物理降温低温物理学的起源与发展.pdfVIP

物理降温低温物理学的起源与发展

0

物理降温低温物理学的起源与发展物理降温低温物理学的起源与发展

低温是现代科学技术的一个重要的实验条件，也是日常生活中常见需求。

物质的一

些神奇物性只有在低温才能显现出来，比如低温下的超导现象，液氦的超

流体现

象，低温下的整数和分数量子霍尔效应现象等等。日常生活中所使用的冰

箱空调都

是用来制造低温条件的，以方便人们实现降温避暑、冷藏食品等目的。

低温的范围是根据具体情况而定义的。在日常生活中零下负20摄氏度到零

度就算是

低温了，而在物理学科的研究中，往往把低温了，而在物理学科的研究中，往往把绝对零度绝对零度以上几十度的范围称

作是低

温，而温，而绝对零度绝对零度的温度值是-273.15摄氏度。绝对零度的概念是由阿蒙

顿首提出

的，他在研究体积不变时空气的压力随温度的变化关系时发现，压力随温

度的降

低而成比例地降低。这样当空气的压力降为零时所对应的温度就应该是最

低的温

度，度，即即绝对零度绝对零度，因为空气的压力不可能为负数，温度不可能再降低了。

因为

降低1摄氏度的温度相应空气的压力降低的量为冰的熔点温度(即0摄氏度)

下空气

压力的1/273.15，所以绝对零度为-273.15摄氏度。

历史上对于低温的探索可以追溯到法国化学家拉瓦锡所作的预言:在很高的

温度

下，比如在接近太阳的地方，地球上的所有液体和金属都会变成气体，而

在很低

的温度下，比如在远离太阳的冥王星所处的地方，地球上的空气或其中的

一部分气

体都会变成新的还未了解的液体。怎样在地球上就实现低温条件以便得到

新的液

体就成为科学家们所面临的一个巨大挑站。

然而，在打开通往低温的大门之前，就已经发现可以通过高压压缩气体来

得到其液

体状态。然而这并非易事，不仅仅因为获得高压的不易，更在于有些气体

在已有

的的最最高的气压下高的气压下仍仍然然没没有有被被液化，液化，似乎是永似乎是永远不会液化的远不会液化的永久永久气体气体。事

实证明，

这这种种永久永久气体气体的观念是错误的。的确，所有的气体都能液化，只不过对

压强和

温度都有要求。这是由安德鲁的研究工作所证实的。安德鲁继续了图尔对

气体-液

体平衡特征的研究，做了大量气液转化的实验，获得了一幅接近完美的物

质气相

和液相之间的关系图，即物相在压强-温度坐标平面上的分布图。在物相分

布图上

存在一个存在一个临界温度临界温度，在临界温度之上，物质只会呈现为气体状态，不管

给它加

多么高的压强。而在临界温度以下，则可以通过压缩气体或降低温度来获

得其液体

状态。这就解释了为什么会有状态。这就解释了为什么会有永久气体永久气体的出现，因为其临界温度比常温

(或当

时所能得到的最低温)要高，这样在其临界温度之上是无法通过加高压的方

式来使

其液化的。

虽然通过高压压缩气体方式来液化一些气体，比如空气中的氧气和氮气，

遇到了困

难，但是通往低温的大门还是被打开了。1877年，法国的一位采矿工程师

盖勒特

(Cailletet)，在法国科学院的会议上宣布把氧气液化成功。这是低温物理

学史

上的第一个意义重大的里程碑。

盖勒特起初也是试图沿用前辈的高压压缩气体的方法来液化气体。他首先

用乙炔做

试验，但是在达到预定的高压时，试管破裂，压缩气体从裂缝中漏出。实

验似乎

要失败了，但是盖勒特意外地观察到气体泄漏时玻璃管内有微量的雾形成。

当他用

很纯的乙炔重复上述现象后，他得出结论:气体压力极速降低时使乙炔突然

变

冷，因而部分乙炔在玻璃管内被液化。他把类似的方法用在氧气上，终于

发现氧气

被液化了!用同样的方法，也实现的氮气的液化。这样，正如拉瓦锡所预言

的那

样，空气被液化了!

盖勒特所使用的方法其实是气体膨胀致冷。先把气体高压压缩，这时气体

的温度会

升高，可以用水或其它较冷的液体来吸收其热量使其温度降到原来的水平，

然

后，让气体快速膨胀，气体在膨胀的过程中其温度会大大降低。在盖勒特

的氧气液

化的实验中，当氧气膨胀降温到其临界温度以下时就会在高压下被压缩成

液体

了