单个分子有没有温度
- 资格考试
- 2022-05-30 07:56:08
如果分子的运动速度达到光速，那会有多高温度？
我就用分子动力学理论来回答这个问题。根据分子运动理论，分子运动是不规则的，不会停止。分子运动越剧烈，温度越高。随着分子对外能吸收的增加，分子的运动加快。当分子的动能增加到一定程度时，分子就会脱离分子间的作用力，变成单分子。宏观上，说明对象的状态发生了变化。从固体→液体→蒸汽。
一个分子是在物体内部以光速运动，还是变成单个分子之后。如果它在一个物体内部，这个物体已经被蒸发了。如果物体变成单分子后达到光速，分子就会“分解”成一些基本粒子，就不存在温度这种东西了。
温度是物体的冷热程度。它是决定一个物体能容纳多少能量的因素。而内能是物体中所有分子的势能和动能之和。所以温度是“分子团”的集体表现，对单个分子没有温度理论，即使运动达到光速。当分子之间的距离较大时，相当于每个分子的独立运动。
我们地球上的人体温度计测不到这么高的温度，所以用黑体辐射定律来计算，但是计算结果正确吗？
瑞利-金斯定律是计算黑体辐射强度的好定律。但当温度过高时，就不符合实验，这就是科学史上“紫外线灾难”。
我不知道他们在实验中使用了多少温度。既然黑体辐射的峰值波长可以移动到紫外区，那么这个实验中的黑体温度一定要高于太阳的表面温度！地球上没有什么东西能承受这样的温度！
一般情况下，分子的运动速度是无法接近光速的，更不用说达到光速了。因为分子很难遇到这么大的激发力。退一步说，即使有这么大的激发力，分子也不会是原来的分子，会因为其他激子的强烈撞击而被打碎成原子甚至质子或者最小的基本粒子——电子。
当一个宏观物体高速运动时，我们常常把它看作物体的运动力。那是因为我们感受不到它的温度。比如高速运动的沙石撞击人体后，人感受到的不是热，不是烫，不是温度，而是疼痛。
相反，微观粒子(原子、质子、电子)也是高速运动的物体的运动力，但我们往往把它们当成物体的温度。所以一个物体的动能，无论是力还是温度，都是我们的感觉。无论物体是宏观的还是微观的，其本质都与物体的运动力相同。
温度有上限吗，其本质又是什么？
温度的变化也是衣服薄厚的变化，温度在生活中也是一个重要的穿衣参数。地球上所有的生物对于温度都有一个适应机制，温度如果过高或者过低都会对生物本身产生一定的影响。
而目前人类在面临着全球变暖带来的温度上升，预计到了2100年，全球平均气温将上升1.4~5.8摄氏度左右！温度的上升和下降对于全球来说都是一个不好的现象。
回过头，我们再来讨论温度这个概念。
我们都知道温度是表示物体冷热程度的一个物理量，而我们对温度的理解也是冷和热两个概念。它对生物体也有着不可忽视的作用。
生物体包括人在内，对温度的敏感性还是比较大的。地球上几乎所有的生物都生活在零下几摄氏度到50摄氏度之间。
当环境温度低于一个临界值，会导致生物代谢紊乱，蛋白质合成受阻，脱水变性。
高温则会破坏酶的活性，夏天没有食欲就是因为胃蛋白酶的活性很低，导致消化减慢。同时还会造成缺氧以及神经系统麻痹等症状。
人的正常温度是37度左右，感冒发高烧时体温会上升到40摄氏度，即使是三度的差距，也足以对身体造成恶劣的伤害，可见人类有多么的脆弱。
除了温度对生物体的影响，在其他方面也是不可忽略的因素之一。
比如物理和化学中也有着特别的意义，物理中温度是粒子运动的直接体现，而在化学中不同温度下的物体是有着不一样的状态。
1.温度可以影响化学反应的速率。
2.温度可以使物体产生热胀冷缩现象。
3.温度充当了热力学重要的参数。
4不同的温度能影响声速，空气密度的大小。
温度计的原理就是热胀冷缩，当温度升高时，温度计内的物质就会膨胀，体积增大。温度降下来，体积又会减小。
宏观上来讲，温度表达的是物体的冷热程度，这也是人们对温度的最直观的表达。
但是对于人来说，冷和热都是相对的，用冷热程度来形容显然不合理。
假设有三杯水，温度分别是0摄氏度，20摄氏度，40摄氏度。先把左手放到0度的水中，右手放到40度的水中，1分钟后，同时放入20度的水中，这时，你会发现，左手给你的感觉是：这杯水是“热的”，而右手给你的感觉则是：这杯水是“冷的”。
显然，仅通过冷热关系是无法精确描述温度的。
于是科学家不得不找出，不受外界影响的单位来客观的描述温度这个物理量。
摄氏度的出现在1742年，由瑞典天文学家安德斯·摄儿修斯提出的，经过几次改进后。最终把1个标准大气压下，纯净的冰水混合物的温度定义为0摄氏度，水的沸点定义为100摄氏度。并把中间的温度差平均分为100份，每一份就是1摄氏度。
开尔文勋爵
1848年，开尔文勋爵发表了一篇名为《关于一种绝对温标》（On an Absolute Thermometric Scale），在论文中提到了“绝对的冷”的概念作为温标的零点（0K），也就是绝对零度，并使用摄氏度作为单位增量。通过测算得到绝对零度等于-273摄氏度。
1954年，第十届全国计量大会（CGPM）把这个值订为-273.15摄氏度，这个值就是宇宙中温度的下限值。
有人可能会问了，为什么温度会有一个下限值，难道不可能更“冷”了吗？
这时候，我们再来了解一下温度的本质是什么？
刚刚已经提到温度是表达物体冷热程度的物理量，现在我们从微观角度来看，温度是由物体分子热运动产生的，分子热运动越是剧烈，物体的温度就越高。温度是物体分子间的平均动能的表现（注意是平均动能，而不是单个或多个分子，因为单个分子不存在温度）
接着我们大胆猜测一下，当物体分子停止热运动会发生什么？
没错，这时物体的温度就达到了绝对零度，
在这个温度下，粒子的动能和势能都降到了零，内能也为零，不与外界发生能量转化和，包括电子都停止了运动。
显然，这个假设并不能实现，绝对零度只能无限接近，而无法达到。
学过物理的应该都知道，粒子是在永不停歇的做无规则运动，这就说明了粒子永远不会停止运动，这就意味着绝对零度只是一个理想值，现实中是无法达到的。
还记得量子力学中的不确定性吗？就是说粒子的位置和动量是不可能被同时确定的，如果粒子停止运动的话，那么其位置和速度是一个确定的值了，这样就把量子力学给推翻了！
目前科学家为了一次又一次的接近绝对零度，进行了多次实验，达到的温度已经和绝对零度的差距非常小了。其中比较著名的方法有以下：
激光冷却法
这种方法最早是由斯坦福大学的T.W.汉森等人提出的一种设想，原理是使用多道激光将气体分子减速，从而降低分子的平均动能。
当原子的量子态都凝聚成单一的量子态时，会呈现出玻色-爱因斯坦凝聚。这个实验需要的低温是1.7×10^-7 K，1995年，埃里克·康奈尔和卡尔·威曼首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。也就是说他们成功创造出了1.7×10^-7 K的低温环境。
而最新实验表明，人类所创造出的最低温已经达到了-273.149999999k。
说完了温度的下限，我们再来看看，温度的上限。
可能在大家的印象中，几千摄氏度就算得上是高温了，比如太阳表面温度5770k以上。这是什么概念呢？到目前为止，还没有任何物质能够承受这个温度。
温度的本质是分子运动
从微观角度来说,温度是物体分子平均动能的量度,单个分子不存在温度这个物理量,没错.传导不是指温度,指的是热量的传递.传导确实是因为分子间连续不断的碰撞导致的.单个微观粒子，在微观世界中有没有温度概念呢？
单个微观粒子，在微观世界中有温度概念。想要了解这些，首先我们要知道微观粒子的概念，微观粒子就是在“波粒二象性”中，更多表现为“波动性”的一种粒子，此物质波长较长。电子及电子以下的那些中子，质子，离子，分子是实物粒子统统可以认为是微观粒子。
人类向微观世界的进军，从物质世界有两个极限尺度开始，也就是“小宇宙”和“大宇宙”。“小宇宙”如同神秘的潘多拉魔盒，珍藏着众多神态各异的微观粒子，并成为这个世界不可或缺的重要组成部分。单个粒子只要能写出哈密顿，就能够计算出来温度。根据统计力学基本假设，这个温度是单个粒子运动无穷长时间的平均值，也就是大量这种粒子的微正则系综平均值。当这个单粒子在一个热浴里，热浴是有温度的，那么无穷长时间达到平衡后，平均动能与热浴的平均动能相等，粒子就获得了热浴的温度。
我们平时是测量一个物品的温度，比方拿热水来举例。具体流程分三步：1）手持温度计；2）把温度计放水里；3）等温度计稳定；4）读数。只要用过温度计的人都知道，第三步才是重点，因为要等温度计稳定下来后才能去读取数值，不然结果会不准。重点就在第三步等这里，等热水和温度计变得一样热。这其实就是我们对温度最直观的解读，温度也就是两个东西在一样热的时候等同的量，温度是两个系统热平衡下相等的量。
也就是说，当系统只有一个粒子，内能就是它的动能，热平衡定义了温度这个概念。而判断两个物体是否处于热平衡，是可以查看彼此之间是否有总的热流，答案是肯定的，所以说，单个微观粒子，在微观世界中也有温度概念。
