南开大学物理化学课程小论文Word文档下载推荐.docx

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在绝对零度下，原子和分子拥有量子理论允许的最小能量。

物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。

根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子动能越高，物质温度就越高。

理论上，若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。

然而，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。

因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。

所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。

在此一空间，所有物质完全没有粒子振动，其总体积并且为零。

2.绝对零度的发现过程。

16世纪末叶,法国物理学家阿蒙通发现[1]:

在水的沸点以下,温度与气体压力成正比。

他认为压力下降应有个限度,因而温度的下降也就有个限度,那时他推算出温度下降的限度是-246。

科学家后来还发现,气体的体积与压力及温度都有关系,不论加大压力,还是降低温度,气体的体积都会缩小。

1787年,法国物理学家查理将此写成一个定律:

一定质量的气体,压力不变,温度

每降低1,气体体积的缩小量为其在0时体积的1/273。

将实验得到的点拟合,仅考虑温度和体积两个变量的直接关系,发现在压强一定的情况下它们存在着线性关系,即在平面坐标图上是一条直线。

将该直线向温度降低的方向延长,直到体积为零时可以得到一个约为-273.15的温度值,这就是所谓的绝对零度。

如图所示。

6

3.传统热力学对绝对零度不可达到的证明。

考虑一个孤立体系在不可逆绝热过程中温度从T1降到T2,压力由p1变到p2。

（理论证明绝热可逆致冷过程是最有效的降温方法。

）如果用S（T1）表示T1时的熵,用

S（T2）表示T2时的熵,则对于不可逆的冷却过程来说,存在如下关系式:

因 为 在 恒 压 p1 下 有 :

在 恒 压 p2 下 有 :

所 以 ,

在 上 式中,Cp,m（p1）,Cp,m（p2）分别为p1和p2时的恒压热容。

根据热力学第三定律,

S（0K）是一个与压力无关的有限常数,也是有限值,则:

若T2=0K,则

由于上式中T1与Cp,m（p1）是绝热过程开始时的温度和热容,不论T1如何低（大于0K）,总是大于0的正值,这一积分不可能为0,更不可能小于0,这就反过来证明,T2=0K即温度降至0K是不可能的。

4.有关猜想：

宇宙中更广阔的温度范围。

绝对零度在宇宙中是存在的，在宇宙的某些地方，当巨大的能量被黑洞吸走时产生绝对零度，由于时间也是一种能量形式，所以在那一刻，时间也是停止的。

宇宙中有存在绝对零度的地方，甚至有低于绝对零度的地方，那些低于绝对零度的情况由反物质构成。

也就是说我们的分子运动需要提供能量，而反物质运动则吸收能量，所以绝对零度可以达到，只不过我们没有发现，也没法发现。

正如数字有正负，电流有正负，性别有男女一样。

5.对温度的进一步认识。

以绝对温标衡量的温度，其实是一个系统能量的变化与混乱度的变化之比。

我们熟悉的系统都有一个正的绝对温度，因为每增加一点点能量，总会导致混乱度增加。

反之，能量减小，混乱度也减小，能量的变化是负值，混乱度的变化也是负值，两者相除，所得的温度还是正值。

6.实验室中跨越绝对零度。

浅易理解：

电子、质子等在磁场中有两个朝向：

顺着磁场方向和逆着磁场方向。

粒子在顺、逆磁场方向时能量分别达到最小和最大。

能量最大的状态不稳定，最后总要调整到顺着磁场方向。

现在假设有100个带电粒子，施加从左到右的磁场，最后它们都顺着磁场排列。

此时，它们的能量最小，朝向一致混乱度最低。

现在突然把磁场掉转过来，粒子也将随之旋转180度。

在

50个粒子调转方向之前，系统的能量在持续下降，但系统的混乱度却在增加，绝对温度为负值。

实验过程：

珀塞尔-庞德1951年为研究负绝对温度状态问题做了这个实验：

他们将LiF晶体置于B=100Oe（奥斯特）的磁场中，调节LiF核自旋系统至

5K左右的热平衡状态，此时低能级的粒子数N-大于高能级的粒子数N+，而后在极短时间（约0.2μs）内将磁场迅速反转成-100Oe。

由于核自旋的进动周

期为1μs，故不可能随磁场反转，大多数粒子的自旋由原来与B同向而变成与B反向，于是出现N+＞N-的负温度状态（实验中约-10K）。

核自旋与晶格之间的弛豫时间（即彼此交换能量达到平衡所需时间）约为5分钟，但核自旋本身的弛豫时间（即互相交换光子达到平衡所需时间）仅为10μs，故这些负温度状态可持续大约5分钟。

可见负绝对温度状态只是出现在非稳定系统的一种短暂的平衡态。

推理证明：

对于某些系统，有时内能增加，反而使熵减小，此时系统处于负绝对温度状态。

这种状态实际上是一种非平衡状态，由于引入负绝对温度的概念，将它变为平衡态问题来处理。

考虑N个自旋为1/2、磁矩为μ0的粒子系统，忽略自旋相互作用，当系统置于磁场B中时，粒子的能量取两个可能的值±

ε0=±

μ0B，以N+和N-分别表示系统在某一状态下，高能级+ε0和低能级-ε0上的粒子数，设系统的能量和熵为E和S，则有：

将式

（2）、（3）和式

（1）分别给出的S-E，T-E和N+-E关系示于图中。

可见，

E＜0时，S的斜率为正，故总有N+＜N-，即低能级的粒子占有数大于高能级的粒子数，而在负温区内，T从-∞增至-0K，N+将由增至N，故总有N+＞N-，即高能级的粒子占有数大于低能级的粒子数，这与平衡分布规律完全相反，

故称负绝对温度下粒子占有数分布为粒子数反转态。

负温度是越过T=∞K的一种温度状态，它与正温度描述的平衡态不同，但大多数的热力学基本概念和定律与正温度的一样。

负绝对温度的系统不是一个正常的系统，负温度状

态需要通过特别的方法来实现，珀塞耳（Purcell）和庞德（Pound）实验（1951）确定了这种状态。

5.对“负绝对温度”的理解。

如此看来，负绝对温度并非我们想象的比绝对温度更“冷”的状态。

相反，在负绝对温度状态，高能态的粒子占多数，因而是不稳定，它总是朝着能量低的、具有正绝对温度的状态演变。

如果负绝对温度的物体和正绝对温度的放在一起，热量其实是从前者流向后者。

也就是说，“负绝对温度”其实比“正绝对温度”还“热”！

“负绝对温度”高于正无穷大温度！

这，印证了“物极必反”的哲学思想。

7.“负绝对温度”与对“第三类永动机”的遐想。

虽然热力学第二定律的提出似乎为探索永动机的人们关上了大门，但随着科学的不断发展及技术的进步，又有人假想了一种既不违反热力学第一定律，也不违反热力学第二定律，即能从单一热源吸取热量并使之完全变成有用的功而不产生其他影响的机器，国外有人主张把这种机器叫做第三类永动机。

第三类永动机做功要以消耗单一热源的能量为代价，理论上不违反热力学第一定律；

而若要不违反热力学第二定律，即满足熵增加原理（ΔS>

0），则必须使绝对温度T<

0，或者说存在负绝对温度。

这就是第三类永动机的工作环境，也是第二类永动机与第三类永动机的区别所在，前者在正绝对温度下工作，后者要在负绝对温度下工作。

1951年珀塞尔和庞德在实验中成功地证实了负绝对温度的存在。

至此，第三类永动机好像已经呼之欲出，但负绝对温度存在所必须的苛刻条件注定了第三类永动机在实际中根本无法实现。

8.负绝对温度的应用。

负绝对温度的概念可用于核自旋系统、激光器、顺磁物质以及微波量子放大器等。

9.体会与思索。

科学研究要敢于猜想，大胆质疑前人的结论、已有的知识。

但。

这都要建立在扎实地学好已有相关科学成果的基础上。

学习和创新在科研之路上都是必不可少的。

并且，我们要学好哲学，用哲学来指导我们向正确的方向探索。

反过来，科学上的开拓能加深我们对世界普遍规律的认识。

参考文献

1CohenEGD.AmericanScientist1977。

2朱志昂.近代物理化学（上册）.第3版.北京:

科学出版社,2004。

3弗里德V,哈梅卡HF,布卢克斯U.物理化学.薛宽宏译.北京:

高等教育出版社,1983。

4胡英,吕瑞东,刘国杰,等.物理化学.第4版.北京:

高等教育出版社,1999。

5LandsbergPT.RevModPhys,1956。