之遥了,但人们感到,越是逼近它,达到它的希望越是遥远,这正如一条双曲线,它只能是无限地接近坐标轴,而绝对零度这个宇宙低温的极限,只能是可望不可及的.绝对零度绝对零度表示那样一种温度,在此温度下,构成物质的所有分子和原子均停止运动.所谓运动,系指所有空间、机械、分子以及振动等运动．还包括某些形式的电子运动,然而它并不包括量子力学概念中的“零点运动”.除非瓦解运动粒子的集聚系统,否则就不能停止这种运动.从这一定义的性质来看,绝对零度是不可能在任何实验中达到的,但已达到绝对零度以上百万分之一度内的低温.所有这些在物质内部发生的分子和原子运动统称为“热运动”,这些运动是肉眼看不见的,但是我们会看到,它们决定了物质的大部分与温度有关的性质.正如一条直线仅由两点连成的一样,一种温标是由两个固定的且可重复的温度来定义的.最初,在一标准大气压(760毫米水银柱,或760托)时,摄氏温标是定冰之熔点为0℃和水之沸点为100℃,绝对温标是定绝对零度为oK和冰之熔点为273K,这样,就等于有三个固定点而导致温度的不一致,因为科学家希望这两种温标的度数大小朝等,所以,每当进行关于这三点的相互关系的准确实验时,总是将其中一点的数值改变达百分之一度.现在,除了绝对零度外,仅有一固定点获得国际承认,那就是水的“三相点”.1948年确定为273.16K,即绝对零度以上273．16度.当蒸气压等于一大气压时,水的正常冰点略低,为273．15K(＝o℃＝320°F),水的正常沸点为373.15K(＝100℃＝212°F).这些以摄氏温标表示的固定点和其他一些次要的测温参考点(即所谓的国际实用温标)的实际值,以及在实验室中为准确地获得这些值的度量方法,均由国际权度委员会定期公布.
1848年,英国科学家威廉·汽姆逊·开尔文勋爵（1824～1907）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,相当于摄氏零下273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.那时,人们认为温度永远不会接近于0K,但今天,科学家却已经非常接近这一极限了.
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动动：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.
按照这种温标测量温度,绝对温度零度（0K）相当于摄氏零下273.15度（-273.15℃）被称为“绝对零度”,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,并且从理论上讲,气体的体积应当是零.由此,人们就会明白为什么温度不可能降到这个标度之下,为什么事实上甚至也不可能达到这个标度,而只能接近它.
自然界最冷的地方不是冬季的南极,而是在星际空间的深处,那里的温度是绝对温度3度（3K）,即只比绝对零度高3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.
在实验室中人们可以做得更好,能进一步地接近于绝对零度,从上个世纪开始,人们就已经制成了能达到3K的制冷系统,并且在10多年前,在实验室里达到的最低温度已是绝对零度之上1／4度了,后来在1995年,科罗拉多大学和美国国家标准研究所的两位物理学家爱里克·科内尔和卡尔威曼成功地使一些铷原子达到了令人难以置信的温度,即达到了绝对零度之上的十亿分之二十度（2×10-8K）.他们利用激光束和“磁陷阱”系统使原子的运动变慢,我们由此可以看到,热度实际上就是物质的原子运动.非常低的温度是可以达不到的,而且还要以寻求“阻止”每一单个原子运动,就像打台球一样,要使一个球停住就要用另一个球去打它.这了弄明白这个道理,只要想一想下面这个事实就够了.在常温下,气体的原子以每小时1600公里的速度运动着,而在3K的温度下则是以每小时1米的速度运动着,而在20nK（2×10-8K）的情况下,原子运动的速度就慢得难以测量了.在20nK下还可以发现物质呈现的新状态,这在70年前就被爱因斯坦和印度物理学家玻色（1894～1974）预见了.
事实上,在这样的非常温度下,物质呈现的既液体状态,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.计量上的零点有时是可以任意选取的,例如,经度零度是任意确
定的.温度的零点也是一样.在摄氏温标中,将冰的熔点取作零碎度；
而在华氏温标中,零碎度则处于冰的熔点以下.这两种温标中,温度
都可以低于零度.将近18世纪末的时候,人们开始觉得热是无尽头的,
但冷似乎是有极限的.既然冷有尽头,那么,这个尽头就是一种不可
超越的“零度”,于是,开尔文引进了开氏温标.开氏温标中的零度
是不可超越的,因而叫做“绝对零度”.这是“绝对”二字的一种物
理涵义.
1787年,法国物理学家查理发现,理想气体每冷却1摄氏度,其
体积就缩小它处于0℃时体积的1/273,这就是著名的查理定律.如
果理想气体被冷却的过程一直继续下去,那么它的温度降到-273℃时,
气体的体积岂非缩小到“零”了?在物理上,体积为零意味着气体完
全消失了,这当然是不会发生的.这是“绝对”的第二种涵义.实际
情况是,当气体冷却到一定温度后它总是先变为液体,然后又在更低
的温度下变为固体.
英国物理学家开尔文把温度作为物质分子运动速度的一种表述方
式,物质越冷其分子运动就越慢,分子运动中最最慢的就是完全不运
的分子,因此也不会有比它更低的温度.于是-273℃这个温度便是
一种真正的零度.这就是绝对零度“绝对”的第三层涵义.
绝对零度绝对零度表示那样一种温度,在此温度下,构成物质的所有分子和原子均停止运动.所谓运动,系指所有空间、机械、分子以及振动等运动．还包括某些形式的电子运动,然而它并不包括量子力学概念中的“零点运动”.除非瓦解运动粒子的集聚系统,否则就不能停止这种运动.从这一定义的性质来看,绝对零度是不可能在任何实验中达到的,但已达到绝对零度以上百万分之一度内的低温.所有这些在物质内部发生的分子和原子运动统称为“热运动”,这些运动是肉眼看不见的,但是我们会看到,它们决定了物质的大部分与温度有关的性质.正如一条直线仅由两点连成的一样,一种温标是由两个固定的且可重复的温度来定义的.最初,在一标准大气压(760毫米水银柱,或760托)时,摄氏温标是定冰之熔点为0℃和水之沸点为100℃,绝对温标是定绝对零度为oK和冰之熔点为273K,这样,就等于有三个固定点而导致温度的不一致,因为科学家希望这两种温标的度数大小朝等,所以,每当进行关于这三点的相互关系的准确实验时,总是将其中一点的数值改变达百分之一度.现在,除了绝对零度外,仅有一固定点获得国际承认,那就是水的“三相点”.1948年确定为273.16K,即绝对零度以上273．16度.当蒸气压等于一大气压时,水的正常冰点略低,为273．15K(＝o℃＝320°F),水的正常沸点为373.15K(＝100℃＝212°F).这些以摄氏温标表示的固定点和其他一些次要的测温参考点(即所谓的国际实用温标)的实际值,以及在实验室中为准确地获得这些值的度量方法,均由国际权度委员会定期公布.
绝对零度就是-273.16摄氏度.
这是现今技术所能测得的最低温度,但是在地球上还制造不出来,只有在冥王星由于距离太阳太远,才拥有这种温度.
在这种温度下,只存在固体.生命和思想都不能运行.
这是八年级物理第一册中的第三章的问题
绝对零度绝对零度表示那样一种温度,在此温度下,构成物质的所有分子和原子均停止运动.所谓运动,系指所有空间、机械、分子以及振动等运动．还包括某些形式的电子运动,然而它并不包括量子力学概念中的“零点运动”.除非瓦解运动粒子的集聚系统,否则就不能停止这种运动.从这一定义的性质来看,绝对零度是不可能在任何实验中达到的,但已达到绝对零度以上百万分之一度内的低温.所有这些在物质内部发生的分子和原子运动统称为“热运动”,这些运动是肉眼看不见的,但是我们会看到,它们决定了物质的大部分与温度有关的性质.正如一条直线仅由两点连成的一样,一种温标是由两个固定的且可重复的温度来定义的.最初,在一标准大气压(760毫米水银柱,或760托)时,摄氏温标是定冰之熔点为0℃和水之沸点为100℃,绝对温标是定绝对零度为oK和冰之熔点为273K,这样,就等于有三个固定点而导致温度的不一致,因为科学家希望这两种温标的度数大小朝等,所以,每当进行关于这三点的相互关系的准确实验时,总是将其中一点的数值改变达百分之一度.现在,除了绝对零度外,仅有一固定点获得国际承认,那就是水的“三相点”.1948年确定为273.16K,即绝对零度以上273．16度.当蒸气压等于一大气压时,水的正常冰点略低,为273．15K(＝o℃＝320°F),水的正常沸点为373.15K(＝100℃＝212°F).这些以摄氏温标表示的固定点和其他一些次要的测温参考点(即所谓的国际实用温标)的实际值,以及在实验室中为准确地获得这些值的度量方法,均由国际权度委员会定期公布.
1848年,英国科学家威廉·汽姆逊·开尔文勋爵（1824～1907）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,相当于摄氏零下273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再加273即可.那时,人们认为温度永远不会接近于0K,但今天,科学家却已经非常接近这一极限了.
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动动：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.
按照这种温标测量温度,绝对温度零度（0K）相当于摄氏零下273.15度（-273.15℃）被称为“绝对零度”,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,并且从理论上讲,气体的体积应当是零.由此,人们就会明白为什么温度不可能降到这个标度之下,为什么事实上甚至也不可能达到这个标度,而只能接近它.
自然界最冷的地方不是冬季的南极,而是在星际空间的深处,那里的温度是绝对温度3度（3K）,即只比绝对零度高3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.
在实验室中人们可以做得更好,能进一步地接近于绝对零度,从上个世纪开始,人们就已经制成了能达到3K的制冷系统,并且在10多年前,在实验室里达到的最低温度已是绝对零度之上1／4度了,后来在1995年,科罗拉多大学和美国国家标准研究所的两位物理学家爱里克·科内尔和卡尔威曼成功地使一些铷原子达到了令人难以置信的温度,即达到了绝对零度之上的十亿分之二十度（2×10-8K）.他们利用激光束和“磁陷阱”系统使原子的运动变慢,我们由此可以看到,热度实际上就是物质的原子运动.非常低的温度是可以达不到的,而且还要以寻求“阻止”每一单个原子运动,就像打台球一样,要使一个球停住就要用另一个球去打它.这了弄明白这个道理,只要想一想下面这个事实就够了.在常温下,气体的原子以每小时1600公里的速度运动着,而在3K的温度下则是以每小时1米的速度运动着,而在20nK（2×10-8K）的情况下,原子运动的速度就慢得难以测量了.在20nK下还可以发现物质呈现的新状态,这在70年前就被爱因斯坦和印度物理学家玻色（1894～1974）预见了.
事实上,在这样的非常温度下,物质呈现的既液体状态,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.
绝对零度绝对零度表示那样一种温度,在此温度下,构成物质的所有分子和原子均停止运动.所谓运动,系指所有空间、机械、分子以及振动等运动．还包括某些形式的电子运动,然而它并不包括量子力学概念中的“零点运动”.除非瓦解运动粒子的集聚系统,否则就不能停止这种运动.从这一定义的性质来看,绝对零度是不可能在任何实验中达到的,但已达到绝对零度以上百万分之一度内的低温.所有这些在物质内部发生的分子和原子运动统称为“热运动”,这些运动是肉眼看不见的,但是我们会看到,它们决定了物质的大部分与温度有关的性质.正如一条直线仅由两点连成的一样,一种温标是由两个固定的且可重复的温度来定义的.最初,在一标准大气压(760毫米水银柱,或760托)时,摄氏温标是定冰之熔点为0℃和水之沸点为100℃,绝对温标是定绝对零度为oK和冰之熔点为273K,这样,就等于有三个固定点而导致温度的不一致,因为科学家希望这两种温标的度数大小朝等,所以,每当进行关于这三点的相互关系的准确实验时,总是将其中一点的数值改变达百分之一度.现在,除了绝对零度外,仅有一固定点获得国际承认,那就是水的“三相点”.1948年确定为273.16K,即绝对零度以上273．16度.当蒸气压等于一大气压时,水的正常冰点略低,为273．15K(＝o℃＝320°F),水的正常沸点为373.15K(＝100℃＝212°F).这些以摄氏温标表示的固定点和其他一些次要的测温参考点(即所谓的国际实用温标)的实际值,以及在实验室中为准确地获得这些值的度量方法,均由国际权度委员会定期公布.
1848年,英国科学家威廉·汽姆逊·开尔文勋爵（1824～1907）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,相当于摄氏零下273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.那时,人们认为温度永远不会接近于0K,但今天,科学家却已经非常接近这一极限了.
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动动：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.
按照这种温标测量温度,绝对温度零度（0K）相当于摄氏零下273.15度（-273.15℃）被称为“绝对零度”,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,并且从理论上讲,气体的体积应当是零.由此,人们就会明白为什么温度不可能降到这个标度之下,为什么事实上甚至也不可能达到这个标度,而只能接近它.
自然界最冷的地方不是冬季的南极,而是在星际空间的深处,那里的温度是绝对温度3度（3K）,即只比绝对零度高3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.
在实验室中人们可以做得更好,能进一步地接近于绝对零度,从上个世纪开始,人们就已经制成了能达到3K的制冷系统,并且在10多年前,在实验室里达到的最低温度已是绝对零度之上1／4度了,后来在1995年,科罗拉多大学和美国国家标准研究所的两位物理学家爱里克·科内尔和卡尔威曼成功地使一些铷原子达到了令人难以置信的温度,即达到了绝对零度之上的十亿分之二十度（2×10-8K）.他们利用激光束和“磁陷阱”系统使原子的运动变慢,我们由此可以看到,热度实际上就是物质的原子运动.非常低的温度是可以达不到的,而且还要以寻求“阻止”每一单个原子运动,就像打台球一样,要使一个球停住就要用另一个球去打它.这了弄明白这个道理,只要想一想下面这个事实就够了.在常温下,气体的原子以每小时1600公里的速度运动着,而在3K的温度下则是以每小时1米的速度运动着,而在20nK（2×10-8K）的情况下,原子运动的速度就慢得难以测量了.在20nK下还可以发现物质呈现的新状态,这在70年前就被爱因斯坦和印度物理学家玻色（1894～1974）预见了.
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.：