问题

人类可以将物质加热到什么程度?

回答
人类能够将物质加热的程度,取决于多种因素,包括我们使用的技术、需要加热的物质种类,以及我们想要达到的目的。从日常生活中我们用炉灶加热食物,到科学研究中需要极端高温的实验,人类的加热能力跨度非常广阔。

让我们从不同角度来详细探讨人类可以将物质加热到什么程度:

1. 日常生活中的加热能力:

炉灶、烤箱、微波炉: 这些家用电器通常可以将食物加热到几百摄氏度。例如,烤箱的最高温度可能在250300°C之间,微波炉则通过电磁波激发水分子,也能在短时间内将食物加热到较高的温度。
火焰(燃气灶、蜡烛、打火机): 开放火焰的温度也会因燃料和空气供应而异。天然气火焰的温度可以达到1000°C以上,而蜡烛火焰的尖端温度大约在1400°C左右。这些温度足以熔化许多金属,如铝(约660°C)和铜(约1085°C)。

2. 工业与工程中的加热能力:

在工业生产中,为了加工材料,需要更高的温度:

熔炉(如炼钢炉): 炼钢炉是工业中常见的高温设备,它们可以将铁矿石等原材料加热到非常高的温度以提取金属。现代的电弧炉可以将钢水加热到约16001800°C,而感应炉则能达到更高的温度。
玻璃制造: 制作玻璃需要将沙子(主要成分是二氧化硅)加热到其熔点之上,通常需要14001700°C的温度。
陶瓷烧制: 陶瓷的烧制过程也需要高温,以使粘土颗粒发生化学和物理变化,变得坚固耐用。烧制温度根据陶瓷的种类不同,可以从几百摄氏度到1300°C以上。
焊接和切割: 使用乙炔氧气火焰进行焊接或切割时,温度可以达到3000°C以上,足以熔化和汽化金属。

3. 科学研究中的极端加热能力:

在科学研究领域,特别是物理学和天文学领域,人类创造和研究的温度可以达到宇宙中最极端的条件:

激光器: 高功率激光器可以聚焦光能,在极小的区域内瞬间产生极高的温度。一些先进的激光系统能够将物质加热到数百万甚至数千万摄氏度。这些技术常用于惯性约束聚变研究。
等离子体技术: 等离子体是物质的第四态,由高度电离的气体组成,其中电子和离子分离。在核聚变研究中,需要将等离子体加热到上亿摄氏度才能启动聚变反应。例如,托卡马克装置(如ITER项目)就是利用强磁场约束高温等离子体进行核聚变研究。在这些装置中,等离子体的温度可以达到1亿到2亿摄氏度,甚至更高。
粒子加速器: 虽然粒子加速器本身不是直接加热物质,但它们通过加速粒子来模拟宇宙大爆炸初期的极端条件。在粒子碰撞时,会产生极其短暂但温度极高的微小区域,这些区域的温度可以达到万亿摄氏度(10^12 °C),远远超过恒星核心的温度。
天体物理学模拟: 在模拟宇宙大爆炸、超新星爆发等极端宇宙事件时,科学家们需要在实验室中重现那些极高的温度。这些模拟可以帮助我们理解宇宙的起源和演化。

可以达到的理论极限和挑战:

从理论上讲,物质可以被加热到非常高的温度。然而,当我们谈论“人类可以将物质加热到什么程度”时,也意味着我们创造的设备和技术能够承受和控制这些高温。

普朗克温度(Planck Temperature): 这是一个物理学上的理论上限,约为1.417 × 10^32开尔文(约等于1.417 × 10^32 摄氏度)。在这个温度下,我们目前所知的物理定律可能不再适用,黑洞的视界会开始蒸发。人类目前的技术离达到这个温度还有极其遥远的距离。
物质的稳定性和相变: 随着温度的升高,物质会经历相变(固态、液态、气态、等离子态),并且最终会开始分解为基本粒子。例如,在极高的温度下,原子核会分解成质子和中子,再进一步分解成夸克和胶子。

总结人类加热能力的范围:

最低端: 冰箱的冷藏温度(约4°C)到常温(约2030°C)是我们日常生活中感受到的温度范围,但这并非“加热”。
日常加热: 几百摄氏度(如烤箱)。
工业加热: 几百到数千摄氏度(如炼钢、玻璃制造、焊接)。
科学研究中的极端加热: 数百万至数千万摄氏度(如激光等离子体),乃至模拟宇宙早期条件下的万亿摄氏度。

总而言之,人类的加热能力随着科技的进步而不断提升。我们从简单的火种,发展到能够产生难以想象的极端高温的先进设备,这一切都为我们理解物质的性质、探索宇宙的奥秘提供了可能。人类制造的最高温度纪录通常与粒子碰撞实验中的瞬时温度有关,这与持续稳定地加热宏观物体是不同的概念,但都代表了我们在温度控制和生成方面的能力。

网友意见

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只有想不到的,没有加不到的。

已知最早的篝火灰烬出现于100万年前的南非的奇迹洞(Wonderwerk Cave),属于当时的直立人——熟食更加卫生也更加容易消化,拓宽了我们的食谱;火焰也营造了光明和温暖,直立人、尼安德特人和智人等人属物种因此适应了黑暗寒冷的时空,占领了整个世界。

篝火可以达到900℃以上,足以让粘土中的硅铝酸盐失去结合水并重新结晶,变成坚硬致密的陶。

我们这个物种早在2万年前就开始制作陶容器:有了可以加热液体食物的炊具,炖煮食物从此出现在人类的食谱上,显著提高了食物的利用率,而且让女性可以用流食喂养婴幼儿,大幅提高了新生儿的存活率,增加了整个社会的劳动力。

如果把木柴装在通风的炉中,1100℃的火焰就超过了铜、锡和铅的熔点。

冶金是人类进入文明的标志,这率先发生在新月沃地的两河流域和古埃及,青铜工艺连同西亚人驯化的小麦、大麦、绵羊、黄牛、家马一起向着周围传播,最终抵达了远东,成为旧大陆一切文明的共同财富。

正如往期节目讲述过的,含碳的铁要到1400℃以上才能融化,纯铁的熔点更高达1538℃——只有先将木柴烧成木炭,再配合有鼓风机的高炉才能将其熔化——这项技术最早出现于公元前的中国,但直到1709年英国人解决煤炭脱硫问题,1784年瓦特将蒸汽机用于高炉鼓风,钢铁工业才真正地蓬勃发展起来。

焦炭高炉可以达到2000℃,

要在开放环境中获得2500℃以上的高温,我们就需要新的燃料了:氢氧焰能产生2570℃以上高温,产生透明到淡蓝色的烈焰,而且氢的密度极低,因此常用于航空火箭;

而全球20%的乙炔都用于热切割,它在氧气中燃烧的温度可达3330℃,足以融化任何常用的金属。

除此之外,二氰乙炔在氧气中燃烧则达到了化学反应的极限高温,4990 °C,常压下足以熔化所有已知物质。

如果离开了化学反应的局限,人造高温的就走入了开阔的新天地:空气是良好的绝缘体,但在30KV/cm的巨大的电压下也将被雪崩击穿,成为导电的等离子体,一缕炽热的电弧。

基于这一原理,即便最廉价的手工电弧焊也可以轻松达到6000℃,将焊接用的钢材瞬间熔化甚至汽化;

而等离子电弧焊集束喷出的热焰少说有28000℃,比闪电的温度还高。

与此同时,人类在战争中实现了更可怕的超高温:1945年8月6日到9日,两颗原子弹投放在长崎和广岛上空,它们的核心温度在100万到500万℃之间,连同爆炸产生的冲击波与核辐射,共造成60万人丧命。

10年内,1954年3月1日,第一颗实战氢弹“Castle Bravo”又在比基尼环礁爆炸成功,它有1500万吨当量,中心温度达到3.5亿℃,创造了太阳系内有史以来最高的温度。

巨大的蘑菇云在1秒钟之内就冲上了7.2公里的对流层顶,在10分钟后又冲上的40公里的平流层顶,18000平方公里的太平洋海域生灵涂炭,比基尼环礁的原住民至今无以为生。

核武器巨大的威力来自原子核内由强相互作用禁锢的巨大势能,1957年,第一代裂变核电站投入运营,开始将它用于和平的事业——但直到今日,可控热核聚变都仅停留在理论阶段,因为我们难以约束核聚变必须的上亿度高温。激光脉冲聚焦后产生惯性约束是一个热门的候选方案,为此,美国的桑迪亚国家实验室开发了世界上最强大的高频电磁波发生器,Z脉冲功率设施,可以制造20亿℃的超级高温,达到了大质量恒星濒死时的核心温度。

但这远非人类所能创造的最高温度:美国原子能委员会的布鲁克黑文国家实验室拥有人类唯一的自旋极化质子对撞设备,相对论重离子对撞机。它能将周期表上的任意原子核加速到相对论速度,对撞产生的能量相当于1万亿℃的黑体辐射,达到中子星融合时的极限温度的3倍。

而高能物理的圣地、集全人类智慧之大成、万维网的诞生地、迄今最大的粒子物理实验室,欧洲核子研究中心,拥有一台可怕的大型强子对撞机,它在寻找希格斯玻色子这样的艰巨任务中产生的局部能量相当于10万亿℃的黑体辐射,或者说宇宙大爆炸后万分之一秒时的温度。

然而这样的温度对于物理学的野心来说仍然太低了——要验证弦论,我们至少还要把单个粒子的能量再提高15个数量级。

热的里程碑 https://www.zhihu.com/video/1099310040858587136

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在实验室(对撞机)里,能实现宇宙大爆炸初期的温度。

为了说明温度,我们引入一个新的温度(能量)单位:电子伏(eV)。它与温度单位开尔文(K)之间的换算关系为:

另外,当温度比较高的时候, 可以认为成立。

我们先来看几个典型的温度。

对于室温的情况, ;

太阳表面温度 ;

太阳内部温度 ;

核弹爆炸能达到 。

而目前在重离子对撞Heavy Ion Collision, HIC)实验中,通过对重核加速对撞,能够使得原子核、质子和中子加热到200MeV,此时会形成夸克胶子等离子体Quark Gluon Plasma, QGP)这比太阳内部温度和核爆温度高了太多。而目前也普遍认为,这个温度以及QGP就是宇宙大爆炸初期的状态。

上图是一张QCD相图,纵轴是温度,横轴是重子数化学势(可以理解为净重子的数量)。沿着图中纵轴向上移动就能到达宇宙早期的状态。关于这个方面的一些细节可以参考下面这个答案:


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