绝对零度最低温度的极限宇宙中永远达不到的

开尔文男爵就在卡诺提出了“卡诺热机”以及“卡诺定理”之后，人们开始思考卡诺热机的效率：η=1-T1/T2其中，η表示卡诺热机的效率，T1代表低温热源，T2代表高温热源。也就是说，如果想提高卡诺热机的效率，就必须考虑低温和高温热源的温度。在任何一种热机中，只要燃烧就可以获得温度比环境要高的高温热源。那么低温热源就是环境。在这里，T1和T2用的都是热力学温度。在这套算式中，人们就可以很清楚：一定要提高T2的温度。在瓦特蒸汽机中，如果能把温度进一步升高（我们可以利用高压锅产生℃的水蒸气），在环境温度不变的情况下，就能够提高热机效率；那么同时，如何降低T1的温度呢？那就最好是在冬天，在地球上越冷的地方越好。但是，即使是地球上最冷的温度，如果用热力学上表示的话它依然还是一个大于零数值！那么也就是说，在地球上，根本就找不到一个T1=0的环境，也就是说，卡诺热机的效率永远都不可能等于1。那么，T1=0这个值，如果用我们摄氏度的概念来描述，它该是多少度呢？今天我们知道，是零下.15℃，这也就是被称之为绝对零度。那么我们不禁要问，既然我们这个数字是怎么得到的呢？它又是怎么被发现的呢？吕萨克为了说明这个问题，我们不得不把时间倒回年，看一看当年吕萨克的研究成果。前几期我们说过，为了研究空气，吕萨克做了相当多的工作。结果他就发现，如果一个装有气体的气球（也可以是其它容器）中，如果不漏气的话，这个气球随着温度的变化就会膨胀。而且，它体积和温度的上升呈一个正比关系。如果把这些体积对应温度画图的话，就可以得到一条穿过纵坐标的直线（也就是说，在温度为0℃的时候，理想气体依然是存在着压强、体积的）。这条直线如果往左边继续延伸的话，它就可以和横坐标相交，而相交的这一点，对应的气体体积为0，温度就是-.6℃（后来被修正为-.15℃）。那么，气体的膨胀系数也就是1/.6。吕萨克没有深究这一点的物理意义是什么，因为他的这项工作是要解决气体物质在发生化学变化的时候，一定空间里的气体粒子是否数目相同。到了十九世纪中期，由于蒸汽机和内燃机的广泛使用，人们就开始思考关于“热”的问题。就在卡诺提出了“卡诺原理”、焦耳等人提出了“热力学第一定律”以及克劳休斯、开尔文提出的“热力学第二定律”，人们就开始思考“热”到底是怎么回事？气体的压强的变化到底是怎么回事？布朗运动示意图于是，结合了年英国科学家布朗在显微镜下观察到的水表面的悬浮颗粒在做无规则运动，而且温度升高这种运动越剧烈这一事实，人们意识到“热”就是分子的一种运动。对于气体来说，运动越强则单位时间内和容器壁的碰撞越多，进而表现出压强。英国的麦克斯韦和奥地利的玻尔兹曼将“熵”和分子运动概率联系起来，得到了麦克斯韦-玻尔兹曼分布律，诠释了热力学第二定律。那么，根据吕萨克所做的相图，代表气体体积的那条直线和横坐标相交的那一点意味着什么呢？在这一点上，人们可以推算，所有的分子运动都停止了，所有的气体压强全部消失了，气体的体积就是0，所有的分子、原子都将形成规则的完美晶体。就在这个时候，克劳休斯和开尔文（原名威廉·汤姆逊）分别提出了热力学第二定律。开尔文根据卡诺原理，说出了那句著名的话：“我们不可能从单一热源取热，使之完全变成有用功而不产生其它影响”。于是，开尔文就利用卡诺循环建立了绝对温标，以那个永远达不到的温度为绝对零度，重新定义了水的熔点为度，沸点为度（近似值）。于是，人们为了纪念开尔文在热力学第二定律上的贡献，把这种绝对温标的单位命名为开尔文。事实上，K和℃在单位上是完全等效的，但是一旦标为K，就意味着温度是从绝对零度算起的。德国物理学家能斯特因为“熵”、“绝对零度”等概念的提出，德国物理学家能斯特就提出了一个设想：当达到绝对零度的时候，“熵”就是0，所有物质都呈完美晶体。但是，这个熵值为零的状态，那是所有物质绝对停止了运动的状态，因此宇宙中永远也不可能达到绝对零度，这也就是热力学第三定律的表述。被人称作“麦克斯韦妖”的假想实验尽管无法达到绝对零度，低温体系也无法自行将热能传向高温体系，但是就有人依然不信邪，于是麦克斯韦提出了一个假想实验：如果有一个绝热的箱子，箱子里面有个隔板也是绝热的。那么在这个隔板上安上一个装置，这个装置它能测出单个分子的运动，那么它把左边高速运动的分子扔到右边的容器中，再把右边低俗运动的分子扔到左边来，反复不几个回合，不就能够把所有的高速运动的分子都集中在了右边，所有低速运动的分子都集中在了左边，那么不就又得到了温度不等的两种热源了吗？后人把麦克斯韦设想的这个装置戏称为“麦克斯韦妖”。在麦克斯韦的如此的说法的鼓动下，居然真的有人企图设计一种不遵照热力学第二定律的机器，也就是“第二类永动机”。第二类永动机示意图年，一个叫约翰·噶姆吉的美国人就设计了这么一套设备，以液氨作为工作物质，企图利用单一的海水为热源，推动军舰前进。这位老兄的想法就是，液氨的沸点比较低，那么海水的温度高，一加热液氨就会变成气体，从而膨胀，就能推动叶轮运转。然后，液氨在气体状态下把热放给空气，然后再变成液体，回流到和海水相连的气缸内，继续完成往复运动。大概让美国海军和这位老兄垂头丧气的是，他们设计的这一套机器根本无法运转！由于是在海面上的缘故，海水和空气的温差不大，而此时的空气的温度根本不足以冷到让氨气重新液化到液氨的温度，因此被气化了的氨气根本找不到放热的低温热源，因此所有气化了的氨气充斥着汽缸，却无法实现自行运转！然而，尽管这位老兄的方案失败了，实现不了第二类永动机，但是根据气体的特征——气体在膨胀时吸收热量，压缩时释放热量的规律——人们发现，把低温热源的热量带向高温热源是完全有可能的！在美国海军设计失败了的永动机的基础上，在高温热源，如果这个时候给气体主动加压使之放出热量，就会让氨气重新液化，最后就会形成工作物质在低温热源吸热、在高温热源放热的过程，这样做，不就可以实现逆热力学第二定律的工作过程了吗？只是这样需要人们额外做工，这就是我们今天冰箱、空调的工作原理。和卡诺原理比较相近的是，冰箱、空调的效率的高低也需要看两种热源的差异。只不过，和热机相反的是，两种热源温度相差越大，则冰箱、空调所需要做的额外功就越大。那么，为了制造出更低的温度，科学家们只能利用多重冰箱一起工作——最外面是一个大冰箱，然后冰箱内再放置冰箱，通过这样冰箱套冰箱的方法，逼近绝对零度。但是，从大到小的冰箱，工作物质是绝对不能相同的。例如水，℃下是气态，0℃以下就成了固体。固体没有流动性，是不能充当工作物质的。因此，温度越接近绝对零度，可用的工作物质也就越来越有限。年，英国物理学家杜瓦通过制冷技术在-℃获得了液氧。十八年后，年，他进一步地改进了制冷技术，获得了液氢。这个时候，液氢的温度已经相当低了，已经到达-℃（只有20K）。但是，这个时候，自然界还有一种桀骜不驯的物质——氦气却迟迟不肯液化。那么，这个时候的研究也出现了瓶颈——氢的凝固点是-℃，但是即便氢凝固了，氦气也不能被液化！就这样，又过了十年，到了年的时候，荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯获得了成功——他得到了液氦，就在-.℃的温度下，在离绝对零度只有4K之遥的温度，人类终于得到了液氦。奥涅斯液化氦气的方法，就是利用了气体膨胀吸热、收缩放热的方法，最后将极冷的氦气作为冰箱的工作物质，把氦气自己给液化了。后来，在-.2℃（不到1K）的地方，人们通过加压的方式，在25个大气压力下，人们最终得到了固氦。从一开始吕萨克发现了气体膨胀定律，计算出气体膨胀率，到后来卡诺提出卡诺原理，到克劳休斯和开尔文提出热力学第二定律，又到桀骜不驯的人发明第二类永动机不成反而得到了电冰箱，再到后来人们基于冰箱的基础上研究各种气体的液化，人类对绝对零度的认识和逼近是不断进行的。如今，这些研究热力学定律和提出各种猜想与挑战的科学家早已作古。但是，他们在历史上留下的实践、辩论和思索为我们留下了不可磨灭的辉煌。但是，不是所有的人的思考与辩论都能促进学问的发展和社会的进步。这类人，他们只重视争论的输赢，为了输赢不择手段。这究竟是怎么回事呢？敬请

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