要说
“土法制冷”
那第一反应就是非洲那些小哥用泥土制造的“土冰箱”了。
不过此土法非彼土法,咱们今天要说的“土法制冷”实际上是科学家们对
绝对零度的挑战
。
那么用这个方法挑战成功了吗?很遗憾,并没有成功,而且在
宇宙
中永远不可能实现。
绝对零度是个什么概念?为何绝对零度是我们无法触及的“禁区”?把
“土法制冷”
的方法用到极致后的结果是什么?科学家为了挑战
绝对零度
还做了什么?
就像一个数学问题的提出,有时候需要几百年才能得到验证。
绝对零度
的概念同样让一众科学家纷纷向其发起挑战
。今天我们就来了解一下科学家们挑战绝对零度的过程,看他们如何创造出科学界最经典的大力出奇迹,
将“土法制冷”用到极致的呢?
普朗克温度和绝对零度的概念
在说绝对零度之前,我们首先要知道
宇宙中的温度是什么
。温度对于我们来说就是身体对这个世界十分直观的感知,
温度高了会热,温度低了会冷。
一旦有了这个认知后,人们也就对宇宙中的温度产生了疑问。人们在探索世界的时候,就喜欢从“最”开始,于是科学家就开始研究,
宇宙
中的最高温度和最低温度是多少。
而从微观上讲,
温度
是物体粒子热运动的剧烈程度
。也就是说当粒子的运动达到最大速度时,这时的温度就是宇宙中的最高温度。在
量子力学
中,科学家将
普朗克
单位作为一个基础极限的单位。
普朗克温度就是温度的基础上限,通过计算,我们得出的
宇宙最高温度
大概就是1.4亿亿亿亿℃。
而在宇宙大爆炸理论中,在宇宙爆炸的那一瞬间就达到过
普朗克温度。
关于普朗克温度的概念咱们就先点到为止,接下来说的才是今天的重点,
也就是温度的最低极限,绝对零度
。
绝对零度概念的提出
我们现在知道的关于
绝对零度
的概念,就是当粒子不再进行热运动时,就可以达到绝对零度,也就是0K,用摄氏度表示就是-273.15℃,
用华氏度来表示就是-458.67℉。
最开始引出对绝对零度探讨的,是
法国物理学家纪尧姆·阿蒙顿
。他在1702年提出低温是否有极限的问题。最开始阿蒙顿研究的是摩擦力,
后来他又发现气体中的
温度和气压
存在某种关系。
于是经过实验,得出
温度与气压的关系成正比
,当时做的实验就是将装有空气和水银的温度计放到水里,由此来观察温度的变化。根据温度计上的刻度显示,
当水结冰时为51,当水沸腾时为73。
我们将其与现在的温度进行换算,可以发现
阿蒙顿使用的温度计的刻度单位为4.55℃
。阿蒙顿得出的结论是,当空气的体积与相应压力为零时,也就是达到
温度计上的刻度0时,
就不能再继续冷却。
于是我们可以根据其刻度单位,计算出
阿蒙顿得出的最低温度是
-232.05℃
。
不过这还没有达到我们现在概念上的最低温度。随后的几十年里,又有很大一部分
科学家
钻进了研究最低温度的洞里。
时间来到1785年,
法国物理学家雅克·查尔斯
通过实验发现体积恒定下,
当温度已经达到0℃时,每下降1℃,
压强就会降低1/237。当压强降低为零时,
得到的最低温度就是
-237℃。
而正式定义绝对零度的是
英国物理学家威廉·汤姆森
,他在19世纪时对前人的结论进行总结。将
绝对零度
的状态解释为,粒子的运动完全停止,
其内能也就降至为零。
他还在1848年建立了一个不依赖任何单一材料性质的热力学温度标度,也就是现在的
绝对温标
。由于后面威廉晋升为开尔文公爵,于是在1892年时,
这个标尺也就成了现在的
开尔文标尺
,单位为K。
绝对零度在宇宙中不可能实现
为什么说
绝对零度
是我们无法触及的“禁区”呢?
我们知道,当粒子不再进行热运动时,它的动能也就不存在了,不过其势能仍然存在,而内能并不会直接降至为零,
而是趋近于零,达到最小值。
由于
宇宙中的一切物质都由
基础粒子构成
,所以除非宇宙直接变成不包含任何物质的真空状态,否则就不可能达到绝对零度,而只能无限趋近于
绝对零度。
即便是宇宙中最冷的地方,
回力棒星云
的温度也有1K
,也就是-270.35℃,仍然要比绝对零度高几摄氏度,不过已经十分接近绝对零度了。
科学家用“土法制冷”挑战绝对零度
其实有很多科学家在最低温度的问题提出来后,就一直致力于达到绝对零度,
尽管当时的概念还没有很清晰。
最开始科学家们局限于在气体状态下寻找绝对零度,但结果可想而知。直到1845年,
迈克尔·法拉第
用初级压缩和冰浴的方法,获得了几种液态气体,
最低温度达到-130℃。
其实这也算一次偶然的发现,当时
法拉第
用水合氯醛的方式制作出了
液态氯
。结果他把液态氯放到密封的试管后,
突然发生爆炸,然后液态氯就瞬间变成了气态。
于是法拉第就想到,那是不是气态的氯也会在压力下转化为液态呢?随后为了证明这个观点,
他就进行了一系列实验。
结果他确实获得了很多气体的液态形式,但是有几种气体他却拿它们没有办法,
氧气、氮气、氢气被法拉第认为是无法被压缩成液态的
“永久气体”
。
于是后来的科学家就开始对这几种气体进行钻研和实验。先是法国科学家路易斯·保罗·卡耶泰用
焦耳-汤姆孙效应
(气体在节流过程中,温度会随压强的变化而变化),
获得了-183℃的液氧和-196℃的液氮。
那么接下来就是攻克液氢了,
当时苏格兰物理学家
詹姆斯·杜瓦
就成功解决了这个难题。
之前获得
液氧和液氮
用到的主要是一种“阶式液化的方式,就是先获得一种比较容易获得的液态气体,然后再用这个气体,通过增加压力的方式给另外一种气体降温,从而达到第二种气体的液态。
而杜瓦当然也想用这种“土方法”,但是
液态的沸点低至-252.78℃
,显然当时的设备没有办法做到。于是在这样的境况下,杜瓦只能想办法发明一种新的设备。
咱就是说,这种看似无法完成的挑战,只要心中足够坚定,
或许就真能像杜瓦一样“大力出奇迹”。
他成功制造出新的设备,并通过
“阶式液化”
将氯甲烷、乙烯、氧气和氢气进行多级串联,
最后得到20cm3的液氢,温度低至-205℃。
随后又将这些液氢放到膨胀管中,使其温度又降至-252℃。
不过氢气并不是最难翻越的那座高山,因为在它之后,
还有一种叫做氦气的
惰性气体
。
于是荷兰科学家昂内斯就“捡了个漏”,在1908年,他直接用杜瓦的装置,然后花了一笔资金建立了一个液氢工厂,
最后得到
温度低至-268.95℃的液氦
。
后来他还在实验中发现,当温度降至最低时,
汞和铅的电阻会消失
,还有一些其他物质同样会在低温下失去热运动,
使得电阻无限接近于0,于是就有了现在熟知的
超导现象
。
这一发现还让他在1913年获得了
诺贝尔物理学奖
。
不得不说,科学家们的意志力是真的好啊。一百多年的时间,经过重重磨难,终于从最初的概念到最后的
“土法制冷”
实践,从气体到液态气体,
从法拉第的-130℃到昂内斯的-268.95℃。
不够关于绝对零度的挑战并没有结束,如今科学家已经通过
激光冷却和蒸发冷却的方式达到了0.5K
,这一结果已经十分接近绝对零度了。
而且科学家还通过
钾原子超冷量子气体
证明了磁场系统中的负绝对零度,
其数值不过-1/1,000,000,000K。
但这已经在一定程度上,打破了无法触摸绝对零度的可能。
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