热力学统计结课作业.doc

热力学·统计物理结课作业

学院：理 学 院
班级：应用物理二班
学号：11510203
姓名：司 家 旺

绝对零度的思考
摘 要: 简要叙述了绝对零度的定义、由来和极低温的历史。对绝对零度的定义以及不可达到性谈了自己的理解。说明了不能从热力学第二定律推导绝对零度不可能达到的原因。同时记载了人类在迈向绝对零度，改写低温记录的历程。最后阐述了绝对零度不可能达到与热力学第三定律是不等价的。
关键词: 绝对零度；温度；理想气体
The thought of the absolute zero
Abstract: It Briefly describes the definition，the origin and the extremely low temperature of the absolute zero . according to the definition of the absolute zero，we know the definition of the absolute zero cannot reach sexual and we talk about our own understanding. the instructions from the second law of thermodynamics is absolute zero impossible reason.what’s more the second law of thermodynamics against the absolute zeor，in a human the absolute zero temperature records Constantly to be rewritten.Finally expounds absolute zero may not achieve and the laws of thermodynamics and BuDengJia is not equivalence.
Key words: Absolute zero；Temperature； The ideal gas
引言：
目前公认的绝对零度,是热力学温标的起点,相当于-273.15℃。研究发现,温度降低时,分子运动会变慢,温度降低的极限就是分子静止时的温度,由此得出了绝对零度的概念。绝对零度无法测量,因为要使一种测量温度的仪器既要测到绝对零度而又不会干扰受测的系统是不现实的。如果受测系统受到干扰,比如因仪器温差引起的热干扰或接触引起的运动干扰,那么待测体系的分子或原子就会运动,这样就不是绝对零度了。
正文：
1. 绝对零度的由来
绝对零度，理论上所能达到的最低温度，在此温度下物体没有内能。把-273.15℃定作热力学温标(绝对温标)的零度，叫做绝对零度（absolute zero）。 热力学温标的单位是开尔文（K）。
绝对零度的概念早在17世纪末阿蒙顿(G．Amontons)的著作中就已有萌芽[1]。他观测到空气的温度每下降一等量份额，气压也下降等量份额。继续降低温度，总不会得到气压为零的时候，所以温度降低必有一限度。他认为任何物体都不能冷却到这一温度以下。阿蒙顿还预言，达到这个温度时，所有运动都将趋于静止。
目前，我们通常把200~81k称为普冷区；80~0.3k称为低温区或深冷区；而把0.3k以下的温区称为极冷区。那么，低温有没有尽头呢？1785年，法国物理学家查理发现：一定量的气体，在体积一定的情况下，温度每降低一度，压强就会降低它在零度的1/273。17年以后，盖·吕萨克又发现：一定量的气体，在压强一定的情况下，温度每降低一度，气体体积就会缩小它在零度的1/273。照此推算，当温度降低至－273℃时，所有气体的体积和压强都变为零。又过了半世纪，英国物理学家汤姆生明确指出：温度每降低一度，降低1/273的是物质分子的平均内能，即在－273℃时物质分子的平均内能要变为零，这显然是不可能的。结论很清楚，－273℃是物质的最低温度，物质世界里再没有比它更低的温度了。这就是绝对温度的由来，也是科学上常用的热力学温标(K)的起点。
1848年，英国科学家威廉·汤姆逊·开尔文勋爵建立了一种新的温度标度，称为绝对温标，它的量度单位称为开尔文（K）。这种标度的分度距离同摄氏温标的分度距离相同。它的零度即可能的最低温度，相当于零下273摄氏度（精确数为-273.15℃），称为绝对零度。因此，要算出绝对温度只需在摄氏温度上再加273即可。
2.绝对零度的测量
传统测量绝对零度的方法是采用外推法估算理想气体可以达到的最低温度（绝对零度）的摄氏温。
代伟等[2]曾报道新型PTl4扩散硅压力传感器和AD590电流型集成温度传感器灵敏度高，用它们配合贮气球体测量绝对零度，测量准确性和重复性好。将它们用于改进的绝对零度测量装置，实验时能明显地观察热力学现象，实验结果精确。以空气为介质，用改进后的实验装置测得的绝对零度值为-272.00℃，与标准值相比，百分差为0.42％，这在热学与热力学的实验中测量准确度是较高的。测得平均值为-274.12℃，而理论值为-273.15℃，绝对误差小于0.5％。
3.绝对零度不能达到的原因
按照热力学温标测量温度，绝对温度零度相当于摄氏零下273.15度（-273.15℃），是自然界中可能的最低温度。在绝对零度下，原子的运动完全停止了，那么就意味着我们能够精确地测量出粒子的速度(0)。然而1890年德国物理学家马克斯·普朗克引入的了普朗克常数表明一个事实：粒子的速度的不确定性、位置的不确定性与质量的乘积一定不能小于普朗克常数，这是我们生活着的宇宙所具有的一个基本物理定律(海森堡不确定关系)。那么当粒子处于绝对零度之下，运动速度为零时，与这个定律相悖，因而我们可以在理论上得出结论，绝对零度是不可以达到的。
1906年能斯特（Nernst）在研究各种化学反应在低温下的性质时引出一个结论，称为能斯特定理。Nernst定理指出[3]，在接近绝对零度时，任何过程中的熵值不变，它既是等熵过程，又是绝热过程，没有热量的交换（如果有热量的交换△S就不等于零）。因此，任何凝聚态物质在接近绝对零度时，无论进行什么热力学过程，都不能通过释放热量而降低温度。而凝聚态物质也不能靠绝热膨胀对环境做功而降低温度。所以，系统的温度不可能继续降低，因而达不到绝对零度。
4. 经典热力学对“绝对零度不能达到”解释的局限性
根据经典热力学,温度是物体分子热运动的平均动能的标志,由于物体内分子无规则运动的平均动能与温度成正比,如果绝对零度能够达到,则分子的平均动能为零,则分子将处于完全静止状态。而分子动理论对分子的热运动有这样的描述:“物体是由大量分子组成的,分子永不停息地做无规则运动”。因此,与分子动理论完全矛盾。上面经典热力学做出的解释好像能够证明绝对零度不能达到。但是随着实践的进展,经典热力学理论已显示出它的局限性:如果在绝对零度下粒子是静止不动的,那么它的速度为零,这时它的位置就可以测出来。这样的话,位置和速度两者的值我们都知道了,这不符合海森堡的测不准原理———它只允许知道一个。所以,近代物理的量子理论对经典热力学作了修正,指出:即使温度达到了绝对零度,分子运动也不会停止,而是每个分子都可以具有一个最小能量———称为“零点能”。
可以看出,从经典热力学出发,认为分子在绝对零度会静止不动的观点是站不住脚的,我们从经典热力学来解释绝对零度不能达到就表现出了一些局限性。
5. 迈向绝对零度
（1）开创低温物体研究新天地
国际研究小组的共同主持人之一大卫·普里查德(DavidE.万toh田月)介绍说，将气体冷却到极端接近绝对零度的条件对于精确测量具有重要意义，此次实验成果有助于制造更为精确的原子钟和更为精确的测定重力等。低温物理是在低温条件下研究物质的物理性质，研究物质中电子、原子、原子核、分子之间的相互作用及运动规律的学科，是凝聚态物理学中的一个重要领域.在极低温下，物质中的热运动被减至极低的程度，物质处在能量的基态或低能激发态，量子力学的现象尤为突出。从这种意义上，也可以说低温物理是凝聚态物质能量量子化的物理学。当今凝聚态物理基础研究的重大热点问题，许多都以低温物理的研究作为基础。例如，高温超导机理研究中的一些基本问题:元激发相互作用的性质，是否进人玻色凝聚态等；介观尺度物理研究中的量子相干效应，纳米物质中的量子尺寸效应、声子表面模效应等，只有在很低温度下才能突出地显现出来。由于低温物理学的上述独特性质，它已成为物理学中非常重要而且成果最为丰富的一个分支。专家认为，低温物理在各个研究领域都必不可少，许多重要物理规律的研究都要在低温下进行。玻色一爱因斯坦凝聚态所具有的奇特性质，使它不仅对基础研究有重要意义，而且在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都让人看到了非常美好的应用前景。凝聚态中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。凝聚体具有很好相干性，可以用于研制高精度的原子干涉仪，测量各种势场，测量重力场加速度和加速度的变化等。原子激光也可能用于集成电路的制造，大大提高集成电路的密度，因此将大大提高电脑芯片的运算速度。凝聚体还被建议用于量子信息的处理，为量子计算机的研究提供另外一种选择。
（2）手持技术”推测绝对零度
Fourier是由数据采集器+传感器+多媒体计算机[C=1构成的一种新型掌上实验系统(Handheld system Laboratory，简称手持技术)。其中Fourier系列的传感器成功的克服传统实验仪器的诸多弊端。例如本实验所用的温度和气压传感器，不仅精度高(分别可精确到0.01℃和0. O1kPa)、误差小、反应快，可重复性强，而且更重笋的是在于这套新型掌上实验系统具备“实时实验”的能力[3-4]，数据采集处理和图形的描述都由计算机完成，所以师生就可以从数据读取处理和图形描绘等，繁琐的简单劳动中解脱出来，进而腾出更多的时间与精力进行更深层次的探索与研究。根据在一个密闭的体系中(保持体积不变)，测量体系压强随温度变化的曲线(根据查理定律，应该是条直线，边与横坐标温度的交点就是绝对零度)的原理通过实验推测出。
（3） 逼近绝对零度改写低温记录
近年来，低温物体研究不断传出捷报，日前，在麻省理工学院，一个由德国、美国、奥日前，在麻省理工学院，一个由德国、美国、奥地利等国科学家组成的国际科研小组改写了人类创造的最低温度纪录。他们在实验室内达到了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。该研究结果发表在2(X)3年9月12日出版的《科学》杂志上。开尔文是热力学温度单位，简称“开”，1开相当于1摄氏度，1纳开等于十亿分之一开尔文.0开即绝对零度，是温度的极限，相当于零下273。巧摄氏度，在绝对零度时，由于冷却过程将所有的粒子能量都吸收掉，所有的原子运动都将停止。室温下，原子的运动速度与喷气式飞机相当。但在新的低温纪录下，原子每分钟的运行距离不足一英寸。在低温下，粒子的特性与常温不同。获得超低温度，有利于科学家进一步了解粒子的特性，并为基本物理学提供新的理解。研究人员希望在这个低温下能够观测到更多前所未有的物理现象，如低温下原子表面如何相互作用，原子被限定在狭小的通道或者隔层中如何运动等。该研究中的低温气体形成一种被称为量子流体的物质形态。这个科研小组在《科学》杂志上发表论文介绍说，他们是在利用一种被称为“磁陷阱,(玩p)技术实现艳原子的玻色一爱因斯坦凝聚(Bose一EinsteinCorldensation，简称BEc)的实验过程中创造这一纪录的。
6 总结
绝对零度的不可能达到和第三定律的熵表述是不等价的[5]。R.Haase也断定熵表述和绝对零度不可能达到的表述是不等价的。科学家会通过其他手段来证明绝对零度不能达到，两者的不等价性现在也已得到了证实，即绝对零度不可能为零；其一：如果绝对温度等于零，则热量比等于温度比这个建立热力学温标的基本关系式将不能成立；其二：如果绝对温度可以为零，则将导致热力学第二定律的开尔文表述错误。综上两方面指明了绝对零度不可能达到的原因在于它只是建立热力学温标的一个必充条件。

7 参考文献
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