帶你了解我們身邊的科學
——溫度

金敖然

(南寧市第三中學)

隨著季節的更替,我們在戶外可以明顯感受到天氣轉暖或寒流來襲。其實這種冷與熱只是一種感知,那么用什么來描述到底有多冷,有多熱呢?是的,就是用溫度的高低。既然這樣,那宇宙中最冷有多冷?最熱有多熱?宇宙的極限溫度是多少?物質又為什么會發生“熱脹冷縮”?高中人教版化學教材里講的熱力學溫度“開爾文”又是怎么來的呢?要想回答這些問題,我們就要從溫度的本質說起。

一、溫度的本質

溫度(temperature)是描述物質冷熱的物理量。在化學中溫度可以影響化學反應速率,影響可逆反應進行的方向,另外溫度的高低還會影響物質存在的狀態和體積大小。那么物質的溫度是怎么產生的呢?從微觀角度而言,物質所體現出的溫度實際上是其分子熱運動的外在表現。溫度高低是分子平均動能的大小,也就是說,分子熱運動越劇烈,宏觀物質的溫度就越高。

舉個例子說明一下,太陽表面的溫度大概 5 700℃,炎熱的夏季陽光照射到地球,氣溫最高可以達到40℃左右,然而地球周圍的太空溫度卻出奇得低,在零下200℃以下。同樣的陽光經過太空照射到地球,溫度怎么差別那么大?其原因就是太空環境幾乎是真空的,沒有了物質,就沒有了分子熱運動,自然就體現不出來溫度了。

二、宇宙的最低溫度與最高溫度

下面我們探討一下宇宙中的極限溫度,即溫度的上下限。

知道了最低溫度。那么宇宙的最高溫度是多少呢?

有人說太陽的核心溫度是1 500萬攝氏度,地球上任何物質都承受不起這樣的溫度,這應該是最高溫度了。但是我國成功完成了“人造太陽”的建造,其核心溫度最高達2億攝氏度呢,這還不算什么,經過計算,超新星爆發會在一瞬間產生巨大的熱能,溫度能夠達到1 500億攝氏度,這幾乎超出了人類的認知,應該是宇宙里最高的溫度了吧,其實還遠不止如此。

那么,宇宙的上限溫度到底是多少?要想探討這個問題,我們還要從愛因斯坦的質能方程E=mc2開始,愛因斯坦告訴我們質量和能量是可以相互轉化的,從而我們可以大膽推測,如果我們把整個宇宙的物質和能量匯聚在一起,形成一個質點,那么這個質點的溫度就該是宇宙的上限溫度了,這便是宇宙形成的開始。經過科學家精密計算,宇宙大爆炸的瞬間可以產生大約為1.417×1032開爾文的溫度,這個溫度存在的時間很短,只存在了一個普朗克時間(5.4×10-44s),然后宇宙大爆炸的下一時刻這個質點就開始向外拋射大量的物質和能量并迅速降溫,那么這個溫度就是宇宙的上限溫度了,也叫“普朗克溫度”,即1.4×1032K。

通過前面的討論,我們了解了絕對零度是宇宙的最低溫度,根據熱力學第三定律,它只是一個理論值,無法達到。宇宙的最高溫度則是普朗克溫度,它產生于宇宙大爆炸那個瞬間,未來再也不會出現如此高的溫度了。

三、物質為什么會發生“熱脹冷縮”

我們還是要從微觀角度來解釋這個問題。首先,物質在一定條件下,其分子之間存在一個平均距離r0,無論分子之間的距離大于還是小于這個平均距離r0,其勢能都是要增加的,變得不穩定。即當分子靠近時,分子之間表現出排斥力,距離越近這種斥力就越大,當分子彼此遠離時,分子間又會體現出吸引力,使分子相互靠近,因此分子間距總維持在這個平均距離r0,如圖1所示,所以宏觀上物質存在一個不變的體積。當溫度升高時,分子平均動能增大,分子振動的幅度會增大,分子之間的平均距離r0也隨之增大,以適應更大的振動,宏觀上物質的體積就會變大。另外,從分子的角度看,溫度升高,分子的能量增大,那么其擺脫分子間作用力的能力也就強,分子間的平均距離自然就會被拉大,宏觀上就表現為體積增大,就是熱脹。反之,就是冷縮了。

圖1

然而自然界中也存在著一些冷脹熱縮的特例,這種典型的代表就是水。水在由0℃上升到4℃的過程中,隨著溫度的升高,呈現出“冷脹熱縮”的現象,稱為反常膨脹。人教版2019教材高中化學《選擇性必修2》用氫鍵、締合水分子理論給予了很好的解釋。冰晶體中每個水分子通過氫鍵與周圍的四個水分子接觸,形成內部空隙很大的籠狀微觀結構如圖2,這種結構降低了空間利用率,故宏觀上冰的密度小于水。當溫度升高,冰開始融化成水,水分子間的氫鍵也開始減少,之前的籠狀結構也開始“坍塌”,空隙變小,空間利用率升高,故宏觀上體積“縮小”了。所以在0℃到4℃的范圍,水出現“冷脹熱縮”的現象。大家不妨假想一下,如果水沒有了這樣的性質,那么地球上的生態系統會面臨什么樣的問題呢?

圖2

四、溫度的幾種表示方法

最早提出用來表示溫度的物理量是“華氏溫標”,它是在1714年,由德國人華倫海特創立的。具體講,它是以水銀作為溫度測量儀器,把一個標準大氣壓下,水的冰點定為32度,沸點定為212度,中間分為180個刻度,每個刻度一華氏以℉表示。它是英美等國普遍使用的溫標,與我們熟悉的攝氏度之間有如下換算關系:華氏溫度=32℉+攝氏度×1.8,如室溫25℃就相當于華氏溫度77℉。后來更為普遍使用的溫標——攝氏度出現了。它是在1742年由瑞典天文學家安德斯·攝爾修斯提出的,經過不斷改進最終確定,以水銀為測量儀器,把一個標準大氣壓下,純凈的冰水混合物的溫度定為0℃,水的沸點定為100℃,然后在中間分成100份,每份1攝氏度,它的單位記作℃。攝氏度是使用最為廣泛的溫標。最后說下開氏溫度,就是我們之前教科書提到過的溫標,大家之前不熟悉,因為它主要用于熱力學中,生活中不常見,有點“曲高和寡”。它是在1848年由英國物理學家開爾文建立的,與其他表示方法不同,開氏溫度不再用“水”作為度量參考,它是以絕對零度為起點,即以-273.15℃為 0 K,為換句話說,該溫標與任何物理性質無關,也稱為“絕對溫標”“國際溫標”或“開氏溫標”,以符號“T”來表示,單位“K”,讀作“開爾文”,簡稱“開”。我們熟悉的理想氣體狀態方程pV=nRT,這里使用的溫度就是開氏溫度。它與我們熟悉的攝氏度之間有如下換算關系:開氏溫度的數值是攝氏溫度的數值加上273.15后得到的,如0℃就是273.15 K。