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挑战极限之温度

  • 来源:本站原创
  • 时间:2023/4/22 17:30:00

温度就是冷热,脱离了动物范畴后,人类开始用智慧挑战温度。

首先发起挑战的是原始人,目标是保持温度舒适区间。工具是树皮,毛发,兽皮等一切可以包裹身体的东西,直到衣服的发明这一挑战才进入尾声。挑战结果是人的体温从最初的42度下降到现在的36.5度,节约了人类自身的能量消耗,新陈代谢减缓,寿命延长。至于最终挑战项目,就是保温,工具则变成了各种保温材料。

科学家在保温项目竞赛中发现了温度的秘密,造成温度波动的推手原来是分子的运动。而温度,也变成分子热运动的能量。温度变化越大,热量波动越大。

在温度计发明以前,评判温度的标准以人的体感为准,只有冷热感觉。而保暖材料的选取,则各凭经验。直到温度计出现,一个统一的可以量化的标准诞生了。

最早的温度计是在年由意大利科学家伽利略(~)发明的。他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管,另一端带有核桃大的玻璃泡。使用时先给玻璃泡加热,然后把玻璃管插入水中。随着温度的变化,玻璃管中的水面就会上下移动,根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。

后来伽利略的学生和其他科学家,在这个基础上反复改进,如把玻璃管倒过来,把液体放在管内,把玻璃管封闭等。比较突出的是法国人布利奥在年制造的温度计,他把玻璃泡的体积缩小,并把测温物质改为水银,具备了温度计的雏形。以后荷兰人华伦海特在年利用酒精,在年又利用水银作为测量物质,制造了更精确的温度计。不同类型的温度计,都是先设计一个起始状态,再用不同的状态去对比一个温度值,然后用数学方法去重复验证这个观察数据的准确度。最容易观察的是水,比如一锅水烧开了去对比结冰的水,这样换算下来确定了0-摄氏度这一范围。冬天结冰和夏天炎热对比人的冷热感觉,从而确定了人类的舒适温度是37度,这就是体温。而保持体温就要避免热量流失,在长期实践中,人类发现各种奇怪现象。比如燃烧可以提高温度,井水夏天冰凉。山上凉爽山脚热,地窖阴凉房里热。为什么会有这些现象?直到科学家研究发现,热量是不同温度的物体之间的能量传递。

温度表示物体的冷热程度,它是一个状态量,所以只能说“物体的温度是多少”,两个不同状态间可以比较温度的高低。温度是不能“传递”和“转移”的,其单位是“摄氏度”。从分子动理论的观点来看,它跟物体内部分子的无规则运动情况有关,温度越高,分子无规则运动的平均速度就越大,分子运动就越剧烈。可以说,温度是分子无规则运动的剧烈程度的标志,它是大量分子无规则运动的集中体现,对于个别分子毫无意义。

温度反映的是分子无规则运动的剧烈程度。分子运动越剧烈,物体温度就越高。热量是在热传递过程中,内能转移的多少,温度高的物体放出热量,内能减小,温度低的物体吸收热量,内能增加。两物体间不存在温度差时,物体具有温度,但没有热传递,也就谈不上“热量”。

最早利用热量的是古代炼器师。燃烧不同的物质,获得的热量不同,表现出的温度也有高低。木材燃烧的热量能够将矿物冶炼成金灿灿的黄金,从而打造出各种祭祀所需的形状。炼金术开始分化出来,目标是寻找更多的黄金。炼金师在实践中发现一种物质在火中变成液态,冷却后固化成块,而这种物质很容易把细小的金粒分离出来,于是命名为铅。利用铅的低融点性质,炼丹师开发了各种神秘丹药。在冶炼黄金时,有时候保温方法得当,会出现一种与黄金颜色相近的物质,但不如黄金加工方便,这就是铜。铜器敲击时声音清脆,也可以用在祭祀上配合祭师吟唱,这样就产生了礼乐。铜还可以做兵器,盔甲等,这样一来,铜的需求也大增。而炼制铜的过程中,需要更高的温度。采用不同的保暖与燃烧方法,可以提高冶炼炉的温度,从而进一步发现了青铜和铁。但是木头燃烧的温度再也无法提高了,用什么方法得到更高温度呢?煤炭,石油所有可以燃烧的物质,只能得到"炉火纯青”的温度,为止就是铜的焰色,相当于摄氏度。接下来就是科学家上场了,燃烧产生的高温是物质内能的转化。那么内能是什么?

内能是能量的一种形式,它是物体内部所有分子无规则运动的动能与势能的总和。内能和温度一样,也是一个状态量,通常用“具有”等词来修饰。内能大小与物体的质量、体积、温度及构成物体的物质种类都有关系。现阶段主要掌握与温度的关系。一个物体温度升高时,它的内能增大,温度降低时,内能减小。切记“温度不变时,它的内能一定不变”是错误的。如晶体熔化、液体沸腾时,温度保持不变,但要吸热,内能增加。温度不变时,它的内能也可能减小(想一想为什么?)。同样,物体放出热量时,温度也不一定降低。

热量是在热传递过程中,传递能量的多少。它反映了热传递过程中,内能转移的数量,是内能转移多少的量度,是一个过程量,要用“吸收”或“放出”来表述而不能用“具有”或“含有”。热量的单位是“焦耳”。

温度越高,物体内的分子做无规则运动的速度越快,分子的平均动能越大,因此物体的内能越多。但要注意:温度不是内能变化的惟一标志。物体的状态变化也是内能变化的标志(如晶体的熔化、凝固,液体沸腾等)。

热量反映了热传递过程中,内能转移的数量。物体放出了多少热量,内能就减小多少;物体吸收了多少热量,内能就增加多少。要注意:内能增减并不只与吸收或放出热量有关,做功也可以改变物体内能。对物体做功,物体的内能会增加,对物体做了多少功,物体的内能会增加多少;物体对外做功,物体的内能会减小,对外做功多少,物体的内能会减小多少。

燃烧达到的极限高温是摄氏度,那么要获取更高温度只能改变燃烧方式了。采用风箱,中国人最早将高炉的温度提升到℃以上,达到℃即纯铁的熔点。

蒸气机的发明,使得英国人代替中国人继续挑战高温。在年,英国人为了解决煤炭脱硫的问题,于年将蒸汽机用于高炉鼓风,使得高炉温度能稳定达到℃以上,焦炭高炉的温度可以达到℃,使得钢铁工业真正开始蓬勃发展。

进入工业时代,科学家发现了更多可以燃烧的物体,进一步了解了传统燃烧的原理。气体分离成为进一步挑战高温的关键技术。燃烧的实质是氧化反应释放物质内能。从空气中提纯氧气后,燃烧能效比达到了最大化。

在年左右,氢氧焰的出现,使得人类能掌握的最高温度达到了℃,又因为氢气的密度较低,成为第一代导弹、火箭的常用燃料。

石油的发现,取代了氢气燃烧的最高记录。石油工业的发展,使得石油中提炼出各种新型燃烧材料,内能大大增加。由乙炔与氧气燃烧产生是人类能掌握的最高温度,达到了℃,能够融化任何常见的金属。

现代化学接下来继续挑战高温极限。人工合成气体二氰乙炔在氧气中燃烧达到了℃,能够熔化目前已知的任何物质。

化学走到了尽头,无法得到更高温度,而另一条看似无意挑战高温极限的路线,却意外崛起。

年,人类在化学反应之外,掌握了等离子电弧焊,它喷出的热焰达到℃,比温度最高的化学反应高出了一个数量级。

同样在年,人类掌握的第一代核裂变发电技术,Z脉冲功率设备核心温度达到了2×℃,也就是20亿℃的超级高温,达到了大质量恒星濒死时的核心温度。

更高的温度产生于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机,它产生的温度达到10万亿℃,已经达到宇宙大爆炸后万分之一秒时的温度。

虽然实验室得到的极限高温只有瞬间,但是这个挑战接下来交给中国人。EAST成功实现电子温度超过万度、持续时间达秒的超高温长脉冲等离子体放电。这也是目前国际托卡马克实验装置上电子温度达到万度持续时间最长的等离子体放电。

内能是物体内部所有分子无规则运动的动能与势能的总和.机械能是指整个物体发生机械运动时具有的能量.一个物体可以同时具有内能和机械能.因为一切物质的分子都在不停的做无规则运动,总有分子动能;分子间总是存在着引力和斥力,总有分子势能,所以一切物体在任何情况下都具有内能,即内能不可能为零.机械能可以为零.

至此,挑战高温极限的任务交给了数学家,理论上是粒子运动达到普朗克极限时的内能,计算出的普朗克温度是1.(33)×10^32K,这已经是人类宇宙的温度极限。只有宇宙的秘密真正揭开,才能知道,原来最高温度是意识点燃的火花,无限高温!




本文编辑:佚名
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