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超高温与超低温

怎样表示温度的高低?

我们日常生活中常会使用到“温度”这一概念。那么该如何表示温度的高低呢?这里我们将介绍有关超高温与超低温(极低温)的知识,但在此之前,还是先一起来看看常用来表示温度的“摄氏度”是什么吧。

瑞典人摄尔修斯(1701—1744)最早提出用数字刻度的形式来表示温度高低,所以后来就用他的中文译名的第一个字命名单位,记作“摄氏度”。摄尔修斯将一个大气压下水的熔点(固体转变为液体时的临界温度)与沸点(液体沸腾转变为气体时的温度),分别定义为100 ℃和0 ℃(1742年)。但是,这样一来温度越高数字却越小,显得非常不自然,所以之后又分别改成了0 ℃和100 ℃。

而现在,我们则是先定义一个绝对温度,然后再用这个绝对温度来定义摄氏温度。

具体来说,绝对温度中的“1度”,等于水在固体、液体、气体三种状态平衡共存时的温度(“水的三相点温度”)的1/273.16。

这个数字没有被普及,主要是因为在绝对温度的概念提出前,人们已经普遍使用了摄氏温度,而且摄氏温度的“1度”与绝对温度的“1度”都指的是相同温度差。

另外,摄氏温度与绝对温度之间在读数上相差273.15。而这个数字也没有被普及,因为摄氏度已将水的熔点与沸点分别定为易用的0 ℃和100 ℃。

物体到底能有多冷?

说起高温的话,可以有几千万摄氏度、几亿摄氏度、几兆摄氏度等无极限的高温。但是,低温的话就不会存在所谓“-500 ℃”或者“-1000 ℃”这样的温度。低温就到-273.15 ℃为止,没有比这更低的温度了。那么,这又是为什么呢?

我们之前说过,温度就是表示构成物质的原子、分子运动的激烈程度(原子、分子的运动能量)。

固体的温度高,表示构成物质的原子、分子在进行剧烈振动。

从超低温到超高温示例表

续表

气体的话,由于分子是以极快的速度向外飞散,所以分子的运动速度越快,其温度就越高。高温没有所谓的极限范围,就是因为分子和原子具备进行无限剧烈运动的可能性。

而当温度达到-273.15 ℃的低温时,一切原子、分子都将停止运动。因此,也就不存在比这更低的温度了。

将这个最低温度定为0,比起摄氏温度——以水结冰时的温度为基准,这样的定义更具合理性。而这种表示温度的方法就叫作“绝对温度”,并以科学家开尔文名字的第一个字母K(开)来作为单位。其刻度间隔与摄氏温度相同。

在如此低的温度下,物质会出现一些不可思议的现象。例如,普通的金属由于种类的不同,其电阻的大小也不相同。但在极低温条件下,大部分金属的电阻值变为了零。

另外,液态氦在低于2.2 K的极低温条件下,会出现“超流动”现象。

所谓“超流动”,是指液态氦会出现“沿容器壁向上流动,并能从液体通常无法通过的狭窄间隙中流出”这样的神奇现象。这是由于在这种状态下,原本存在于普通液体内的“黏性阻力”变为零造成的。当然,这也与氦原子属于玻色子(Boson)有关。

冰箱的冷藏室与冷冻室分别是多少摄氏度?

炎炎夏季,人们总想着一打开冰箱门就能喝到冰镇的饮料吧。所以,电冰箱承担起了冷藏、冷冻物品的重要作用。

在电冰箱的内部,冷媒(现在已经不使用的氟利昂等)主要是通过管道来循环往复。对冷媒施加压力会使其变成液体,而其在转变成气体时会带走大量的热量,从而实现降温的作用。

冰箱可分为用来储藏无须冷冻的食品的冷藏室和用来储藏冷冻食品的冷冻室两部分。同时具有这两种功能的冰箱被称作冷冻冷藏冰箱。这里就来介绍一下这种冰箱。

冷藏室与冷冻室,各自的温度有很大差异。冷藏室中的水不会结冰,而冷冻室中的水会冻成冰块。

众所周知,水会在0 ℃时结冰。而一般冷藏室的温度都设在4 ℃,冷冻室的温度则设定为-18 ℃。-18 ℃就是说比水结冰时的温度(0 ℃冰点)还要低18 ℃。

冷藏室的作用,主要是防止因细菌及霉菌的繁殖所导致的食物腐败。细菌和霉菌在7 ℃左右会开始繁殖,12 ℃左右时会开始快速繁殖。因此,4 ℃的温度设定,能有效地抑制其繁殖。

另外,冷冻室主要是用来保存冷冻食品的,所以需要有非常低的温度。冷冻食品在店铺内展示时,都是低于-18 ℃的状态,因此买回家后也要放在冷冻室中保存。

用手触碰冷冻室中的冰块时会发生什么?

冰块的温度是多少摄氏度?我想一定有人会说:“难道不是0 ℃吗?”

实际上,冰块的温度范围可以是-273 ℃到0 ℃。如果是使用干冰来进行冷却的话,冰块的温度大约会是-78 ℃,而冰箱冷冻室中的冰块则大约是-18 ℃。

那么,对于“0 ℃的冰块”又该怎么理解呢?例如,当我们取出-18 ℃的冰块,并将其放置在室温20 ℃的房间内时,冰块的温度会逐渐地上升。而且,其达到0 ℃时会开始融化。直至融化终止前,它会一直保持在0 ℃。0 ℃就是冰块开始融化、液体开始冻结的临界温度。

从冷冻室取出的冰块,其温度为-18 ℃。而此时,当我们用手去触碰时,在接触处(冰块的表面)的温度会有所上升,融化成水,形成手—水—冰三者紧密结合的状态。由于剩下的冰块大部分温度仍为-18 ℃,所以即使通过手指传递的热量使其表面部分融化成水,这些水也会被低于零下温度的冰块本体再次冷却,重新结冰。

人体内约60%是水,所以当我们触碰特别冷的、零下温度的物体时,接触部位的细胞内部的水分会被冻结,然后与该物体“粘连”在一起。

像在西伯利亚这样天气极为寒冷的地区,铁棒也会处于非常低温的状态,用手握住后,再次放手时甚至可能会让被冻结的皮肤发生脱皮的情况。

干冰与液化碳酸气体

干冰常用来冷却保存冰激凌,是一种非常冷的白色固体物质,温度约为-79 ℃。

1925年,美国一家叫干冰公司的企业,在纽约成功地实现了世界上首次对干冰的大批量生产。而“干冰(Dry Ice)”这一称法也是由该公司命名的。日本从美国引进相关设备后,于1928年开始生产干冰。

干冰,就是固态的二氧化碳(也称碳酸气体)。干冰可以不经过液态,直接转变为气体。我们将这种固态不经过液态,直接变成气态的变化过程叫作“升华”。厕所中使用的芳香剂、衣橱中使用的防虫剂会一点点地变少,就是由升华造成的。

冰块也会升华。例如,用冰箱制成的冰块,如果长时间放置在制冰盒中的话,其边角会变得圆滑。这是因为冰块表面直接升华成了气体。我们日常生活的标准大气压为1013百帕,而当对干冰施加5.2倍于此的高压时,就会使其变成无色透明的液体。

其被储藏在液化气罐中,并一直保持这种受压力的液态状态,则被叫作“液化碳酸气体”。液化碳酸气体常被用于生产碳酸饮料和速冻食品。大家可以留意一下装啤酒的易拉罐罐身标签上的内容。

另外,将干冰投入水中的话,会产生白色的雾,这并非干冰颗粒或者二氧化碳气体,而是很小的水滴和冰粒。

氧气被冷却后会变成蓝色的液体

空气是由占其体积78%的氮气、21%的氧气以及1%的氩气等其他气体组成的混合气体。笼统地说就是,氮气占八成,氧气占两成。如果我们将空气冷却的话会发生什么呢?

将气体先压缩至狭小的空间,之后再释放到宽阔空间时会使其温度下降(绝热膨胀)。通过重复这一过程,可以逐渐降低气体的温度。这样一来,空气就变成了液体。氮气的沸点(液体沸腾转变成气体时的温度)是-196 ℃,而氧气的沸点则为-183 ℃。对于液态化的空气,稍微加温就会使其中的氮气蒸发,同时使氧气浓缩,而蒸发的氮气被冷却后会再次变成液体。这样一来就分离出了液态的氮气与氧气。液态氮气无色透明,而液态氧则是淡蓝色的。

如果将冰块投入-196 ℃的液态氮中,冰块的温度也会变成-196 ℃。

水蒸气会引燃火柴吗?

水会因温度的不同而呈现不同的样态。低于0 ℃时就不再保持液体的状态,而是变成冰块这样的固体。而高于100 ℃时同样不再是液态,而是会变成气体(水蒸气)。

水蒸气是肉眼无法观察到的。我们所看见的白色的水汽,其实是水滴。水蒸气中的水分子向四周散开并快速地飞散,我们无法看见,而冰块(固态的水)和液态的水,因为其水分子都“抱团”成集团,所以能被我们看见。

那么,水蒸气的温度到底有多少摄氏度呢?

洗好的衣服即便在室温中也能被晾干,就是因为水分蒸发成了水蒸气。房间中的水蒸气其温度等于室温。沸腾时的水蒸气则接近100 ℃。从沸腾着的水中冒出的水蒸气,能否被加热到几百摄氏度呢?

高温的水蒸气很危险

使用上页图中的装置,用火加热烧瓶中的水使其沸腾,产生的水蒸气会通过环形的铜管。再对铜管进行加热,使铜管前端冒出的水蒸气处于高温的状态,但水蒸气仍然是无色透明的,无法被肉眼观察到。此时千万不要用手去靠近水蒸气,会有被烫伤的危险。因为高温水蒸气是很危险的。

接下来,尝试将火柴靠近铜管前端的位置。依靠水蒸气的温度来引燃火柴。将火柴迅速从水蒸气中移出到空气中,会发现火柴被引燃了。

然后,尝试将纸张靠近同一位置。也许有人会觉得“冒出的水蒸气会浸湿纸张”吧。但由于此时水蒸气为几百摄氏度的高温,并不会简单地重新变回低于100 ℃的液态的水,所以纸张在被浸湿前就已经被烫焦了,甚至还有可能被引燃。

用液态氦来冷却水,可得到-268.9 ℃的超低温的冰块,而将水蒸气加热的话,可得到几百摄氏度的水蒸气。 NBHKk3ylvmnu0hnrOSRFKn6lFWAoVNz9UC9JeveoN/g/o399hh7T4JzY3/YoGcEN

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