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絕對零度如何確定為零下273.15攝氏度?

簡單來說,通過理論和實驗,可以得到絕對零度約為零下273.15攝氏度。至於這個結果是怎麽得到的,先來簡單了解一下為什麽會有絕對零度的概念。

粒子的熱運動會讓物體產生溫度,所以溫度在本質上其實是用於度量粒子的熱運動劇烈程度。粒子的熱運動越不劇烈,對應的溫度也會越低。當粒子完全靜止,熱運動完全停下來之時,溫度將會下降到最低值,這就是絕對零度。

不過,無論從相對論的角度,還是從量子力學的角度,粒子都不可能完全靜止,所以絕對零度是無法達到的溫度下限。在相對論看來,絕對靜止是不存在的,因為沒有絕對空間,靜止都是相對而言的。而在量子力學看來,如果粒子絕對靜止,那它們的位置和動量就能同時確定下來,這就違背了不確定性原理——無法同時測得粒子的位置和動量。

根據熱力學中的查理定律,在理想氣體的體積保持一定的情況下,理想氣體的壓強(P)和溫度(T,熱力學溫度)兩者成正比,或者說它們的比值是一個常數(C),相應的表達式如下:

P/T=C

在體積維持恆定的情況下,可以測量出氣體的壓強和溫度之間的關係。再基於最小二乘法,能夠擬合出關於壓強和溫度關係的直線方程:

接下來,將直線外推到橫坐標上,不同氣體最終都會交於一點,這樣就能得到絕對零度約為零下273.15攝氏度。

另一方面,根據熱力學中的蓋-呂薩克定律,在理想氣體的壓強保持一定的情況下,理想氣體的體積(V)和溫度(T)兩者成正比,由此也能推導出絕對零度的大小。

在熱力學中,絕對零度被定義為0開氏度。所以開氏溫標與攝氏溫標的轉換關係為:開氏溫標=攝氏溫標+273.15。

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