科學技術史 【科學史】一度應該有多熱

這是一壺25攝氏度的白開水 某個教育學家讓中國孩子和美國孩子分別想想 怎樣不用火就讓水沸騰起來 中國小孩拿水在太陽下曬了一天 沒有如願 而聰明的美國孩子把四杯25度的水混合到一起 水溫輕鬆升到了沸騰的100度 可見江華的思維永遠無法培養有創新意識的大科學家 針對這個傻逼故事 我們可以問一個問題 爲什麼四杯25度的水混合到一起不會沸騰呢 因爲溫度是它強度量 我們這輩子會接觸浪浪一堆物理量 大部分可以粗略地劃分成強度量和廣延量 一個系統中和系統大小或系統中物質多少 乘比例改變的物理量叫做廣延量 和物質的數量無關地稱爲強度量 廣延量是具有加和性的 比如質量 長度 內能 一克加一克等於兩克 一米加一米等於兩米 一焦耳加一焦耳等於兩焦耳 非常容易理解 強度量就沒有加和性了 比如溫度 密度 壓強 比如四杯25度的水沸騰了 五萬塊黃金堆倉庫裏突然變成白矮星了 100個氣瓶連一起 直接啓動人造鑽石 上帝看到這一幕 急忙開始驗證自己的遊戲文件完整性 爲什麼這些玩意兒沒有加和性呢 咱們會發現質量 面積 體積 這些經典的廣延量 人類在幾千年前就開始耍了 比如咱中國古代 就算沒學過物理學的人 也能說些一畝地加兩畝地 一斗米加一斗米之類的話 但是你要是聽他們嘴裏說出來 密度和壓強 那劃分一下就變了 哎 因爲後者這些強度量 基本都是廣度量和數量的比值 自然就和數量的加和性無關了 能對強度量有一個充分的 量化認識的文明 那科技水平又高了一個檔次 這也就來到本期視頻討論的核心問題 一度應該有多熱 在古代超長的一段時間裏 人類對溫度這個事是沒有概念的 不信我們可以來試試 大家調動腦子裏所有的古文儲備 有沒有任何一個段落 精確描述現在氣溫多少度的 比如什麼足針數土氣32度7 人們對溫度的評判 只能以自己的溫感作爲標準 一些古代農業的書裏也說 咱做食物的環境溫度 令溫如人夜下爲佳 這個算是在古代一個 比較好用的測溫手段 但是之前色覺成因那一期裏 我們提到了 人的主觀感受是不夠標準的 我記得我小時候看過一本 課後趣味小實驗的書 裏面說準備一杯燙水一杯冰水 找個特別好的朋友 讓他把兩根手指分別插裏頭10分鐘 然後讓他拿出來摸東西 說冷熱 兩根手指的感受是不一樣的 我看完之後深以爲然 感覺這實驗不純淨 把他朋友當耗材使 西方也對這種不確定性深惡痛絕 他們試圖找一個靠得住的自然標準 他們一通號召 比如巴黎天文臺地窖溫度 啊又調你們老家 黃油的熔點 黃油是他媽晶體嗎 特定動物的體溫 這和用人有什麼區別 正在燃燒的煤的溫度 鬼能測出來它的溫啊 水結冰的溫度 誒 最先認爲可以靠水的冰點 作爲溫度標準的人 叫奧勒羅莫 之後由華倫海特 在這個基礎上設計了一套溫標 叫做華氏溫標 誒不好意思打斷一下 溫標是什麼呢 其實就是衡量溫度的尺度 其實世界上客觀而言 並不存在溫度 對不起 這有點吹牛逼 我的意思是這樣的 假設橫軸是這個世界某個地方 真正的那個冷熱程度 縱軸是我們來描述它的溫度 它們之間的對應關係 啊 也就是這條線 就是溫標 世界上現在有很多溫標 雖然按照發明順序 是先有華氏溫標 然後有設施溫標的 但是無論是從目前使用範圍廣度 還是從便於理解的角度出發 我們還是先介紹一下 現行的設施溫標 是怎麼定的比較好 聽完了 你們就能感覺到 華氏溫標有多麼牛馬了 小學數學告訴我們 兩個點定一條線 找這兩個點的過程 就是找兩個自然界基準的過程 設施溫標的發明者 舍爾修斯 就使用了水的結冰點 以及在標準大氣壓下的沸點 作爲兩個指標 分別設爲100度和0度 這裏插一嘴 一開始他定結冰是100度 沸騰是0度 有點倒反天罡 這是因爲他老家是北歐的 不想在日常生活中 頻繁使用到負號 後來李奈把這兩個點反過來了 纔有了現在我們看到的樣子 定好了 兩個點一連 中間這段100等分 設施溫標做好了 就這麼簡單 對 就這麼簡單 所以大家也能看出來 定溫標有多麼的隨意 他當時如果樂意的話 把結冰到沸騰10等分 或者1000等分 也沒人攔着他 當然 用起來但騰與否 另說 在介紹剩下的溫標之前 還得說一下 等分是怎麼實現的 這依賴於一個溫度計的發明 這個溫度計裏面的測溫物質 就是隨溫度改變體積的物質 理論上來說 當然是用水 但是實際操作發現不對 100度的時候都沸騰了 還測個毛呢 所以就把裏面的測溫物質 換成了水銀 把水銀裝在管子裏後 把和0度水溫度相同的水銀體積 標個記號 把和100度的水相同溫度的水銀體積 標個記號 然後直接用尺子分 嗯 對 直接等分 雖然這裏存在一個很細微的隱患 叫膨脹係數 但是在這個小範圍內 可以不用care 真要care的時候 人類已經有新標準了 我們現在來欣賞另一個平行世界 華氏溫標的定法 哎呀 溫標嘛 不就是這個線挪來挪去嗎 好 華氏溫標長這樣 哎 剛剛不是說都是拿冰點定的嗎 怎麼華氏溫標長這筆呀 因爲華倫海特當年標定冰點的時候 用的是鹽水 所以他快樂的設定這個鹽水冰點是0 然後純的那個水的冰點是多少呢 32 多少 再往後翻三倍 第三個點是96 這個基準點是他測量自己妻子口腔溫度測量 不是兄弟 你他媽 不過沒關係 前兩個定好就行了 於是有了我們今天看到的華氏溫度 它和攝氏度的轉化公式長這樣 所以說攝氏度一度就是純水從結冰到沸騰的1% 而華氏度這個斜率不一樣 它的一度大概是攝氏度的1.8倍 那麼現在國際單位治理使用的溫標是哪一個呢 都不是 現在最嚴謹且對科學最重要的溫標是 凱爾文溫標 因爲攝氏溫標只是對於人類的生活比較方便 但是我們要描述分子沒有動能 這個理論上溫度最低的狀態 用水結冰的零度就太高了 咱們把整個線往左移動273.15個單位 這時候我們得到的新的溫標的起始點就是絕對零度 凱爾文爲了和原有的攝氏溫標接軌 沒有改變它的斜率 所以基本可以認爲 不過爲了嚴謹 依然要給凱氏溫標兩個點 除了絕對零度 另一個點是水的三項點 它在此處的溫度是273.16凱爾文 對於以後不學理工科的人來說 這個三項點可以近似理解爲水的冰點 但其實不是 咱未來哪一期專門講智力學的時候再細談 如果你覺得到了用絕對零度和三項點這麼嚴謹的描述 人類就滿足了 那你就太高看人類對誤差的容忍程度了 人類發現三項點在測定的時候 容器壁的微量納元素會溶於水影響結果 而且地球上的純水不只有一氧化二氫 可能還有一氧化二氘 一氧化二氚 一氧十八化二片 影響這個比例的因素叫做自然分度 自然分度是什麼 跟我念 在一個行星上自然發現的化學元素同位素比例 啊行星 人類希望自己用的這個單位標準 是放之可觀測宇宙皆準的 去年今天跟了國際單位制那一期視頻裏 大家能發現 2018年的那一次大會的歷史意義是 長度質量時間再也沒有誤差了 之前的金線公轉週期都只是在地球上好使 但是改了之後 光速普朗克常量都是焊死的 不會存在誤差了 無論是未來進行跨恆星系殖民 還是和外星人統一度量恆 都非常好用 什麼你說光速和普朗克常量要是變量怎麼辦 我靠那個時候人類應該關心一下 自己相對論和量子力學大廈的技術假設 還能不能擔得住決 而不是關心單位 家都被原子彈炸了 你還關心自己早上出門有沒有疊被子 所以不出意外的 2018年的大會上 也給鈣石溫標定下了焊死的標準 以鈣文被定義爲 對應布爾斯曼常數爲1.380649×10的 -23次方焦美鈣的熱力學溫度 這個比去年講的三個單位都變態 這次咱不打交往了 對自己有能聽懂信心的可以跟着聽一聽 布爾斯曼常數是將氣體中粒子的平均相對熱能 與氣體的熱力學溫度聯繫起來的比例因子 它還可以將系統的微觀狀態與其宏觀狀態 通過熱力學概率和商聯繫起來 高中化學學過兩個常數 阿弗加德羅常數Ina 6.022×10的23次方美摩爾 以及理想氣體常數 Pv等於Art裏面那個R 8.314焦美摩美鈣 咱們把R除以Ina算出來 就是布爾斯曼常數 但這個R是會變的 導致布爾斯曼常數也在變 那咱們就直接把它規定死 國際科技數據委員會根據全球最精密實驗室測出的結果 直接定死布爾斯曼常數 這個定值有一個很微妙的點 焦美鈣這個單位可以轉化成千克平方米每二次方秒美鈣 前三個全是老熟人啊 就一個位質量 這個定義的結果是 迪開等於熱能發生1.380649×10-23四方焦耳的改變 導致的熱力學溫度變化量 所以從這些物理量的定義與發展可以看出 它們最初都取材於地球 取材於我們身邊的世界 但是隨着我們不斷的前進 我們終有一天要走向星辰大海 那麼一步步擺脫這些依賴地球而定下的基礎物理量 就是我們爲這一目標做出的早期準備之一 這也正如齊爾爾科夫斯基說的那樣 地球是人類的搖籃 但人類不可能永遠被束縛在搖籃裏