Илья Фроленков
август 2015.
14216

Почему у температуры есть минимальный предел и нет максимального?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
6
5 ответов
Поделиться

Мне кажется, у многих людей, в том числе тех, кто отвечал выше, немного неверное понимание того, что вообще такое температура. А еще у одного неверное представление того, что такое планковская температура. Поэтому давайте разберемся во всем по порядку.

  1. Сначала скажу что НЕ такое температура:

температура - НЕ мера движения;

температура - НЕ мера внутренней энергии;

температура - НЕ определяется из закона Гей-Люсака (да вообще этот ответ какой-то странный, как можно из эмпирического закона определить вполне реальные физические величины?).

Чтобы лучше понять температуру, давайте ответим на вопрос. Представьте множество молекул, скажем, воды движется в одном направлении без отклонений, без колебаний, с одной и той же скоростью. Чему равна температура такой системы? Проходивший (нормально) молекулярную физику человек ответит, что температуры у такой системы нет вообще. И окажется прав. Причем не важно как быстро движутся частицы.

Дело в том, что есть такая вещь как состояние, и такая вещь, как распределение скоростей частиц. Для состояния, в котором находилась предыдущая система, вообще не определяется понятия температуры. Температура определяется строго для одного типа состояния - состояния равновесия, при котором имеет место максвелловское распределение скоростей (со всевозможными вариациями). В таком случае температура просто напросто является параметром, сидящим в экспоненте. Термодинамически ее можно определить как производную внутренней энергии по энтропии. Но имеет эта производная смысл ТОЛЬКО в случае равновесия (т.е. максвелловского распределения). И внутренняя энергия тут не при чем. Может быть система с ненулевой внутренней энергией, но с нулевой энтропией, соответственно с нулевой температурой (закон Нернста).

  1. Планковская температура - это НЕ максимум температуры (энергии). Вообще планковские величины в теории возникли, как самые натуральные нормировочные множители, на которые удобно нормировать (обезразмеривать) величины (как это любят теоретики). Поэтому эти величины не несут такого глубинного смысла. Они на то и характерны. Т.е. понятно, что теория на таких энергиях работать не должна, но это не значит, что такие энергии невозможны.

Это ликбез для предыдущих авторов ответов. Теперь к вопросу.

Теоретически абсолютного максимума температуры, действительно, не существует. Система, может разогреваться теоретически (в состоянии равновесия) до каких угодно температур. Другое дело, какие процессы будут происходить при больших температурах, и будем ли мы в состоянии их описать. При больших температурах начнут разлагаться, сначала, молекулы на атомы, потом атомы на ядра и электроны, потом ядра начнут распадаться на нуклоны, потом нуклоны на кварк глюонную плазму... и... А вот что дальше - непонятно. Кварки - элементарные частицы, распадаться им уже не на что. Что будет происходить про бОльших температурах (скажем тех же планковских) - совершенно неясно.

Как было отмечено выше, самые высокие температуры были в момент Большого Взрыва (или начала инфляции, как больше нравится). Но проблема в том, что сказать какие именно температуры там были, а уж тем более, сказать что именно происходило при таких температурах - нельзя.

Поэтому, максимальный предел - он в данном случае связан с тем, что мы просто не знаем что происходит с материей при больших температурах, вот и все.

22
-3

Я автор ответв про закон Гей-Люссака. И я НЕ отвечала на вопрос, что такое температура, потому что никто и не задавал такого вопроса. Давольно странно говорить, что мой ответ неправильный потому что, он не отвечает на какой-то ваш собственный вопрос.

А теперь все таки вернемся к вопросу автора. Я не понимаю, где же проблема с законом Гей-Люссака. Так уж сложилось, что физика — это наука экспериментальная, так что в ней важнейшую роль играют наблюдения и эмпирические законы. Эмпирический закон не тождесвеннен качественному закону. Собственно, рассматриваемый нами закон, позволяет высчитать, даже величину абсолютного нуля очень точно.

То, как вы определили температуру — через энтропию — является наоборот, определением энтропии, через температуру, так как это ничто иное, как второе начало термодинамики. Понятие температуры в физике использовалось еще до понятий об энтропии. А вот энтропия как раз определяется, как производная теплоты по температуре.

Кроме того, закон Гей-Люссака был получен ДО второго начала термодинамики, т. е. того о чем говорите вы. На сегодняшний день этот закон не опровергнут, а значит является верным. Область его применимости позволяет, как очень точно (до градуса) вычислить абсолютный ноль температур (а так он исторически и был получен), так и сделать вывод о том, что верхнего придела у температуры нет.

Считаю, что ваша критика моего ответа основана ни на чем.

+1
Ответить

Послушайте. Даже не знаю, как об этом серьезно спорить. Во-первых Ваш ответ просто неправильный. Хорошо, пусть закон Гей-Люссака работает на температурах вплоть до 1e-3 К. А кто сказал, что он будет работать на более низких температурах? Ну допустим оно работает на температурах 1е-10000 К. А ниже? Какое вы право имеете экстраполировать эмпирический закон до нуля? А может он при совсем уж низких температурах вообще не работает (кстати, так оно и есть). Может там вообще закон меняется, или обретает ассимптоту. Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нужны более фундаментальные концепции, нежели какая-то эмпирика.

+3
Ответить

Пздц... Я только одно слово понял - "во-первых" :)

0
Ответить

Закон Гей-Люссака просто выводится из молекулярной физики. Это статистический закон о статистических величинах, который был вообще изначально получен эмпирически.

Дело не в том, опровергнут закон или нет. Дело в фундаментальности этого закона. Ну закон Гаусса в электродинамике или закон Кулона - это тоже очень правильные (эмпирические) законы. Но мы то с вами знаем, что это СЛЕДСТВИЯ уравнений Максвелла, которые являются более фундаментальными, потому что выводятся из принципа наименьшего действия в теории поля.

Грубо говоря, если мы хотим описать мир не бесконечным числом законов Гей-Люссака, понятий температуры и тому подобных эмпирических закономерностей, то нужно редуцировать все к более фундаментальным понятиям, таким как уравнение Больцмана, выводящуюся из него H-теорему и, следовательно, понятие (статистической) температуры.

Во-вторых, да, вы не отвечали на вопрос "что такое температура", и очень зря. Очевидно, что автор вопроса не совсем понимает, что все-таки такое температура. Вопрос на 90% отпадает, когда человек понимает суть самой температуры.

Совершенно неважно как исторически открывались законы. Что было сначала и т.д. Какая разница? Важно то, что мы имеем на сегодняшний момент. Все-таки теория - это универсальное знание об устройстве мира. Если вы опускаете самые важные пункты теории и рассказываете о каких-то придаточных законах, которые может вывести из фундаментальных начал любой школьник, то никакого глубинного понимания предмета вы не дадите.

+1
Ответить

Вроде, я в школе учился на пятерки, но судя по всему, у меня школа была отсталой. Где вы учились физике? Что за школа, в каком городе?

0
Ответить
Ещё 2 комментария

В Ереване.

0
Ответить

Всё! Своих детей будущих отправлю в Армению учится. А вы так же получали поверхностные знания из школьной программы. И только изучая самостоятельно вне программы литературу, познавали больше? Или у вас в школе прям серьезный уклон был на физику?

0
Ответить
Ещё 7 комментариев

Вот вы самое важное и написали в в самом последнем абзаце. Любой школьник может это вывести из школьного курса. Это по-вашему плохо? В этом же и вся соль. К чему усложнять, если этого не требуется. Да, о квантовой физике на таком уровне уже не поговоришь, а о температур — можно и нужно (по крайней мере начать). Вас не спрашивают о точных цифрах, а спрашивают, о факте наличия пределов. Мне кажется, что это очень интересно, что такие сложные вещи могут быть получены из основных законов, на которых потом и строилась остальная термодинамика (уравнение состояния тоже получается из газовых законов).

Про экстраполяцию, вы меня как будто невнимательно читаете. Я же написала, что из этого закона получается значение для абсолютного нуля (а не скольких-то там К) с точностью до градуса. Ясно, что это оценка, так как при нуле газ уже не газ, но тем не менее,оценка получается на удивление точной.

То о чем вы со мной спорите, вообще странно. Я понимаю важность фундаментальных законов и теорий объединения. Но не вижу смысла использовать их для объяснения физики не физикам, когда можно предоставить более легкое и, я подчеркиваю, верное объяснение. Это вообще странная позиция. Наверно задачи по гравитации из школьного учебника, вы все таки будете решать из всемирного закона тяготения, а не ОТО. А все потому, что ньютоновская гравитация является частным случаем эйнштейновской, и в определенных пределах можно и нужно использовать первую. Та же история с газовыми законами. Закон Гей-Люссака является частным случаем уравнения состояния.

Ну а следовало ли мне начинать с определения температуры или нет, это, наверно, все же мое дело. И я отвечала так, как считала нужными (как и вы в своем ответе). И то, что моя (именно) логика ответа вас не удовлетворяет, отнюдь не делает его неверным.

0
Ответить

Вы меня извините, я не специалист, но насколько я помню, закон Гей-Люссака подразумевает пропорциональную зависимость температуры от объема при условии сохранения постоянного давления - это очень важно, и является скорее прикладным законом в условиях, так сказать, "земных" параметров температуры, давления и объема. Использование его для обоснования теоретической бесконечности максимальной температуры, как мне кажется, несколько некорректно. 

Мне сложно четко сформулировать свои мысли сейчас, но, как я понимаю, планковская температура - это предел температуры, обусловленный параметрами вещества в начальном этапе расширения - т.е теоретически когда были определены фундаментальные константы, как то графитационная постоянная, скорость света и т.п...

Опять же, я не специалист, но как мне кажется, использовать данный закон для объяснения верхнего предела температуры примерно так же некорректно, как использовать например формулу равноускоренного движения для объяснения теоретически неограниченной скорости...

0
Ответить

Я честно пытался, но, увы, не понимаю, что вы говорите.

0
Ответить

Ну что ж, это удобный аргумент в любом споре. Ваше право.

Только вот, может и вашем ответе тогда не следует писать, что я неправа, а так честно и написать, что вы просто не понимаете, о чем я говорю (или не комментировать его вообще — такая опция тоже есть). Чувствуете разницу?

+2
Ответить

Я понимаю, что уже три года прошло. Но просто не могу пройти мимо.)

Забавно, как вы сначала обвиняете человека, что он не понимает, что такое Планковская температура, а потом повторяете его слова.
Вот, за что вы "опустили" отвечающего:
"Планковская температура. Скажем так, это не то что предел, просто современная физика не имеет возможности представить/описать температуры выше этой."
А потом просто повторяете его слова:
"Поэтому, максимальный предел - он в данном случае связан с тем, что мы просто не знаем что происходит с материей при больших температурах, вот и все."

Кроме того: "Температура определяется строго для одного типа состояния - состояния равновесия" - это не правда, иначе все тела бы имели одну температуру. Но это скорее опечатка, чем ошибка, как я понимаю.

Далее, полностью согласен с определением температуры (а как тут не согласиться? все же верно). Но, боюсь, его тяжело будет понять человеку, который спрашивает про максимальный предел температуры. Т.к. он вряд ли знает, что такое распределение Максвелла.

Я бы сказал проще: Температура - это характеристика системы взаимосвязанных элементов, например, газа, или твердого тела. Куча молекул воды, летящих в одном направлении с одной скоростью и без отклонений никак не взаимодействуют друг с другом и являются не более, чем отдельными молекулами, отдельная молекула не имеет температуры. Для тел самое простое определение температуры такое: температура - это величина, пропорциональная средней кинетической энергии частицы тела (системы), без учета движения самого тела. Т.е. как будто тело является центром системы отсчета.

Температуре вообще не просто дать реальное определение, так как она является чисто эмпирической и изначально возникла из нашего ощущения тепла и холода. В отличие от того же времени или расстояния.

Ну и да, температура является параметром в распределении Максвелла. Можно сказать, что температура, это величина, пропорциональная дисперсии скоростей молекул в системе.

0
Ответить

Мне кажется, или они вообще понятия не имеют что такое физика, и с чем её едят?

0
Ответить

Ну и да, температура является параметром в распределении Максвелла. Можно сказать, что температура, это величина, пропорциональная дисперсии скоростей молекул в системе.

Вот кстати да, отсюда следом возникает мысль, если температура зависит от кинетической энергии вещества, то есть от скорости, то получается, что у температуры есть предел, т.к. есть предел у скорости?...

0
Ответить
Прокомментировать

Теоретически максимальная температура была сразу после Большого Взрыва. Это планковская температура T = 1.416808(33)*10^32 Кельвинов. Практически планковская температура недостижима. Температура в центре Солнца примерно равна 15 млн Кельвинов. В термоядерных реакторах, созданных человеком, температура плазмы достигает 150 миллионов Кельвинов. Это в десять раз горячее чем на Солнце, но до планковской температуры ещё очень и очень далеко.

12
-5

А вы не в курсе, почему Планковская температура максимально допустимая? Википедия говорит следующее: "Выше планковской температуры энергия частиц становится настолько большой, что гравитационные силы между ними становятся сравнимы с остальными фундаментальными взаимодействиями". Непонятно, что из этого следует. От огромной энергии релятивистская масса что ли становится очень большой? Гравитация начинает разрушать структуру вещества, превышая сильное ядерное взаимодействие?

0
Ответить
Прокомментировать

Это очень просто. Существует эмпирический закон французского физика Гей-Люссака, который говорит о том, что для идеального газа объем прямо пропорционален температуре, то есть

V=T*const.

Так как объем не может быть отрицательным, то, очевидно, что температура ограничена снизу. И наоборот, теоретически V может быть сколь угодно большим, а значит верхнего предела для температуры нет.

Именно из этого закона, в предположении нулевого объема, было получено первое точное значение для абсолютного нуля. Я писала об этом здесь thequestion.ru

Анна Синельниковаотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
10
-8

То, что максимального предела нет - не вполне так. Он высок, это предел, но он есть, причем даже сразу несколько:
https://geektimes.ru/post/280530/

0
Ответить
Прокомментировать

Вопреки тому, что было уже сказано, здесь на Земле были получены температуры и гораздо ниже, по сути почти-почти абсолютный ноль. wikipedia.org

Но речь тут о максимальном пределе. В теории он существует, это не доказано, но всё же современные представления о нём есть. Это Планковская температура. Скажем так, это не то что предел, просто современная физика не имеет возможности представить/описать температуры выше этой. Это температура в момент «рождения» Вселенной, согласно теории большого взрыва. wikipedia.org

3
-2
Прокомментировать

Потому что еще в школе учат: температура - это мера внутренней энергии (кинетической энергии молекул) вещества.

Это значит, что при "абсолютном нуле" - -273,15 С - молекулы вещества вообще неподвижны. В действительности такого не бывает, самая низкая из получаемых температур - около 4 К (-269 С). Это температура кипения жидкого гелия.

6
-6

самая низкая из получаемых температур - около 4 К

Это не так. Самая низкая температура, полученная в лаборатории - порядка одного нанокельвина (десять в минус девятой степени).

+3
Ответить
Прокомментировать
Ответить
Читайте также на Яндекс.Кью
Читайте также на Яндекс.Кью