带你了解我们身边的科学——温度

金敖然

(南宁市第三中学)

随着季节的更替,我们在户外可以明显感受到天气转暖或寒流来袭。其实这种冷与热只是一种感知,那么用什么来描述到底有多冷,有多热呢?是的,就是用温度的高低。既然这样,那宇宙中最冷有多冷?最热有多热?宇宙的极限温度是多少?物质又为什么会发生“热胀冷缩”?高中人教版化学教材里讲的热力学温度“开尔文”又是怎么来的呢?要想回答这些问题,我们就要从温度的本质说起。

一、温度的本质

温度(temperature)是描述物质冷热的物理量。在化学中温度可以影响化学反应速率,影响可逆反应进行的方向,另外温度的高低还会影响物质存在的状态和体积大小。那么物质的温度是怎么产生的呢?从微观角度而言,物质所体现出的温度实际上是其分子热运动的外在表现。温度高低是分子平均动能的大小,也就是说,分子热运动越剧烈,宏观物质的温度就越高。

举个例子说明一下,太阳表面的温度大概 5 700℃,炎热的夏季阳光照射到地球,气温最高可以达到40℃左右,然而地球周围的太空温度却出奇得低,在零下200℃以下。同样的阳光经过太空照射到地球,温度怎么差别那么大?其原因就是太空环境几乎是真空的,没有了物质,就没有了分子热运动,自然就体现不出来温度了。

二、宇宙的最低温度与最高温度

下面我们探讨一下宇宙中的极限温度,即温度的上下限。

知道了最低温度。那么宇宙的最高温度是多少呢?

有人说太阳的核心温度是1 500万摄氏度,地球上任何物质都承受不起这样的温度,这应该是最高温度了。但是我国成功完成了“人造太阳”的建造,其核心温度最高达2亿摄氏度呢,这还不算什么,经过计算,超新星爆发会在一瞬间产生巨大的热能,温度能够达到1 500亿摄氏度,这几乎超出了人类的认知,应该是宇宙里最高的温度了吧,其实还远不止如此。

那么,宇宙的上限温度到底是多少?要想探讨这个问题,我们还要从爱因斯坦的质能方程E=mc2开始,爱因斯坦告诉我们质量和能量是可以相互转化的,从而我们可以大胆推测,如果我们把整个宇宙的物质和能量汇聚在一起,形成一个质点,那么这个质点的温度就该是宇宙的上限温度了,这便是宇宙形成的开始。经过科学家精密计算,宇宙大爆炸的瞬间可以产生大约为1.417×1032开尔文的温度,这个温度存在的时间很短,只存在了一个普朗克时间(5.4×10-44s),然后宇宙大爆炸的下一时刻这个质点就开始向外抛射大量的物质和能量并迅速降温,那么这个温度就是宇宙的上限温度了,也叫“普朗克温度”,即1.4×1032K。

通过前面的讨论,我们了解了绝对零度是宇宙的最低温度,根据热力学第三定律,它只是一个理论值,无法达到。宇宙的最高温度则是普朗克温度,它产生于宇宙大爆炸那个瞬间,未来再也不会出现如此高的温度了。

三、物质为什么会发生“热胀冷缩”

我们还是要从微观角度来解释这个问题。首先,物质在一定条件下,其分子之间存在一个平均距离r0,无论分子之间的距离大于还是小于这个平均距离r0,其势能都是要增加的,变得不稳定。即当分子靠近时,分子之间表现出排斥力,距离越近这种斥力就越大,当分子彼此远离时,分子间又会体现出吸引力,使分子相互靠近,因此分子间距总维持在这个平均距离r0,如图1所示,所以宏观上物质存在一个不变的体积。当温度升高时,分子平均动能增大,分子振动的幅度会增大,分子之间的平均距离r0也随之增大,以适应更大的振动,宏观上物质的体积就会变大。另外,从分子的角度看,温度升高,分子的能量增大,那么其摆脱分子间作用力的能力也就强,分子间的平均距离自然就会被拉大,宏观上就表现为体积增大,就是热胀。反之,就是冷缩了。

图1

然而自然界中也存在着一些冷胀热缩的特例,这种典型的代表就是水。水在由0℃上升到4℃的过程中,随着温度的升高,呈现出“冷胀热缩”的现象,称为反常膨胀。人教版2019教材高中化学《选择性必修2》用氢键、缔合水分子理论给予了很好的解释。冰晶体中每个水分子通过氢键与周围的四个水分子接触,形成内部空隙很大的笼状微观结构如图2,这种结构降低了空间利用率,故宏观上冰的密度小于水。当温度升高,冰开始融化成水,水分子间的氢键也开始减少,之前的笼状结构也开始“坍塌”,空隙变小,空间利用率升高,故宏观上体积“缩小”了。所以在0℃到4℃的范围,水出现“冷胀热缩”的现象。大家不妨假想一下,如果水没有了这样的性质,那么地球上的生态系统会面临什么样的问题呢?

图2

四、温度的几种表示方法

最早提出用来表示温度的物理量是“华氏温标”,它是在1714年,由德国人华伦海特创立的。具体讲,它是以水银作为温度测量仪器,把一个标准大气压下,水的冰点定为32度,沸点定为212度,中间分为180个刻度,每个刻度一华氏以℉表示。它是英美等国普遍使用的温标,与我们熟悉的摄氏度之间有如下换算关系:华氏温度=32℉+摄氏度×1.8,如室温25℃就相当于华氏温度77℉。后来更为普遍使用的温标——摄氏度出现了。它是在1742年由瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯提出的,经过不断改进最终确定,以水银为测量仪器,把一个标准大气压下,纯净的冰水混合物的温度定为0℃,水的沸点定为100℃,然后在中间分成100份,每份1摄氏度,它的单位记作℃。摄氏度是使用最为广泛的温标。最后说下开氏温度,就是我们之前教科书提到过的温标,大家之前不熟悉,因为它主要用于热力学中,生活中不常见,有点“曲高和寡”。它是在1848年由英国物理学家开尔文建立的,与其他表示方法不同,开氏温度不再用“水”作为度量参考,它是以绝对零度为起点,即以-273.15℃为 0 K,为换句话说,该温标与任何物理性质无关,也称为“绝对温标”“国际温标”或“开氏温标”,以符号“T”来表示,单位“K”,读作“开尔文”,简称“开”。我们熟悉的理想气体状态方程pV=nRT,这里使用的温度就是开氏温度。它与我们熟悉的摄氏度之间有如下换算关系:开氏温度的数值是摄氏温度的数值加上273.15后得到的,如0℃就是273.15 K。