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科學(xué)史上,最經(jīng)典的大力出奇跡:通過(guò)“土法制冷”來(lái)挑戰(zhàn)絕對(duì)零度

 天選小丑 2022-04-18

要說(shuō)“土法制冷”那第一反應(yīng)就是非洲那些小哥用泥土制造的“土冰箱”了。不過(guò)此土法非彼土法,咱們今天要說(shuō)的“土法制冷”實(shí)際上是科學(xué)家們對(duì)絕對(duì)零度的挑戰(zhàn)。

非洲小哥制造“土冰箱”

那么用這個(gè)方法挑戰(zhàn)成功了嗎?很遺憾,并沒(méi)有成功,而且在宇宙中永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn)。

絕對(duì)零度是個(gè)什么概念?為何絕對(duì)零度是我們無(wú)法觸及的“禁區(qū)”?把“土法制冷”的方法用到極致后的結(jié)果是什么?科學(xué)家為了挑戰(zhàn)絕對(duì)零度還做了什么?

絕對(duì)零度:是熱力學(xué)的最低溫度

就像一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題的提出,有時(shí)候需要幾百年才能得到驗(yàn)證。絕對(duì)零度的概念同樣讓一眾科學(xué)家紛紛向其發(fā)起挑戰(zhàn)。今天我們就來(lái)了解一下科學(xué)家們挑戰(zhàn)絕對(duì)零度的過(guò)程,看他們?nèi)绾蝿?chuàng)造出科學(xué)界最經(jīng)典的大力出奇跡,將“土法制冷”用到極致的呢?

普朗克溫度和絕對(duì)零度的概念

在說(shuō)絕對(duì)零度之前,我們首先要知道宇宙中的溫度是什么。溫度對(duì)于我們來(lái)說(shuō)就是身體對(duì)這個(gè)世界十分直觀的感知,溫度高了會(huì)熱,溫度低了會(huì)冷。


浩瀚的宇宙

一旦有了這個(gè)認(rèn)知后,人們也就對(duì)宇宙中的溫度產(chǎn)生了疑問(wèn)。人們?cè)谔剿魇澜绲臅r(shí)候,就喜歡從“最”開(kāi)始,于是科學(xué)家就開(kāi)始研究,宇宙中的最高溫度和最低溫度是多少。

而從微觀上講,溫度是物體粒子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。也就是說(shuō)當(dāng)粒子的運(yùn)動(dòng)達(dá)到最大速度時(shí),這時(shí)的溫度就是宇宙中的最高溫度。在量子力學(xué)中,科學(xué)家將普朗克單位作為一個(gè)基礎(chǔ)極限的單位。

氣體、液體和固體中,粒子的狀態(tài)完全不同

普朗克溫度就是溫度的基礎(chǔ)上限,通過(guò)計(jì)算,我們得出的宇宙最高溫度大概就是1.4億億億億℃。而在宇宙大爆炸理論中,在宇宙爆炸的那一瞬間就達(dá)到過(guò)普朗克溫度。

關(guān)于普朗克溫度的概念咱們就先點(diǎn)到為止,接下來(lái)說(shuō)的才是今天的重點(diǎn),也就是溫度的最低極限,絕對(duì)零度。

宇宙最高溫度大概就是1.4億億億億℃
  • 絕對(duì)零度概念的提出

我們現(xiàn)在知道的關(guān)于絕對(duì)零度的概念,就是當(dāng)粒子不再進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)時(shí),就可以達(dá)到絕對(duì)零度,也就是0K,用攝氏度表示就是-273.15℃,用華氏度來(lái)表示就是-458.67℉。

最開(kāi)始引出對(duì)絕對(duì)零度探討的,是法國(guó)物理學(xué)家紀(jì)堯姆·阿蒙頓。他在1702年提出低溫是否有極限的問(wèn)題。最開(kāi)始阿蒙頓研究的是摩擦力,后來(lái)他又發(fā)現(xiàn)氣體中的溫度和氣壓存在某種關(guān)系。

水銀體溫計(jì)

于是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),得出溫度與氣壓的關(guān)系成正比,當(dāng)時(shí)做的實(shí)驗(yàn)就是將裝有空氣和水銀的溫度計(jì)放到水里,由此來(lái)觀察溫度的變化。根據(jù)溫度計(jì)上的刻度顯示,當(dāng)水結(jié)冰時(shí)為51,當(dāng)水沸騰時(shí)為73。

我們將其與現(xiàn)在的溫度進(jìn)行換算,可以發(fā)現(xiàn)阿蒙頓使用的溫度計(jì)的刻度單位為4.55℃。阿蒙頓得出的結(jié)論是,當(dāng)空氣的體積與相應(yīng)壓力為零時(shí),也就是達(dá)到溫度計(jì)上的刻度0時(shí),就不能再繼續(xù)冷卻。

溫度計(jì)

于是我們可以根據(jù)其刻度單位,計(jì)算出阿蒙頓得出的最低溫度是-232.05℃。不過(guò)這還沒(méi)有達(dá)到我們現(xiàn)在概念上的最低溫度。隨后的幾十年里,又有很大一部分科學(xué)家鉆進(jìn)了研究最低溫度的洞里。

時(shí)間來(lái)到1785年,法國(guó)物理學(xué)家雅克·查爾斯通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)體積恒定下,當(dāng)溫度已經(jīng)達(dá)到0℃時(shí),每下降1℃,壓強(qiáng)就會(huì)降低1/237。當(dāng)壓強(qiáng)降低為零時(shí),得到的最低溫度就是-237℃。


分子運(yùn)動(dòng)與溫度的關(guān)系

而正式定義絕對(duì)零度的是英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆森,他在19世紀(jì)時(shí)對(duì)前人的結(jié)論進(jìn)行總結(jié)。將絕對(duì)零度的狀態(tài)解釋為,粒子的運(yùn)動(dòng)完全停止,其內(nèi)能也就降至為零。

他還在1848年建立了一個(gè)不依賴(lài)任何單一材料性質(zhì)的熱力學(xué)溫度標(biāo)度,也就是現(xiàn)在的絕對(duì)溫標(biāo)。由于后面威廉晉升為開(kāi)爾文公爵,于是在1892年時(shí),這個(gè)標(biāo)尺也就成了現(xiàn)在的開(kāi)爾文標(biāo)尺,單位為K。

不同溫度尺度比較

絕對(duì)零度在宇宙中不可能實(shí)現(xiàn)

為什么說(shuō)絕對(duì)零度是我們無(wú)法觸及的“禁區(qū)”呢?我們知道,當(dāng)粒子不再進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)時(shí),它的動(dòng)能也就不存在了,不過(guò)其勢(shì)能仍然存在,而內(nèi)能并不會(huì)直接降至為零,而是趨近于零,達(dá)到最小值。

由于宇宙中的一切物質(zhì)都由基礎(chǔ)粒子構(gòu)成,所以除非宇宙直接變成不包含任何物質(zhì)的真空狀態(tài),否則就不可能達(dá)到絕對(duì)零度,而只能無(wú)限趨近于絕對(duì)零度。

組成物質(zhì)的基本粒子

即便是宇宙中最冷的地方,回力棒星云的溫度也有1K,也就是-270.35℃,仍然要比絕對(duì)零度高幾攝氏度,不過(guò)已經(jīng)十分接近絕對(duì)零度了。

科學(xué)家用“土法制冷”挑戰(zhàn)絕對(duì)零度

其實(shí)有很多科學(xué)家在最低溫度的問(wèn)題提出來(lái)后,就一直致力于達(dá)到絕對(duì)零度,盡管當(dāng)時(shí)的概念還沒(méi)有很清晰。

邁克爾·法拉第

最開(kāi)始科學(xué)家們局限于在氣體狀態(tài)下尋找絕對(duì)零度,但結(jié)果可想而知。直到1845年,邁克爾·法拉第用初級(jí)壓縮和冰浴的方法,獲得了幾種液態(tài)氣體,最低溫度達(dá)到-130℃。

其實(shí)這也算一次偶然的發(fā)現(xiàn),當(dāng)時(shí)法拉第用水合氯醛的方式制作出了液態(tài)氯。結(jié)果他把液態(tài)氯放到密封的試管后,突然發(fā)生爆炸,然后液態(tài)氯就瞬間變成了氣態(tài)。

物態(tài)變化有6種:熔化、凝固、汽化、液化、升華、凝華

于是法拉第就想到,那是不是氣態(tài)的氯也會(huì)在壓力下轉(zhuǎn)化為液態(tài)呢?隨后為了證明這個(gè)觀點(diǎn),他就進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果他確實(shí)獲得了很多氣體的液態(tài)形式,但是有幾種氣體他卻拿它們沒(méi)有辦法,氧氣、氮?dú)?、氫氣被法拉第認(rèn)為是無(wú)法被壓縮成液態(tài)的“永久氣體”。

焦耳-湯姆孫效應(yīng)示意圖

于是后來(lái)的科學(xué)家就開(kāi)始對(duì)這幾種氣體進(jìn)行鉆研和實(shí)驗(yàn)。先是法國(guó)科學(xué)家路易斯·保羅·卡耶泰用焦耳-湯姆孫效應(yīng)(氣體在節(jié)流過(guò)程中,溫度會(huì)隨壓強(qiáng)的變化而變化),獲得了-183℃的液氧和-196℃的液氮。

那么接下來(lái)就是攻克液氫了,當(dāng)時(shí)蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·杜瓦就成功解決了這個(gè)難題。

詹姆斯·杜瓦

之前獲得液氧和液氮用到的主要是一種“階式液化的方式,就是先獲得一種比較容易獲得的液態(tài)氣體,然后再用這個(gè)氣體,通過(guò)增加壓力的方式給另外一種氣體降溫,從而達(dá)到第二種氣體的液態(tài)。

而杜瓦當(dāng)然也想用這種“土方法”,但是液態(tài)的沸點(diǎn)低至-252.78℃,顯然當(dāng)時(shí)的設(shè)備沒(méi)有辦法做到。于是在這樣的境況下,杜瓦只能想辦法發(fā)明一種新的設(shè)備。

正在實(shí)驗(yàn)室里拿著杜瓦瓶的詹姆斯

咱就是說(shuō),這種看似無(wú)法完成的挑戰(zhàn),只要心中足夠堅(jiān)定,或許就真能像杜瓦一樣“大力出奇跡”。

他成功制造出新的設(shè)備,并通過(guò)“階式液化”將氯甲烷、乙烯、氧氣和氫氣進(jìn)行多級(jí)串聯(lián),最后得到20cm3的液氫,溫度低至-205℃。隨后又將這些液氫放到膨脹管中,使其溫度又降至-252℃。

從左至右分別為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣

不過(guò)氫氣并不是最難翻越的那座高山,因?yàn)樵谒螅?strong>還有一種叫做氦氣的惰性氣體。

于是荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯就“撿了個(gè)漏”,在1908年,他直接用杜瓦的裝置,然后花了一筆資金建立了一個(gè)液氫工廠,最后得到溫度低至-268.95℃的液氦。

昂內(nèi)斯得出-268.95℃的液氦

后來(lái)他還在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度降至最低時(shí),汞和鉛的電阻會(huì)消失,還有一些其他物質(zhì)同樣會(huì)在低溫下失去熱運(yùn)動(dòng),使得電阻無(wú)限接近于0,于是就有了現(xiàn)在熟知的超導(dǎo)現(xiàn)象。

這一發(fā)現(xiàn)還讓他在1913年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

諾貝爾獎(jiǎng)

不得不說(shuō),科學(xué)家們的意志力是真的好啊。一百多年的時(shí)間,經(jīng)過(guò)重重磨難,終于從最初的概念到最后的“土法制冷”實(shí)踐,從氣體到液態(tài)氣體,從法拉第的-130℃到昂內(nèi)斯的-268.95℃。

不夠關(guān)于絕對(duì)零度的挑戰(zhàn)并沒(méi)有結(jié)束,如今科學(xué)家已經(jīng)通過(guò)激光冷卻和蒸發(fā)冷卻的方式達(dá)到了0.5K,這一結(jié)果已經(jīng)十分接近絕對(duì)零度了。

絕對(duì)零度就是0K(約為-273.15℃或-459.67℉)

而且科學(xué)家還通過(guò)鉀原子超冷量子氣體證明了磁場(chǎng)系統(tǒng)中的負(fù)絕對(duì)零度,其數(shù)值不過(guò)-1/1,000,000,000K。但這已經(jīng)在一定程度上,打破了無(wú)法觸摸絕對(duì)零度的可能。

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