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  • 1 # 郭仔修車

    實際上地球大氣的溫度受許多因素的影響,不僅僅是海拔。

    標準大氣模型中溫度、密度與高度的關係

    從NRLMSISE-00 標準大氣模型中我們可以看出,在距離地面大約50千米和110千米的高空,空氣的溫度與地面接近,並不只是越往高處越冷。恰恰相反,在110千米以上的高空,越往上越熱,在距離地面500~1000千米的高度,這裡的氣溫竟然高達1500℃,因此這裡被稱為地球大氣的熱層。這是空氣粒子被強烈太陽輻射加熱造成的,由於在這個高度大氣極其稀薄,隔著很遠距離才有一個高能量的空氣粒子,所以我們在這個高度上並不會感覺到有多麼熱,出艙工作的宇航員們也不至於被烤焦。

    在400千米高空的宇航員

    所有在國際空間站出艙工作的宇航員都會有一個共同的感受,那就是“冰火兩重天”:他受到太陽照射的那一面溫度高達121℃,而背陰面卻低至-233℃。受益於艙外航天服優異的隔熱和內部熱迴圈系統,否則沒有人能夠在350多度的溫差下生存,更不用說還要進行長時間高強度的工作了。

    宇航員維修太空站受損的太陽能電池

    太空中的溫度是多少?

    這是一個有趣的問題,它涉及溫度的本質。事實上,在宇宙的真空裡並沒有溫度,但如果你在那放一個溫度計,就一定能測到溫度。為什麼會這樣?

    我們先來看一看物理課本里對於溫度的定義:“ 溫度是表示物體冷熱程度的物理量,微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。”

    一個蛋白質分子片段的振動與溫度相關

    嚴格地說,溫度是表示可探測物質冷熱程度的物理量,微觀上來講溫度是由可探測物質粒子微觀運動所引起的,這種微觀運動的劇烈程度決定了物質溫度的高低。

    由此可見,溫度與物質分不開,真空中沒有物質,自然就不存在溫度。但我們已知在真空中並非完全不存在物質,科學家們判斷宇宙中物質總量的85%是暗物質,它們有可能填充著那些被定義為“真空”的區域,這些暗物質目前無法被探測到,我們無法測量它的溫度。所以目前對於溫度的定義僅限於可探測的物質,如果某一個區域空間中沒有這些物質,我們就說這裡沒有溫度。

    溫度計

    在宇宙的真空中或許沒有可探測的物質,但宇宙中無處不存在著輻射和波,無數的光子在空間中穿行,當它們遇到物質時,會撞擊物質,從而改變物質的運動方式,使其能量發生改變。因此當我們將一個溫度計放到真空中時,光子會轟擊並將能量傳遞給它,使它的溫度升高。

    絕對零度不等於沒有溫度

    科學家們認為絕對零度是宇宙中的最低溫度,但絕對零度僅存在於理論上,宇宙中並沒有發現溫度為絕對零度的物質。

    什麼是絕對零度?

    絕對零度通常標記為0開爾文(0 K=-273.15℃),它是理論上熱力學的最低溫度,在這個溫度下,物質的動能和勢能為0,它的內能也為0。事實上這樣的物質並不存在,因為所有的物質都由原子構成,電子圍繞著原子核運轉,任何物質必然存有能量和熱量,也不斷進行相互轉換而不消失,因此原子的內能不為0。根據經典熱力學理論,絕對零度是不可能達到的最低溫度,自然界的溫度只能無限逼近0K,而不會等於0K。

    0開爾文(−273.15°C)被定義為絕對零度

    既然沒有物質能達到絕對零度,那麼0開爾文(-273.15℃)是如何得出來的呢?事實上,人們透過實驗只能得到4.5×10⁻¹⁰K這個非常接近0 K的低溫數值。絕對零度是透過“理想氣體狀態方程”推算得出的。

    以三種不同氣體樣品的壓力與溫度的關係曲線推斷出絕對零度

    為了使溫度的定義便於理解,我儘量少提及熱力學的一個重要概念“熵”。在統計力學中,熵是一個熱力學系統的廣泛性質。你只需要知道當一個系統溫度接近絕對零度時,幾乎所有分子運動都停止並且ΔS = 0 ,其中S就是熵。這意味著系統處於熱平衡狀態,傳熱停止,並且物體的各個狀態變數已經穩定下來,不再變化。

    溫度的極限在哪裡?

    透過前面的分析,你大概已經知道了物質溫度是有極限的,目前已知的最低溫度下限就是絕對零度。我們可以製作儘量接近0K這個絕對零度的超冷原子,比-273.15℃更低的溫度是否存在?未來也許會有,這意味著突破現有的物理學理論。

    高溫有沒有極限呢?也有。與絕對零度相對應,“絕對熱”是熱力學中最高溫度標量的上限,目前這個最高溫度被稱為普朗克溫度。

    普朗克溫度的值約為1.417×10³²開爾文,也就是億億億億度的樣子。

    最高的溫度產生於宇宙大爆炸的一瞬間

    普朗克認為如此高的溫度只有在宇宙大爆炸發生時才會存在,在“奇點”發生爆炸的5.39×10⁻⁴⁴秒(一個普朗克時間)內,如此高的溫度使粒子的能量變得極其巨大,熵膨脹產生了宇宙,所以它是不可複製的。我們不能透過人為的辦法達到這一溫度,即便未來人類能做到,也要小心為之,天知道會不會炸出一個新宇宙來呢?

    總結:溫度的實質是什麼?

    溫度實質上就是衡量宇宙中可觀測物質粒子熱運動的一個標量。

    溫度是物質的,沒有物質就不存在溫度。真空中沒有可觀測的物質,因此真空沒有溫度。人們知道宇宙中存在大量暗物質和暗能量,由於我們無法觀測它們,因此暗物質沒有溫度。

    迴旋鏢星雲物質的最低溫度僅有1K

    絕對零度並不是沒有溫度。絕對零度是指物質粒子不再熱運動,它的內能為0,其系統的熵等於0。從物理學的角度認為宇宙中並不存在絕對零度的物體,人們在宇宙中探測到迴旋鏢星雲的最低溫度為1開爾文,而在實驗室裡人們可以得到十億分之一開爾文的極低溫度,卻始終無法得到真正0K的物體,這是因為一切物質都處於運動之中,因此一切物質也自然擁有溫度。

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