金敖然

(南寧市第三中學(xué))

隨著季節(jié)的更替,我們?cè)趹敉饪梢悦黠@感受到天氣轉(zhuǎn)暖或寒流來襲。其實(shí)這種冷與熱只是一種感知,那么用什么來描述到底有多冷,有多熱呢?是的,就是用溫度的高低。既然這樣,那宇宙中最冷有多冷?最熱有多熱?宇宙的極限溫度是多少?物質(zhì)又為什么會(huì)發(fā)生“熱脹冷縮”?高中人教版化學(xué)教材里講的熱力學(xué)溫度“開爾文”又是怎么來的呢?要想回答這些問題,我們就要從溫度的本質(zhì)說起。

一、溫度的本質(zhì)

溫度(temperature)是描述物質(zhì)冷熱的物理量。在化學(xué)中溫度可以影響化學(xué)反應(yīng)速率,影響可逆反應(yīng)進(jìn)行的方向,另外溫度的高低還會(huì)影響物質(zhì)存在的狀態(tài)和體積大小。那么物質(zhì)的溫度是怎么產(chǎn)生的呢?從微觀角度而言,物質(zhì)所體現(xiàn)出的溫度實(shí)際上是其分子熱運(yùn)動(dòng)的外在表現(xiàn)。溫度高低是分子平均動(dòng)能的大小,也就是說,分子熱運(yùn)動(dòng)越劇烈,宏觀物質(zhì)的溫度就越高。

舉個(gè)例子說明一下,太陽表面的溫度大概 5 700℃,炎熱的夏季陽光照射到地球,氣溫最高可以達(dá)到40℃左右,然而地球周圍的太空溫度卻出奇得低,在零下200℃以下。同樣的陽光經(jīng)過太空照射到地球,溫度怎么差別那么大?其原因就是太空環(huán)境幾乎是真空的,沒有了物質(zhì),就沒有了分子熱運(yùn)動(dòng),自然就體現(xiàn)不出來溫度了。

二、宇宙的最低溫度與最高溫度

下面我們探討一下宇宙中的極限溫度,即溫度的上下限。

知道了最低溫度。那么宇宙的最高溫度是多少呢?

有人說太陽的核心溫度是1 500萬攝氏度,地球上任何物質(zhì)都承受不起這樣的溫度,這應(yīng)該是最高溫度了。但是我國成功完成了“人造太陽”的建造,其核心溫度最高達(dá)2億攝氏度呢,這還不算什么,經(jīng)過計(jì)算,超新星爆發(fā)會(huì)在一瞬間產(chǎn)生巨大的熱能,溫度能夠達(dá)到1 500億攝氏度,這幾乎超出了人類的認(rèn)知,應(yīng)該是宇宙里最高的溫度了吧,其實(shí)還遠(yuǎn)不止如此。

那么,宇宙的上限溫度到底是多少?要想探討這個(gè)問題,我們還要從愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2開始,愛因斯坦告訴我們質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的,從而我們可以大膽推測,如果我們把整個(gè)宇宙的物質(zhì)和能量匯聚在一起,形成一個(gè)質(zhì)點(diǎn),那么這個(gè)質(zhì)點(diǎn)的溫度就該是宇宙的上限溫度了,這便是宇宙形成的開始。經(jīng)過科學(xué)家精密計(jì)算,宇宙大爆炸的瞬間可以產(chǎn)生大約為1.417×1032開爾文的溫度,這個(gè)溫度存在的時(shí)間很短,只存在了一個(gè)普朗克時(shí)間(5.4×10-44s),然后宇宙大爆炸的下一時(shí)刻這個(gè)質(zhì)點(diǎn)就開始向外拋射大量的物質(zhì)和能量并迅速降溫,那么這個(gè)溫度就是宇宙的上限溫度了,也叫“普朗克溫度”,即1.4×1032K。

通過前面的討論,我們了解了絕對(duì)零度是宇宙的最低溫度,根據(jù)熱力學(xué)第三定律,它只是一個(gè)理論值,無法達(dá)到。宇宙的最高溫度則是普朗克溫度,它產(chǎn)生于宇宙大爆炸那個(gè)瞬間,未來再也不會(huì)出現(xiàn)如此高的溫度了。

三、物質(zhì)為什么會(huì)發(fā)生“熱脹冷縮”

我們還是要從微觀角度來解釋這個(gè)問題。首先,物質(zhì)在一定條件下,其分子之間存在一個(gè)平均距離r0,無論分子之間的距離大于還是小于這個(gè)平均距離r0,其勢(shì)能都是要增加的,變得不穩(wěn)定。即當(dāng)分子靠近時(shí),分子之間表現(xiàn)出排斥力,距離越近這種斥力就越大,當(dāng)分子彼此遠(yuǎn)離時(shí),分子間又會(huì)體現(xiàn)出吸引力,使分子相互靠近,因此分子間距總維持在這個(gè)平均距離r0,如圖1所示,所以宏觀上物質(zhì)存在一個(gè)不變的體積。當(dāng)溫度升高時(shí),分子平均動(dòng)能增大,分子振動(dòng)的幅度會(huì)增大,分子之間的平均距離r0也隨之增大,以適應(yīng)更大的振動(dòng),宏觀上物質(zhì)的體積就會(huì)變大。另外,從分子的角度看,溫度升高,分子的能量增大,那么其擺脫分子間作用力的能力也就強(qiáng),分子間的平均距離自然就會(huì)被拉大,宏觀上就表現(xiàn)為體積增大,就是熱脹。反之,就是冷縮了。

圖1

然而自然界中也存在著一些冷脹熱縮的特例,這種典型的代表就是水。水在由0℃上升到4℃的過程中,隨著溫度的升高,呈現(xiàn)出“冷脹熱縮”的現(xiàn)象,稱為反常膨脹。人教版2019教材高中化學(xué)《選擇性必修2》用氫鍵、締合水分子理論給予了很好的解釋。冰晶體中每個(gè)水分子通過氫鍵與周圍的四個(gè)水分子接觸,形成內(nèi)部空隙很大的籠狀微觀結(jié)構(gòu)如圖2,這種結(jié)構(gòu)降低了空間利用率,故宏觀上冰的密度小于水。當(dāng)溫度升高,冰開始融化成水,水分子間的氫鍵也開始減少,之前的籠狀結(jié)構(gòu)也開始“坍塌”,空隙變小,空間利用率升高,故宏觀上體積“縮小”了。所以在0℃到4℃的范圍,水出現(xiàn)“冷脹熱縮”的現(xiàn)象。大家不妨假想一下,如果水沒有了這樣的性質(zhì),那么地球上的生態(tài)系統(tǒng)會(huì)面臨什么樣的問題呢?

圖2

四、溫度的幾種表示方法

最早提出用來表示溫度的物理量是“華氏溫標(biāo)”,它是在1714年,由德國人華倫海特創(chuàng)立的。具體講,它是以水銀作為溫度測量儀器,把一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,水的冰點(diǎn)定為32度,沸點(diǎn)定為212度,中間分為180個(gè)刻度,每個(gè)刻度一華氏以℉表示。它是英美等國普遍使用的溫標(biāo),與我們熟悉的攝氏度之間有如下?lián)Q算關(guān)系:華氏溫度=32℉+攝氏度×1.8,如室溫25℃就相當(dāng)于華氏溫度77℉。后來更為普遍使用的溫標(biāo)——攝氏度出現(xiàn)了。它是在1742年由瑞典天文學(xué)家安德斯·攝爾修斯提出的,經(jīng)過不斷改進(jìn)最終確定,以水銀為測量儀器,把一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,純凈的冰水混合物的溫度定為0℃,水的沸點(diǎn)定為100℃,然后在中間分成100份,每份1攝氏度,它的單位記作℃。攝氏度是使用最為廣泛的溫標(biāo)。最后說下開氏溫度,就是我們之前教科書提到過的溫標(biāo),大家之前不熟悉,因?yàn)樗饕糜跓崃W(xué)中,生活中不常見,有點(diǎn)“曲高和寡”。它是在1848年由英國物理學(xué)家開爾文建立的,與其他表示方法不同,開氏溫度不再用“水”作為度量參考,它是以絕對(duì)零度為起點(diǎn),即以-273.15℃為 0 K,為換句話說,該溫標(biāo)與任何物理性質(zhì)無關(guān),也稱為“絕對(duì)溫標(biāo)”“國際溫標(biāo)”或“開氏溫標(biāo)”,以符號(hào)“T”來表示,單位“K”,讀作“開爾文”,簡稱“開”。我們熟悉的理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT,這里使用的溫度就是開氏溫度。它與我們熟悉的攝氏度之間有如下?lián)Q算關(guān)系:開氏溫度的數(shù)值是攝氏溫度的數(shù)值加上273.15后得到的,如0℃就是273.15 K。