[水煮物理]：春江水暖谁人知 - 中国科学院物理研究所

[水煮物理]：春江水暖谁人知

2010-09-19

文章来源:

作者：罗会仟中国科学院物理研究所

杨明义《春江水暖》

　　 “竹外桃花三两枝，春江水暖鸭先知。”苏东坡脍炙人口的诗词告诉我们：要知道水的冷暖，唯有自己亲自感受一把，鸭子嬉水固然就为“先知”了。又若“如鱼饮水、冷暖自知”以及“乍暖还寒时候，最难将息”，可见古人对于冷暖的概念大都来自于感官信息。事实上，触觉感知温度往往是不准确的，触觉只有对温差是比较敏感的。假如你刚刚洗个热水澡就把你扔到春江里去，肯定还是得冻个半死，水暖就无从谈起了。要对物质冷热程度进行度量，需要有明确的物理量，它就是温度。

　　从宏观上来说温度代表物体的冷热程度，一块材料是冷是热可以从它的温度是高是低来衡量；从微观上来说，温度就是物体分子热运动的剧烈程度，组成物质的微观分子实际上在平衡位置附近会不断振动，所有分子振动的平均能量就和温度有关。因此，温度变化实际上和能量的转移是分不开的，这类能量转移我们可以称之为热量。物质之间的热量传递会引起温度的变化，但是如何表征温度的高低呢？这就有必要确认一个标准，即取某一个物质的温度作为参考点，这样就可以表示其他物质的温度了，由此成为温标。

温度计

　　最早的温标是Fahrenheit在1714年制定的华氏温标，他取氯化铵和冰水混合物的温度为零度，人体温度为100度，把水银的膨胀体积在此之间分成100等份，每一份就是1°F。而Celsuis在1740年则取一个标准大气压下的冰水混合物为零度，水的沸点为100度，定出了摄氏温标°C。随着参考点和分度法的不同，不同的温标下面对于同一个客观温度可以有不同的数值，这是非常令人烦恼的事情。此外，一般来说测定温度必须采用温度计，水银、酒精、石油等液体温度计是以测温物质膨胀体积和温度关系衡量的，气体温度计可以根据气体压强和温度关系，金属温度计是根据金属电阻和温度的关系，电偶温度计是根据热电势差和温度的关系，无论采取任何测温物质，测得的温度实际上都是在假设除测温属性随温度变化以外其他属性不变的情况下获得的。这样的话，这些依赖于测温属性的温标必然会依赖于测温物质，于是任何温度计似乎都难以测得物体的真正温度。

Celsuis 和 Kelvin

　为解决温标的混乱局面，Kelvin根据热力学第二定律提出，可以根据卡诺循环的热量作为测定温度的工具，把热量作为温度的唯一量度，就可以建立不依赖于任何测温物质的温标——开氏温标，亦称热力学温标。在热力学温标中，定义水的三相（气、液、固）点为273.16K，对应摄氏温标下一个大气压下水固液线为273.15K（注意和前者有0.01度的区别），也即0°C，这样绝对零度0K就是-273.15°C。

奇妙的量子世界

　绝对零度是个什么概念？温度为零的时候，就是说物体内部分子热运动不存在，分子被完全“冻”住了。有人想会不会就是“整个世界都彻底清净了”？量子力学告诉我们不是如此。微观粒子即使在绝对零度下没有了热运动，但还是存在量子涨落和量子相变等量子过程，并非绝对的“静止不动”。如前所述，温度和热量传递密切相关，和微观粒子热振动的能量密切相关，若简单言之，温度实际上就代表了能量的一种形式——热能。那么处于绝对零度下的微观粒子态系统，就是热能的最低态，在量子力学中叫做基态。微观粒子系统的基态是多种多样了，显示出量子世界的复杂性。关于奇妙的量子世界，《水煮物理》的后半部分将会逐一为您揭示，此处暂且略过。

　　热力学第三定律指出，绝对零度是不能通过有限次降温实现的，它只是一个可以无限逼近的理想值。人类获得低温的方法有很多，诸如用氦气减压制冷可以达到1K左右，用He3和He4同位素进行稀释制冷可以达到mK（千分之一）量级，利用绝热去磁技术可以达到千万分之一K，而用激光制冷可以达到十亿分之一K。随着温度的一步步降低，许多奇妙的量子现象就会呈现。如超导（电阻消失、磁力线排出物体外）、超流（流体不呈现粘滞性，具有很好的热导率）、玻色爱因斯坦凝聚（所有原子同时降到能量最低态）等等。