绝对零度是永远不可能达到的吗?

是要用量子物理学来解释吗?

推荐  (4) | 49人关注关注
28个答案
50 2

章鱼喵.时见疏星理论物理专业,西夏文爱好者

2013-04-05 00:47

【我在【】中加了些说明,可以略过不看。】

------

这在物理学中是非常重要的问题,换成比较学术的说法就是
热力学第三定律是讲的什么事情呢?为什么我们有个热力学第三定律?


热力学第三定律说绝对零度不能通过有限的步骤达到。这样说话简直跟神一样有没有。
老是说了,别问为什么,别说什么意义,只需要记住就行了!

而实际上,比较容易接受的一种说法是这样的:绝对零度的时候熵为零。说人话的话,是这样的:
体系的混乱程度在绝对零度的时候是最小的。
这样就好理解多了,比如一堆氮气分子,室温的时候,分子运动好剧烈啊,是气体状态,有孔就钻,那可是一团遭。降低温度之后变成液体了,分子运动不是那么剧烈了,限制在了一定的范围内,显得不是那么混乱了。

【呃,其实上面这个例子的描述不准确啊。熵跟体积有关的……气体和液体状态的熵计算也完全不同的……】

好,关键在这里:如果你认同上面这种说法,我们就可以证明给你看,体系的混乱程度在绝对零度的时候最小,跟绝对零度不能达到是等价的。

我吹牛,这个得用公式,就不证明了。大致的思路是,先说明体系的混乱程度在绝对零度的时候最小,意味着在绝对零度的时候,可以用来做成做功机器的两个过程变得完全相同,既然重合,那么越接近零度,用来降低温度的机器的效率就越低,总之无穷无尽,却怎么也办法达到绝对零度。

【具体过程是见我文末的参考文献的书中的 P230-233 页的证明。】
【这段我省掉了 Nernst 定理。这个定理很重要,只是我不知道该如何科普。所以换了熵来讲。】


(必要的跑题,熟悉的可以不看:)
热力学第一定律告诉我们能量守恒,第二定律告诉我们有个很厉害的状态函数叫做熵(特厉害,单单用熵是一个只跟状态相关的函数就可以解决很多很多问题)。那么为什么我们会有这两个定律呢?
第一定律,大家都知道是经验得来的,大家总结了很多很多现象,然后总结出能量是守恒的。然后大家有觉得玻璃杯可能自己碎掉,却从没有见到碎掉的玻璃杯自己重新组装起来的,所以一定有个定律限制了事物的发展方向,这是第二定律的想法,这样顺便有个表示混乱度的熵也提出来了。

【第一定律和第二定律从热机的角度看最简单了,不过可能很多人不知道热机这东西。其实也不需要知道这是什么东西,就知道下面的定义就好了。这个机器有个工作效率叫做热机的效率,被定义成

\[ \eta = \frac{W}{Q} \]
其中 \(Q\) 是热机吸收的热量,而 \(W\) 是热机对外做的功。
这样,第一定律其实是说,我们是不可能让热机的效率大于 1 的,为什么呢?因为如果热机的效率大于 1 ,那么也就说,热机可能是吸收了 10J 的能量,但是却对外做了 100J 的功。那热机凭空变出来 90J 的能量么?
而这个效率能不能等于 1 呢?答案是不能。效率为 1 其实是说,我们的机器吸收了 10J 的热量,对外做了 10J 的功。即使对一个最理想的热机,这也意味着只吸收热量却没有放出热量的过程就回到开始的状态。这样就有一台机器,可以把吸收来的热量全部用来对外做功。我们知道功可以全部转换成热的,摩擦生热嘛。这样我们可以把摩擦生的热全部收集起来,做功,让整个世界回复成做功前的状态。咦?这样就没有世界演化的方向性了,碎掉的玻璃杯可以自动重新组成一个完整的玻璃杯了。见所未见。故排除掉这个情况。这就是第二定律了。】
(跑题完)


其实热力学第三定律是个外推的经验。就是上面讲的体系的混乱程度在绝对零度的时候是最小的。我们没有在绝对零度做过实验,但是我们可以做一系列实验来外推。


实际上热三律是有着很深的量子的根基的,在接近绝对零度的时候,热运动什么的已经可以忽略了,量子效应显著,需要用量子统计来解释现象的。这个时候谈粒子完全静止什么的,一般应该讲成没有了热激发。
确实,真正的要理解第三定律,还需要量子统计的知识。

37 0

热力学第三定律告诉你永远无法达到绝对零度:

即你无法通过热交换使系统的熵最后等于绝对零度时对应的熵。这里是玻尔兹曼常数,是系统的态的数量。你不可能通过有限的热交换把系统所有的粒子都制备到一个态。

但需要注意的是热力学(或者说经典统计力学)的知识不够基本,现实的微观世界是服从量子统计物理的。在量子统计物理中,玻色子系统永远无法达到绝对零度,因为它的绝对零度是所有的粒子都在基态,携带零点动量-能量。你无法通过有限热交换将所有玻色子都制备到完美的基态。

但是对于费米子系统来说(全同费米子),因为每个态只能可以存在一个粒子,这样全同费米子系统的“绝对零度”其实是很高的温度,称为费米温度,跟体系的粒子数直接相关。如果改变全同状态(比如把其中一些费米子pump到不同的自旋分量上),或者费米子之间存在相互作用,费米子体系就可以突破这个绝对零度,这就是费米简并

这里还涉及到一个更深层次的问题,就是“熵”这个概念在量子力学中应该如何表述。量子力学中称其为“冯诺依曼熵”。这些都需要你具备高等量子力学知识后才能深入学习。

2 0
支持者: 奔腾年代 失魂棒

如果存在,粒子是否会静止?那岂不是可以同时获得它的位置的动量?再者,通过有限次的热传递,是不会达到绝对0度的、、、因为没有低于绝对0度的温度来吸收它的热量

3 1

个人感觉,绝对零度,就是问,当X为多少时才能等于零。估计,上帝要哭了

11 9

其实我们可以这样理解:
一个物体是绝对零度的,就意味着它是完全无法被观察到的。因为首先它不会释放任何辐射或物质出来,其次假如观察者用光子或者电子或其他任何东西去击打它以便观察它,它都将不再是绝对零度。
而我记得量子理论的一个原则是:观测不到的东西我们不谈。 所以微小粒子在无人观察时它的运动状态是怎样的我们也不可以去假设,薛定谔的猫是死是活我们也不能确定
结论是:绝对零度的物体是个什么状态,我们是无法讨论的

用马克思辩证唯物主义的观点可以更进一步解释:
一切物体都处在运动之中,静止是相对的,而运动是绝对的。
而一个绝对零度的物体,我们可以想见它是绝对静止的,它不受宇宙中任何其他物质和能量影响,不但不受引力影响,甚至不受宇宙背景辐射、宇宙膨胀等的影响。任何影响都会使它改变绝对零度的状态。一个与我们的宇宙不发生任何关系的、无法检测到的物体,它和“没有”有什么区别? 这让人想起著名的“车库里的龙”的寓言,一个人告诉我他的车库里有条喷火的龙,但是不但龙本身没有形体、质量,它喷的火也没有形体、温度等等。那么他的车库里即使真有这么一条龙,和没有龙又有什么区别?
结论是:绝对零度的物体=没有物体

2 1

书剑击秋风非典型知识分子

2013-06-27 10:26
支持者: auirh 失魂棒

我们期末量子导论考试就是解释绝对零度不可达:
根据量子力学对一维线性谐振子的分析,其能量是En=(n+1/2)hω/2π n=0,1,2……
原子的震动可以简化为这种模型,其最小能量是当n=0 ,E0=0.5hω/2π,是不为零的,所以不能达到能量为零的态,也就是绝对零度不可达。

1 0

疯狂的豆腐V化学业余初级入门

2013-10-27 17:16
支持者: 框架主义者

想测量物质的温度,就必须对它施加影响获得反馈,而反馈是会改变物质温度的。

0 0

不是还存在负能量,负质量的物质么?是不是可以用这个东西和接近绝对零度的物质作用一下。。把仅存的那点能量给抽走了。。

0 0

说达不到的都是时间没到,在果壳的时候看到这么一句,人类一直在被打脸,

0 0

月夜魔术师航空工程研究生

2014-05-04 15:49

不过我有个想法,绝对零度不就是粒子没有运动吗?那不用热学,而用机械的方法能否达到呢?那既然现在用原子摆字拼图案都能做到了,能否用原子的钳直接把粒子夹在那,那这个时候再去测量物体的温度又会如何?(当然这个物体会很小,可能只有至多数百个分子或原子构成)

0 0

虽然果壳不相信直觉,但直觉告诉我,绝对的都有点不靠谱~

0 0

这是完全有可能的。
绝对零度
意味着无运动,即绝对静止状态;
意味着时间静止;
意味着被静止的物体可以穿越到未来。

简言之,意味着以后不用冰箱,只要把食物静止,随时可以享用新鲜食物。

0 0

记得在学绝对零度的时候有个
0.00...01(忘了多少个0)的数字
不记得是低于273.16低0.00...01,还是差百分,0.00...01达到绝对零度了

0 0

盛令漪哈师大附中学生 模拟法院社团社长

2014-05-05 20:41

绝对零度……不就是分子热运动为零吗|……那就没有内能了啊……内能都没了还能有什么呢……

0 1

"绝对零度的时候熵为零" 这一条已经需要修改了,统计物理模型很多都具有0温熵,比如三角格点的Ising模型。另外,0温是否能达到,应该由实验来决定,理论上的推论是附加了很多条件的,都是暂时的。

0 1

razorenhua专注声学100年

2013-07-01 16:03

讲那么多!绝对零度就是所有分子、原子、夸克之类的停止了运动,绝对静止。在这种状态下,时间和空间都失去了存在的意义。

1 4
支持者: JIK

绝对零度是理论下限,意味着低于其他任何温度。

如果某物是绝对零度,那么它旁边的东西是什么呢?如果不是绝对零度,就会立刻向它传热(热传递、辐射),立马就不是绝对零度了。

所以除非全宇宙都变成绝对零度,这玩意才能是绝对零度。

0 3

我给孩子们的解释是这样的
能量或者热量你可以把他们想象成装在杯子里的水,杯子里的水越少代表温度越低,当杯子里没有水的时候,就相当于绝对零度,你可以把杯子的水完全倒掉一点也不剩吗?即使擦干也会也会留下水分子 ,科学家们在研究的就是如何把剩下的能量踢出去,如果踢出去了,就达到绝对零度了,只不过目前还灭做到,只是很接近,希望你们长大以后可以做到。
不知这样解释可行否?

0 4

开放体系中的有限部分在有限时间内保持绝对零度在理论上也是做不到的么?

顺便,温度不是分子级的东西么,怎么又扯上量子了

0 5

在我们人族达不到的机械族那边,有一个冶炼池可以达到零下1064亿摄氏度,这是咱么这个平行宇宙法则所能容忍的最低温度了

1 9
支持者: scythe7

绝对零度不就是绝对真空吗?在我们生存的宇宙边界还未触及到的未知空间应该就是绝对真空吧。不过霍金辐射会让它们凭空出现那些相互泯灭的粒子,虽然存在时间很短,便毕竟是存在的,也不能称为绝对真空。

0 0

我看了括号,但没看其他的,你说我厉害不。

查看更多

添加回答

登录 后回答问题,你也可以用以下帐号直接登录

相关问答

关于我们 加入果壳 媒体报道 帮助中心 果壳活动 家长监控 免责声明 联系我们 移动版 移动应用

©果壳网    京ICP证100430号    京网文[2018] 6282-492号    新出发京零字东150005号     京公网安备11010502007133号

违法和不良信息举报邮箱:jubao@guokr.com    举报电话:18612934101    网上有害信息举报专区    儿童色情信息举报专区