把一个密闭容器里的空气抽干,容器里就变成绝对零度了吗?

例如一个密闭的玻璃罩子,里面只有空气,那么把空气抽干,理想状态下,罩里就没有分子了,也就没有内能了,所以罩子里就是绝对零度了吗?我头脑中仅有的理论让我…
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这是个好问题,牵扯到如何定义温度的问题。

先给出答案:在高中阶段来说,无法在真空上定义温度,因为真空不是热力学系统。

高中阶段,温度是用大量分子的平均动能来定义的,也即:\bar{E_k} =kT,这个前提是体系中有「大量」分子;如果没有大量分子,首先无法定义的是热力学平衡态,因为你会发现就算是一个孤立系统,如果只有几个分子的话,平均动能也是变化的,这样我们就无法确定什么时候是平衡了。

不过,这个问题可以从另一个角度来提:在实验中,抽真空的机器一般无法抽出绝对的真空,而是将压强降至非常小,这时系统中是否还有着足够定义热力学各种概念的「大量分子」呢?通过理想气体的热力学关系pV=nRT,我们可以看到压强和物质的量成正比,正常情况下比例系数大概是10^6量级(R~10^0,T~10^2,V~10^-3),假如我们把压强降至10^{-11}Pa(这几乎是目前最高级别的真空了),物质的量是10^{-17}mol,对应的分子个数是10^6,仍然是足够大的分子个数。所以,在现实中,即使抽了真空,里面残留的气体也足够我们定义温度,而这个温度根据热力学平衡态的定义就是室温。

不过,如果超出高中范围,事情就没有这么简单了。首先,温度的定义发生了变化,在统计物理中,温度由熵对能量的导数定义,即\frac{1}{T}=\frac{\partial S}{\partial E}(经

@化砖渣

指正,原来的式子由于脑抽写错了……),所以原则上你只要能够写出系统的熵和系统的能量,就可以写出系统的温度,而熵和能量不再依靠大量「分子」,而是依靠大量「自由度」这个概念,通俗来讲就是这个系统由大量的自变量确定,这种定义大大拓展了温度这个概念的适用范围。举个例子来说,宇宙空间中物质分子的数量无法让我们定义温度。但是,宇宙并非是空无一物的,一个常见的例子就是电磁波。我们的宇宙空间中充满着电磁波,整个宇宙中的电磁波是由每个点上的电磁振荡决定的,这是一个具有极大自由度的系统,因而可以看成热力学系统,从而可以定义温度。

宇宙背景辐射_百度百科

相信你听说过,这就是科学家们研究的宇宙初期的辐射残留,其温度大约是3K。

即使是在没有电磁波的真空中,一样有着不间断的粒子产生和湮灭,这个系统仍然是极大自由度的,从而可以定义温度,这样的系统有一个例子是黑洞。在黑洞的视界边缘随时都发生着粒子的产生,但是它们并没有机会湮灭,而是一个落入黑洞,另一个向外辐射,所以从外界看来黑洞在不断辐射,从而可以定义温度。一般而言,这个温度极低。

总而言之,现在物理学中的真空概念已经较原来复杂了许多,就算是没有「分子」的空间,一样会存在着各种「场」,它们也会为真空带来温度,所以仅仅依靠把空气抽干,是不能得到绝对零度的。

仅仅本科物理渣,以浅薄的物理知识来充个数:

譬如反证法,假设一个理想的容器,强度足够大,把容器里面的空气完全抽空,一个分子原子都不留下,然后假设容器内部变成了绝对零度。

那么,容器的壁是不是也是绝对零度?如果不是,容器的壁的热量会被容器里面空间的低温“吸走”,那“吸取”了热量的空间就不是绝对零度了。如此循环,容器变成无限的“冷源”,热量的“黑洞,这种情况应该比较反常识。

所以反推,假设的前提”容器内部变成绝对零度“不合理 ……