1.4亿亿亿亿℃是个什么概念?你对温度和热的理解可能有偏差

世界之最 军事之最 2024-01-10 02:56:58
  1.4亿亿亿亿℃是个什么概念?你对温度和热的理解可能有偏差
  人类如何感知温度?温度高我们感觉到热,温度低我们称之为冷。
  冷热体验使我们能够直观地感受温度的变化,但究竟什么是冷,什么才能称作热?
  别看只是这么简单的问题,你对温度和热的理解可能有偏差。
  图片人体感知冷和热
  我们现在也许知道了理论最低温度是零下273.15摄氏度,不过你知道理论上最热温度在哪儿吗?
  1.4亿亿亿亿摄氏度是当前最高的理论热度,这是什么概念?温度真的能够达到这么高吗?这样高温的状态下物质会出现怎样的变化?温度和热量应该如何去理解?
  文章接下来将会从温度热量和热力学定律这两个方面来进行解答,这也许会刷新你对温度的理解。
  图片炙热的岩浆
  什么是温度和热量?
  相信前面提到的高温一定令人印象深刻,1.4亿亿亿亿摄氏度,这个几乎不可能的温度确实是仅仅存在于理论之中。
  这个温度是通过计算物体散发热量的辐射波长而得到,温度足够高的物体所辐射出来的波长会小于普朗克长度并因此丧失物理意义。
  图片电磁波的不同波长
  这个温度上限在现今的理论框架上正是1.4亿亿亿亿摄氏度,在这个温度下,即便是量子力学和广义相对论都会失效。
  空间和时间将会崩塌,所有粒子全部消失,而四大基本力会统一为一个。
  但首先我们要明白,什么是温度?
  一般从微观理解下,温度是物体分子热运动的剧烈程度,而温度只能通过物体的温度变化带来的某些特性进行间接测量。
  图片时见空间的概念体
  如果从分子运动方面来讲,温度代表了物体分子运动平均动能的标志。它是大量分子热运动的直接且具体表现,对于个别分子而言,温度没有意义。
  简单来讲,一种材料如果在其相变温度附近,比如沸点,温度对其来讲没有意义。
  不过这种限制并没有阻碍人们用经验主义去进行量热,并且大多数时候的温度理解都是基于经验判断。
  图片分子运动
  那什么又是热呢,或者说什么是热量?热量在热力学中被解释为,物体通过热力学做功或物质转移以外的机制,传入或传出热力学系统的能量。
  当物质系统状态的改变来源于热力学平衡条件的破坏,也就是所谓的系统与外界间存在的热学相互作用。这种作用的结果就是能量从高温物体导向低温物体,这期间传递的能量被称为热量。
  图片热学相互作用
  所以,现在我们在大致上应该明白了热量和温度的关系,以及这之间的变化是怎样的。
  当年研究热学和温度的科学家也一样,当他们大致明白这里面的过程怎样的形式表现后,新的问题便产生了。
  热量在交换的过程中都是热传递冷,而不是冷传递热,热的物体传递完能量后最终也冷了下来,温度最终趋于平稳。
  图片人类制造的冷却装置
  为什么会出现这样的情况?必须是这样的吗?热量在传递过程中的损失为何不可逆?
  如何理解温度和热量?
  说到这个问题,便是熵这一概念的产生。
  热力学中任何不可逆的热力循环都被称作熵,包括发电机、热机、冰箱、空调等等,熵这一概念描述了不可逆过程最终产生的结果。
  图片
  人类发明的空调
  热力变化以及温度影响的条件基于熵的构建,热力学定律的出现完整的揭示了这个世界运作的方式。
  热力学定律指出,热力学四定律描述了热平衡、能量守恒、熵增、绝对零度不可达这四种现象。
  这里发现的意义在哪里呢?
  图片热力学定律
  以绝对零度为例,这是理论下物质能够达到的最低温度,但为什么是理论下而不是实际有?
  因为在热力学温标的最低限度中,一种理想气体的焓和熵达到了最小值,这个最小值取零开尔文。
  但它并不能在实际状态中达到,因为所有真实物质在冷却时会开始偏离理想气体的假定。
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  热力学之父——开尔文勋爵威廉·汤姆森
  无论什么物质,这种变化下会有液态、固态、气态的三相改变。
  这种偏离使得物质不可能达到绝对零度,根据量子力学的描述,达到绝对零度的物质处于基态,即最低内能点。
  但绝对零系统仍具有量子力学的零点能量,其基态的能量绝对为零,基态的动能无法去除。
  简单地讲,就是物质无论如何都不会完全损失能量,因其自身存在需要一个最低能量去维持,只有无限接近于零。
  图片固液气三态的转换
  另外,我们对于温度的感受和理解便可以用热力学第零定律和第二定律去解释。
  热力平衡和热量热传递是我们能够感受温度变化的物理依据,而在这之中的热量传递中,熵的无序增加带来的热能损失,使得物质在热量传递后,自身也会逐渐降低温度。
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  熵增、有序与无序
  被传递温度的物质,会由其自身的物理特性以及环境影响,在熵的作用下同样会不断地损失热能,从而恢复到其本身维持状态的所需要的温度。
  那么在热力学定律下,如何去理解温度变化和热量传递?
  图片
  地球的温度变化
  温度变化对世界的影响
  真实世界下,何为热量?
  热量传递的能量交换过程表现出了温度,基于对温度的理解和热量的体现,温度仅和物体辐射强度峰值对应的分子振动频率有关。
  换句话说,无论是热传导还是热辐射,热量传递是分子热运动频率高低传递变化的体现,并且频率达到相等后,温度相同。
  图片热辐射
  而这你也可以明白,为什么热量传递的过程中,即便是不同物质形态它们的温度可以达到一致,但是温度降低或者提升的变化却不尽相同。
  粗略地讲这是它们的分子结构和运动水平不一致,才会有各自的温度。
  因此这也解释了不同相态下,温度给人带来的感受也不一样,就分子热运动与分子环境来讲,气体分子的行程比液体大,液体比固体大。
  因而温度相等下,气体动能最大,其次为液体、固体。
  图片
  气体动能最大
  举个例子,金属摸上去第一时间会感到冰凉,绒料物品摸上去会觉得温暖。
  这便是分子在热量传递过程中的直接体现。
  热力学最奇妙的一点在于,物质的运动表现构建了如今有序的世界。
  现在你应该明白了温度变化和热量传递在世界中是如何进行的,那么我们便可以从另外一个角度来看物质这种热量传递带来的秩序性。
  图片摸起来冰冷的金属
  热力学第二定律揭示了热力平衡,也就是前面我们所举的例子。
  而这其中,世界充满各种各样的物质,它们都有各自不同的运动频率。
  频率高低互不相同的分子在电磁作用的交互影响下,频率逐渐趋于相同,带来的是一种平衡。
  因为热力学第三定律描述的熵,则恰好是物质在热量损失中存在,熵无序的混乱增加,最终停止运动。
  图片熵增
  回到文章最终的问题上来,这也是为什么当物质处于1.4亿亿亿亿摄氏度,所有的一切都不复存在的原因。
  不过很显然这个温度是不可能达到的,在现有的标准宇宙模型下,这个温度只存在于宇宙爆炸的那一瞬间。
  而在熵的影响下,宇宙温度只会趋于绝对零度。
  图片宇宙的温度会趋于绝对零度
  热量交互带来的温度变化是这个世界真实存在的直接证明,而这种变化才让人类有了时间的概念。
  过去和现在,温度的上升或下降,这揭示了世间的一切。
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