为什么分子运动剧烈时气体温度升高内能一定增加吗会很高?

大家都知道有绝对零度,那么存不存在绝对静止?

静止是相对的,运动才是绝对的!这是我们经常听到的一句话,简单的理解,我们宇宙中的所有物质大到恒星黑洞与星系,小到分子原子与电子,无一不在忙忙碌碌的运动中,那么物质想要保持静止可能吗?

运动和温度有关系吗?在宏观运动中,似乎有那么一些关系,比如高超音速的气动加热问题,一直都是高速运动物体所必须解决的问题,当然各有各的道,最终谁解决得好迟早会有人知道!

高超音速的气动激波加热是高温的主要来源,但这高温的本质却是物质分子热运动的加剧,使得电子从低轨道跃迁到高更高的轨道,跌落时释放出了辐射,而升到哪个能级又跌落,这很关键,这表示电子将会释放出哪种辐射!

当然电子所释放的最常见的辐射就是电磁波、热,光和X射线,当然热感的初期感觉就是红外波段到红色可见光阶段!

二、能让物质绝对静止吗?

上文说了,物质的温度取决于分子与原子的动能,根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布,温度越小,能量越低,当温度降低到量子力学中温度最低极点-绝对零度时物质的运动就绝对静止了!

看起来是一个靠谱的建议,从理论上来说,物质到达了绝对零度,热运动就静止了,比如电子不再跃迁,分子也不再扩散了,物质处在了绝对静止的状态!

绝对零度:是热力学的最低温度,但这只是理论上的下限值,即0K(273.15℃)

那么这个绝对零度能达到吗?从理论上来看并没有这个可能,因为我们的宇宙是从一团能量扩散开来的,这个能量不会消失,只能无限均分,简单的说宇宙空间内永远都不会到达能量=0的状态!

三、假如能到达绝对零度,物质真的能绝对静止?

到达了绝对零度的物质,热运动100%都已经静止了,但量子运动永远都不会停止,即海森堡不确定性原理永远都不会失效!

动量的位置和动量的时间永远都无法同时测定,简单的说,即使降到了绝对零度,微观世界仍然是运动的!

有,只要说有奇点,奇点绝对无空间也绝对无时间,连空间都无了你还能动吗?绝对O度把所有的粒子都冻僵了也就绝对不能动了也叫绝对静止,只要有了绝对说法那相对论就完蛋了。

但都是瞎猜的,天文理论是世界上最造假的行业。

温度是衡量物体冷热程度的物理量,微观上理解就是分子热运动的剧烈程度,分子运动学剧烈,温度就越高,反之就越低!

而绝对零度是理论上温度的最低值,也就是说理论上分析,绝对零度的环境下,分子停止了运动,意味着宇宙里不会有任何能量和热量,这样的宇宙是可能出现的,因为宇宙中的能量和热量只会相互转换不会消失!

绝对零度不可能达到,如果假设达到了,宇宙就会绝对静止吗?并不是这样的,为何这样说?

达到绝对领域与绝对静止没有必然联系,因为温度是分子原子的热运动,而在更微观的领域,比如说电子,由于量子世界的不确定性,电子是不可能停止运动的,它的不确定性一直存在,我们可能同时得知电子的位置和动能,这是量子力学的本质决定的,所以电子无论如何不可能静止!

也可以这样理解,宇宙里没有绝对的参照系,以前的绝对参照系以太已经被证明不存在,因为以太的存在会带来很多矛盾和麻烦,爱因斯坦的相对时空观彻底取代了牛顿的绝对时空观,也意味着没有绝对的静止,所谓的静止都是相对的!

地球是人类的家园,然而只有拥有太阳,地球才能供人类栖息。

地球的所有能量来源都靠太阳供给,哪怕是埋在地下的化石能源,也是依靠太阳才能变成我们使用的煤炭和石油,太阳表面温度高达6000℃,它的能量以光和热的形式传播给地球,即便人类现在拥有走出地球的能力,离开太阳之后也还是难以存活。

但是有一个现象却让人有些迷惑,受太阳照射的地球,地表温度最高可以达到70℃,太阳光射向地球以后,连地球都被晒热了,但太阳和地球之间的太空却依旧是寒冷的,是只有零下270℃的极寒。

既然太阳传播能量的过程中能把地球晒热,为何这之间的路程却依旧冰冷呢?

水星是距离太阳最近的行星,它正对着太阳的一面,温度可以高达428℃,但背对着太阳的黑暗面却能达到零下190℃,离太阳如此之近,温差还能这么大,这就必须要说到热量的传递和人类定义的温度了。

在常人看来,定义温度很简单,用温度计测量一下就可以了,但这并不是直接的测量方式,而是通过物体温度变化特征间接得出来的结果,比如测体温时最常用的水银,水银被加热后会发生规律的膨胀,通过膨胀带来的刻度上升,我们最终认为温度达到了某个数值。

实际上从分子运动论来看,温度只是物体分子运动平均动能的标志,是大量分子运动的集合表现,我们在测量温度时,实际上测量的是此时粒子热运动的状态,粒子运动越剧烈,温度就越高,反之亦然。

当太阳直射身上时我们会感到温暖,实际上这正是人体接受到了太阳光子的作用。

任何物体都由基本粒子组成,只不过每种粒子的运动程度不同,所以在地球上同一个地方的不同物质温度会不一样,比如地面的和大气接受同样多的太阳辐射热能后,地表温度会明显比大气高。

这是因为土壤和岩石的物质密度较大,而大气的密度较小,自然粒子的运动也不会太激烈。

了解了温度的真正含义,再来看看热量究竟是通过什么传播的,为什么真空无法加热呢?

也是最直接的方式就是热传导,一般而言是固体之间通过接触来发生热量传递。比如当你用手握一杯热水,手就会感到发热发烫,这就是热量的反向传递,即只要有温度差存在,热量就会在二者之间传递。

它主要发生在气体和液体这类流体之间,它们在移动时会携带流体本身分子运动的热量。比如烧水时,液体内部会温度不均匀,从而产生不同的温度和压强,这时就会引发液体的循环流动,从而让热量均匀传递在水中各个部分。

最后一种就是地球接收太阳能量的主要方式:热辐射。

它和前两种传递方式的主要区别在于,热辐射不需要中间介质。热传导需要固体接触,热对流需要携带热量的粒子接触,但热辐射不需要任何介质,它可以在真空中传播,并且几乎不会损失能量,而太阳主要通过可见光和红外线传递热量。

真空中没有粒子,而粒子运动是热量的来源,通过热辐射在真空中传播热量的太阳,自然也无法把粒子加热,不过既然如此,为何真空没有到达绝对零度呢?那些离太阳很远的星球上,是否存在绝对零度呢?

上面我们说到,温度的实质是粒子之间的热运动,绝对零度就意味着粒子的运动达到了0,处于完全的静止状态。

冥王星距离太阳非常远,科学家一度认为那里就是太阳系最寒冷的地方,绝对零度应该会在那里存在,但人类发射的探测器显示,冥王星表面不仅没有绝对零度,甚至比太空都要暖和,它的温度只有零下229℃。

原来虽然它离太阳已经够远了,但仍然处于太阳的能量体系内。即便接收到的能量非常少,但依然还是有的,只要接收到了热量,冥王星内部的粒子就会产生运动,从而无法达到绝对零度。

要想达到绝对零度,最起码要满足以下任意一个条件,其一是物质内部的粒子没有接收到任何热量,其二则是在这个空间中没有任何物质,没有物质也就没有粒子的热运动。

太空中虽然看上去空无一物,但还是有少量的尘埃物质,假如连尘埃都没有,是否会存在绝对零度的情况?

答案是否定的,因为在连尘埃都没有的空间里,还存在我们看不见的暗物质,现代科学认为,暗物质才是组成宇宙的主要部分。

或许在那看似空无一物的宇宙空间里,比绝对零度高出来的那些温度,正是暗物质内部的粒子飞舞贡献的。

绝对零度是物体的最低温度,那么温度是否有上限呢?如果有最高温度是多少呢?

温度不但有下限,实际上,温度也是有上限的,但这已经高到离谱,除了高能物理学家外一般没有人会谈论它。

最高的可能温度就是普朗克温度(Planck temperature),等于10^32K——开尔文K为热力学单位,与摄氏度的转换关系为:开氏度=摄氏度+273.15。

相比之下,太阳中心的温度为1500万K(1.5x10^7K);硅可在10亿K(10^9K)的温度下通过核聚变产生。

简而言之,普朗克温度是极端之高。

一些科学家相信我们或说至少是我们的宇宙已经经历过了普朗克温度,尽管这个瞬间你没有赶上。这发生在宇宙大爆炸之后的10^(-43)秒,这是一个极短的时间,宇宙也就此诞生。

绝对零度(零下273.15摄氏度)比普朗克温度更容易理解。在统计热力学中,热量是运动的一个函数,分子的运动产生了温度。分子运动越剧烈,则温度越高,反之亦然。那么,如果温度越低,分子运动则表现得越少。

当分子停止运动时,则就达到了绝对零度,即为0K或-273.15℃。当然分子不会完全停止运动,即绝对零度无法达到。

从前面我们已经说到,分子运动的速度越快,温度就越高。在10^10K时,电子的速度接近光速,但它们同时质量也变得更大(狭义相对论),所以它们的温度还能继续上升。

在达到10^32K时,如此惊人的密度获得了更高的温度,这会导致物质的每个粒子变成自己的黑洞,而我们平时所理解的空间和时间将会崩溃,因此普朗克温度是物质温度的上限,或者说至少是目前理论中可想像的最高温度。

不过,如果量子引力理论有所突破,那时我们就有可能会发现比普朗克温度更高的温度。

但坦率地说,这种前景令人心凉。

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