Wybór punktów topnienia lodu i wrzącej wody jako głównych punktów skali temperatur jest całkowicie dowolny. Uzyskana w ten sposób skala temperatur okazała się niewygodna w badaniach teoretycznych.

W oparciu o prawa termodynamiki Kelvinowi udało się skonstruować tzw. bezwzględną skalę temperatury (obecnie nazywa się to termodynamiczną skalą temperatury lub skalą Kelvina), całkowicie niezależną ani od natury ciała termometrycznego, ani od wybranego parametru termometrycznego. Zasada konstruowania takiej skali wykracza jednak poza program szkolny. Przyjrzymy się temu zagadnieniu, korzystając z innych rozważań.

Wzór (2) implikuje dwa możliwe sposoby ustalenie skali temperatury: na podstawie zmiany ciśnienia określonej ilości gazu przy stałej objętości lub zmiany objętości przy stałym ciśnieniu. Ta skala nazywa się Skala temperatury gazu idealnego.

Nazywa się temperaturę określoną przez równość (2). temperatura absolutna. Temperatura bezwzględna Τ nie może być ujemna, gdyż po lewej stronie równości (2) znajdują się oczywiście wielkości dodatnie (dokładniej nie może mieć różnych znaków; może być dodatnia lub ujemna. Zależy to od wyboru znaku stałej k. Ponieważ uznano, że temperaturę punktu potrójnego należy uznać za dodatnią, temperatura bezwzględna może być tylko dodatnia). Dlatego najniższa możliwa wartość temperatury T= 0 to temperatura, w której ciśnienie lub objętość wynosi zero.

Graniczna temperatura, w której ciśnienie gazu doskonałego zanika przy stałej objętości lub objętość gazu doskonałego dąży do zera (tj. gaz powinien zostać ściśnięty do „punktu”) przy stałym ciśnieniu, nazywa się absolutne zero. Jest to najniższa temperatura w przyrodzie.

Z równości (3), biorąc pod uwagę, że \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\), fizyczne znaczenie zera absolutnego wynika: zero absolutne - temperatura, w której powinien ustać termiczny ruch translacyjny cząsteczek. Absolutne zero nieosiągalny.

W System międzynarodowy jednostki (SI) wykorzystują bezwzględną termodynamiczną skalę temperatury. Zero absolutne w tej skali przyjmuje się jako temperaturę zerową. Drugim punktem odniesienia jest temperatura, w której woda, lód i para nasycona znajdują się w równowadze dynamicznej, tzw. punkt potrójny (w skali Celsjusza temperatura punktu potrójnego wynosi 0,01°C). Każda jednostka temperatura absolutna, zwany Kelvinem (oznaczony jako 1 K), jest równy stopniowi Celsjusza.

Zanurzając kolbę termometru gazowego w topniejącym lodzie, a następnie we wrzącej wodzie pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym, odkryli, że ciśnienie gazu w drugim przypadku było 1,3661 razy większe niż w pierwszym. Biorąc to pod uwagę i korzystając ze wzoru (2) możemy wyznaczyć temperaturę topnienia lodu T 0 = 273,15 K.

Rzeczywiście, napiszmy równanie (2) dla temperatury T 0 temperatura topnienia lodu i wrzenia wody ( T 0 + 100):

\(~\frac(p_1V)(N) = kT_0 ;\) \(~\frac(p_2V)(N) = k(T_0 + 100) .\)

Dzieląc drugie równanie przez pierwsze, otrzymujemy:

\(~\frac(p_2)(p_1) = \frac(T_0 + 100)(T_0) .\)

\(~T_0 = \frac(100)(\frac(p_2)(p_1) - 1) = \frac(100)(1,3661 - 1) = 273,15 K.\)

Rysunek 2 przedstawia schematyczny diagram skali Celsjusza i skali termodynamicznej.

Kiedy prognoza pogody przewiduje temperatury bliskie zeru, nie należy chodzić na lodowisko: lód się stopi. Za temperaturę topnienia lodu przyjmuje się zero stopni Celsjusza, co jest najczęstszą skalą temperatur.
Dobrze znamy skalę ujemnych stopni Celsjusza – stopni<ниже нуля>, stopnie zimna. Najniższą temperaturę na Ziemi zanotowano na Antarktydzie: -88,3°C. Jeszcze niższe temperatury są możliwe poza Ziemią: na powierzchni Księżyca o północy księżycowej może ona osiągnąć -160°C.
Jednak dowolnie niskie temperatury nie mogą występować nigdzie.
Ekstremalnie niska temperatura – zero absolutne – odpowiada – 273,16° w skali Celsjusza.
Absolutna skala temperatury, skala Kelvina, wywodzi się z zera absolutnego. Lód topi się w temperaturze 273,16° Kelvina, a woda wrze w temperaturze 373,16° K. Zatem stopień K jest równy stopniowi C. Ale w skali Kelvina wszystkie temperatury są dodatnie.
Dlaczego 0°K jest granicą zimna?<пляска>Ciepło to chaotyczny ruch atomów i cząsteczek substancji. Kiedy substancja jest schładzana, energia cieplna jest z niej usuwana, a losowy ruch cząstek zostaje osłabiony. Docelowo przy mocnym chłodzeniu termicznym cząstki prawie całkowicie się zatrzymują. Atomy i cząsteczki zamarzłyby całkowicie w temperaturze, którą przyjmuje się za zero absolutne., w temperaturze zera absolutnego ustałby ruch termiczny cząstek, ale same cząstki nie zamarzłyby, ponieważ nie mogą być w całkowitym spoczynku. Zatem w temperaturze zera absolutnego cząstki muszą nadal utrzymywać pewien rodzaj ruchu, który nazywa się ruchem zerowym.

Jednak schłodzenie substancji do temperatury poniżej zera absolutnego jest pomysłem równie bezsensownym, jak, powiedzmy, zamiar<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Co więcej, nawet osiągnięcie dokładnego zera absolutnego jest prawie niemożliwe. Można się tylko do niego zbliżyć. Ponieważ nie ma sposobu, aby odebrać absolutnie całą energię cieplną substancji. Część energii cieplnej pozostaje w stanie najgłębszego chłodzenia.
Jak osiągnąć ultraniskie temperatury?
Zamrożenie substancji jest trudniejsze niż jej podgrzanie. Widać to nawet po porównaniu konstrukcji kuchenki i lodówki.
W większości lodówek domowych i przemysłowych ciepło jest usuwane w wyniku odparowania specjalnej cieczy - freonu, która krąży w metalowych rurkach. Sekret polega na tym, że freon może pozostać w stanie ciekłym tylko w wystarczająco niskiej temperaturze. W komorze lodówki ze względu na ciepło komory nagrzewa się i wrze, zamieniając się w parę. Ale para jest sprężana przez sprężarkę, skroplona i wchodzi do parownika, uzupełniając utratę odparowanego freonu. Do pracy sprężarki zużywana jest energia.
W urządzeniach do głębokiego chłodzenia nośnikiem zimna jest ultrazimna ciecz – ciekły hel. Bezbarwny, lekki (8 razy lżejszy od wody), wrze pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 4,2°K, a w próżni w temperaturze 0,7°K. Jeszcze niższą temperaturę podaje lekki izotop helu: 0,3°K.
Założenie stałej lodówki helowej jest dość trudne.
Badania przeprowadza się po prostu w kąpielach z ciekłym helem. Aby skroplić ten gaz, fizycy stosują różne techniki. Na przykład rozprężają wstępnie schłodzony i sprężony hel, uwalniając go przez cienki otwór do komory próżniowej. Jednocześnie temperatura dalej spada i część gazu zamienia się w ciecz. Bardziej efektywne jest nie tylko rozprężenie schłodzonego gazu, ale także zmuszenie go do wykonania pracy - poruszenia tłoka.
Najniższe temperatury osiągnięto w inny sposób. Okazuje się, że cząsteczki niektórych soli, na przykład ałunu potasowo-chromowego, mogą obracać się wzdłuż linii sił magnetycznych. Sól tę wstępnie schładza się ciekłym helem do temperatury 1°K i umieszcza w silnym polu magnetycznym. W tym przypadku cząsteczki obracają się wzdłuż linii siły, a uwolnione ciepło jest odbierane przez ciekły hel. Następnie pole magnetyczne zostaje gwałtownie usunięte, cząsteczki ponownie obracają się w różnych kierunkach i ulegają zużyciu

Praca ta prowadzi do dalszego schładzania soli. W ten sposób uzyskaliśmy temperaturę 0,001° K. Stosując w zasadzie podobną metodę, stosując inne substancje, możemy uzyskać jeszcze niższą temperaturę.
Najniższa temperatura uzyskana dotychczas na Ziemi to 0,00001° K.

Nadciekłość

Substancja zamrożona do bardzo niskich temperatur w kąpielach z ciekłym helem ulega zauważalnym zmianom. Guma staje się krucha, ołów staje się twardy jak stal i elastyczny, wiele stopów zwiększa wytrzymałość.

Sam ciekły hel zachowuje się w szczególny sposób. W temperaturach poniżej 2,2° K nabiera właściwości niespotykanej dla zwykłych cieczy – nadciekłości: część z nich całkowicie traci lepkość i przepływa przez najwęższe pęknięcia bez żadnego tarcia.
Zjawisko to odkrył w 1937 roku radziecki fizyk akademik P. JI.
Kapitsa, został następnie wyjaśniony przez akademika JI. D. Landaua.
Okazuje się, że w ultraniskich temperaturach kwantowe prawa zachowania materii zaczynają mieć zauważalny wpływ. Jak wymaga jedno z tych praw, energia może być przekazywana z ciała na ciało jedynie w ściśle określonych porcjach – kwantach. Kwantów ciepła w ciekłym helu jest tak mało, że nie wystarczy ich dla wszystkich atomów. Część cieczy pozbawiona kwantów ciepła pozostaje jakby w temperaturze zera absolutnego; jej atomy w ogóle nie uczestniczą w przypadkowym ruchu termicznym i nie oddziałują w żaden sposób ze ściankami naczynia. Ta część (nazywana helem-H) ma nadciekłość. Wraz ze spadkiem temperatury hel-P staje się coraz bardziej powszechny, a przy zera absolutnym cały hel zamieni się w hel-H. Nadciekłość została obecnie szczegółowo zbadana i okazała się nawet użyteczna praktyczne zastosowanie

: za jego pomocą można rozdzielić izotopy helu.

Nadprzewodnictwo
W pobliżu zera absolutnego zachodzą niezwykle interesujące zmiany we właściwościach elektrycznych niektórych materiałów. W 1911 roku dokonał tego holenderski fizyk Kamerlingh Onnes: Okazało się, że w temperaturze 4,12 ° K opór elektryczny w rtęci całkowicie zanika. Rtęć staje się nadprzewodnikiem.
Prąd elektryczny indukowany w pierścieniu nadprzewodzącym nie gaśnie i może płynąć niemal w nieskończoność.<гроб Магомета>Nad takim pierścieniem nadprzewodząca kulka będzie unosić się w powietrzu i nie spadać, jak w bajce
, ponieważ jego ciężar jest kompensowany przez odpychanie magnetyczne pomiędzy pierścieniem a kulką. Przecież ciągły prąd w pierścieniu wytworzy pole magnetyczne, a to z kolei indukuje prąd elektryczny w kuli, a wraz z nim przeciwnie skierowane pole magnetyczne.
Oprócz rtęci cyna, ołów, cynk i aluminium mają nadprzewodnictwo bliskie zera absolutnego. Właściwość tę stwierdzono w 23 pierwiastkach i ponad stu różnych stopach i innych związkach chemicznych.
Temperatury, w których pojawia się nadprzewodnictwo (temperatury krytyczne) obejmują dość szeroki zakres - od 0,35° K (hafn) do 18° K (stop niobowo-cynowy).
Zjawisko nadprzewodnictwa, podobnie jak super- Płynność została szczegółowo zbadana. Zależności temperatur krytycznych od struktura wewnętrzna
materiałów i zewnętrznego pola magnetycznego.

Opracowano głęboką teorię nadprzewodnictwa (ważny wkład wniósł radziecki naukowiec, akademik N. N. Bogolyubov). Istota tego paradoksalnego zjawiska jest ponownie czysto kwantowa. W ultraniskich temperaturach elektrony nadprzewodnik tworzy układ połączonych parami cząstek, które nie mogą uwalniać energii<танцуя>sieć krystaliczna<прутьями решетки>, wydać ilości energii na jego ogrzanie. Pary elektronów poruszają się jakby
, między
- jony i ominąć je bez kolizji i transferu energii.
Nadprzewodnictwo jest coraz częściej wykorzystywane w technologii.<шумы>Na przykład w praktyce pojawiają się nadprzewodzące solenoidy – cewki nadprzewodnika zanurzone w ciekłym helu. Raz wyindukowany prąd, a co za tym idzie i pole magnetyczne, można w nich magazynować dowolnie długo.<Пути электроники>).
Nietrudno sobie wyobrazić, jak kuszące byłoby przeniesienie działania tego typu urządzeń w obszar wyższych, bardziej dostępnych temperatur. W ostatnio otwiera się nadzieja na stworzenie nadprzewodników z folii polimerowej. Specyficzny charakter przewodności elektrycznej takich materiałów stwarza doskonałą okazję do utrzymania nadprzewodnictwa nawet w temperaturach pokojowych. Naukowcy nieustannie szukają sposobów na urzeczywistnienie tej nadziei.

W głębi gwiazd

A teraz zajrzyjmy do krainy najgorętszej rzeczy na świecie – w głąb gwiazd. Gdzie temperatury sięgają milionów stopni.
Przypadkowy ruch termiczny w gwiazdach jest tak intensywny, że nie mogą tam istnieć całe atomy: ulegają one zniszczeniu w niezliczonych zderzeniach.
Substancja tak gorąca nie może zatem być ani stała, ani ciekła, ani gazowa. Występuje w stanie plazmy, czyli mieszaniny naładowanej elektrycznie<осколков>atomy - jądra atomowe i elektrony.
Plazma to wyjątkowy stan materii. Ponieważ jego cząstki są naładowane elektrycznie, są wrażliwe na siły elektryczne i magnetyczne. Dlatego bliskie sąsiedztwo dwóch jąder atomowych (niosą one ładunek dodatni) jest zjawiskiem rzadkim. Dopiero przy dużych gęstościach i ogromnych temperaturach zderzają się ze sobą jądra atomowe w stanie się zbliżyć. Zachodzą wtedy reakcje termojądrowe – źródło energii gwiazd.
Najbliższa nam gwiazda, Słońce, składa się głównie z plazmy wodorowej, która w wnętrzu gwiazdy jest podgrzewana do temperatury 10 milionów stopni. W takich warunkach dochodzi do bliskich spotkań szybkich jąder wodoru – protonów, chociaż rzadko. Czasami protony, które się zbliżają, wchodzą w interakcję: pokonując odpychanie elektryczne, szybko wpadają w moc gigantycznych nuklearnych sił przyciągania<падают>jeden na drugim i łączą się. Tutaj następuje natychmiastowa restrukturyzacja: zamiast dwóch protonów pojawia się deuteron (jądro ciężkiego izotopu wodoru), pozyton i neutrino. Uwolniona energia wynosi 0,46 miliona elektronowoltów (MeV).
Każdy pojedynczy proton słoneczny może wejść w taką reakcję średnio raz na 14 miliardów lat. Ale w trzewiach światła jest tak wiele protonów, że tu i ówdzie ma miejsce to nieprawdopodobne wydarzenie - a nasza gwiazda płonie swoim równym, oślepiającym płomieniem.
Synteza deuteronów to dopiero pierwszy etap słonecznych przemian termojądrowych. Nowo narodzony deuteron bardzo szybko (średnio po 5,7 sekundy) łączy się z innym protonem. Pojawia się lekkie jądro helu i promień gamma. Wydziela się 5,48 MeV energii.
Wreszcie średnio raz na milion lat dwa lekkie jądra helu mogą zbiegać się i łączyć. Następnie tworzy się jądro zwykłego helu (cząstka alfa) i oddzielają się dwa protony. Uwalnia się energia 12,85 MeV.
Ten trzyetapowy<конвейер>reakcje termojądrowe nie są jedyne.<сгорает>Istnieje inny łańcuch przemian jądrowych, szybszy. Uczestniczą w nim (nie ulegając zużyciu) jądra atomowe węgla i azotu. Ale w obu opcjach cząstki alfa są syntetyzowane z jąder wodoru. Mówiąc obrazowo, plazma wodorowa Słońca<золу>, zamieniając się - plazma helowa. A podczas syntezy każdego grama plazmy helowej uwalniane jest 175 tysięcy kWh energii.!
Ogromna liczba<худеет>Co sekundę Słońce emituje 41033 erg energii, tracąc 41012 g (4 miliony ton) materii. Ale całkowita masa Słońca wynosi 21027 ton. Oznacza to, że za milion lat Słońce będzie działać pod wpływem promieniowania<горючего>tylko jedną dziesięciomilionową jego masy. Liczby te wymownie ilustrują skuteczność reakcji termojądrowych i gigantyczną wartość opałową energii słonecznej.
- wodór.<зола>Najwyraźniej synteza termojądrowa jest głównym źródłem energii wszystkich gwiazd.<горючим>Przy różnych temperaturach i gęstościach wnętrz gwiazd zachodzą różne rodzaje reakcji. W szczególności słoneczne
-jądra helu - przy 100 milionach stopni same stają się termojądrowe . Wtedy z cząstek alfa można syntetyzować nawet cięższe jądra atomowe – węgiel, a nawet tlen. Według wielu naukowców cała nasza Metagalaktyka jako całość jest również owocem<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

fuzja termojądrowa

, która miała miejsce w temperaturze miliarda stopni (patrz art.<горючего>W stronę sztucznego słońca
<Горючего>Wyjątkowa wartość opałowa termojądrowa
skłoniło naukowców do osiągnięcia sztucznego wdrożenia reakcji syntezy jądrowej.
- Na naszej planecie występuje wiele izotopów wodoru. Na przykład superciężki wodorotryt można wytwarzać z metalicznego litu w reaktorach jądrowych. A ciężki wodór - deuter jest częścią ciężkiej wody, którą można wydobyć ze zwykłej wody.<горючее>Ciężki wodór wydobyty z dwóch szklanek zwykłej wody wytworzyłby w reaktorze termojądrowym tyle samo energii, ile obecnie wytwarza się w wyniku spalania beczki najwyższej jakości benzyny.
Trudność polega na podgrzaniu do temperatur, w których może zapalić się od silnego ognia termojądrowego., któremu towarzyszy ogrzewanie substancji do wielu dziesiątek milionów stopni. W jednej z wersji bomby wodorowej paliwem termojądrowym jest związek chemiczny ciężkiego wodoru z lekkim litem – lekki deuterek litu. Ten biały proszek, podobny do soli kuchennej,<воспламеняясь>z<спички>, który jest bombą atomową, natychmiast eksploduje i wytwarza temperaturę setek milionów stopni.
Aby zainicjować pokojową reakcję termojądrową, trzeba najpierw nauczyć się podgrzewać małe dawki wystarczająco gęstej plazmy izotopów wodoru do temperatur setek milionów stopni bez użycia bomby atomowej. Problem ten jest jednym z najtrudniejszych we współczesnej fizyce stosowanej. Naukowcy na całym świecie pracują nad tym od wielu lat.
Powiedzieliśmy już, że to chaotyczny ruch cząstek powoduje ogrzewanie ciał, a średnia energia ich przypadkowego ruchu odpowiada temperaturze. Ogrzać zimne ciało oznacza w jakikolwiek sposób wywołać to zaburzenie.
Wyobraź sobie dwie grupy biegaczy pędzących ku sobie. Więc zderzyli się, pomieszali, zaczęło się zauroczenie i zamieszanie.
Wielki bałagan!
W podobny sposób fizycy początkowo próbowali uzyskać wysokie temperatury – zderzając strumienie gazu pod wysokim ciśnieniem. Gaz rozgrzał się do 10 tysięcy stopni. Kiedyś był to rekord: temperatura była wyższa niż na powierzchni Słońca.
Ale dzięki tej metodzie dalsze, raczej powolne, niewybuchowe nagrzewanie gazu jest niemożliwe, ponieważ zaburzenie termiczne natychmiast rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach, ogrzewając ściany komory doświadczalnej i otoczenie. Powstałe ciepło szybko opuszcza system i nie da się go odizolować.
Jeśli strumienie gazu zostaną zastąpione przepływami plazmy, problem izolacji termicznej pozostaje bardzo trudny, ale jest też nadzieja na jego rozwiązanie.
To prawda, że ​​\u200b\u200bplazmy nie można chronić przed utratą ciepła za pomocą naczyń wykonanych z nawet najbardziej ogniotrwałej substancji. Gdy gorąca plazma zetknie się z litymi ścianami, natychmiast się ochładza. Można jednak spróbować utrzymać i ogrzać plazmę, tworząc jej akumulację w próżni tak, aby nie dotykała ścian komory, lecz wisiała w pustce, nie dotykając niczego. Tutaj powinniśmy skorzystać z faktu, że cząstki plazmy nie są obojętne, jak atomy gazu, ale naładowane elektrycznie. Dlatego podczas ruchu są narażone na działanie sił magnetycznych. Powstaje zadanie: wytworzyć pole magnetyczne o specjalnej konfiguracji, w którym gorąca plazma wisiałaby jak w worku o niewidzialnych ściankach. Ten rodzaj energii powstaje automatycznie, gdy przez plazmę przechodzą silne impulsy prąd elektryczny. W tym przypadku wokół przewodu plazmowego indukowane są siły magnetyczne, które mają tendencję do ściskania przewodu.
Plazma oddziela się od ścian rury wyładowczej, a na osi kordu w kruszeniu cząstek temperatura wzrasta do 2 milionów stopni.
W naszym kraju takie eksperymenty przeprowadzono już w 1950 roku pod przewodnictwem naukowców JI. A. Artsimovich i M. A. Leontovich.
Innym kierunkiem eksperymentów jest zastosowanie butelki magnetycznej, zaproponowane w 1952 roku przez radzieckiego fizyka G.I. Budkera, obecnie akademika. Butelka magnetyczna umieszczona jest w komorze korkowej – cylindrycznej komorze próżniowej wyposażonej w zewnętrzne uzwojenie, które jest skondensowane na końcach komory. Prąd przepływający przez uzwojenie wytwarza w komorze pole magnetyczne. Jego linie pola w środkowej części są położone równolegle do tworzących cylindra, a na końcach są ściśnięte i tworzą korki magnetyczne. Cząsteczki plazmy wstrzyknięte do butelki magnetycznej owijają się wokół linii pola i odbijają się od wtyczek. Dzięki temu osocze pozostaje przez pewien czas w butelce. Jeśli energia cząstek plazmy wprowadzonych do butelki jest wystarczająco duża, a jest ich dużo, wchodzą one w złożone interakcje siłowe, ich początkowo uporządkowany ruch zostaje zdezorientowany, zostaje zaburzony - temperatura jąder wodoru wzrasta do kilkudziesięciu milionów stopni.<ударами>Dodatkowe ogrzewanie uzyskuje się za pomocą elektromagnetycznego przez plazmę, kompresję pola magnetycznego itp. Obecnie plazma ciężkich jąder wodoru jest podgrzewana do setek milionów stopni. To prawda, że ​​można to zrobić albo przez krótki czas
lub przy niskiej gęstości plazmy.

Aby zainicjować reakcję samopodtrzymującą, należy jeszcze bardziej zwiększyć temperaturę i gęstość plazmy. Jest to trudne do osiągnięcia. Jednak problem, jak są przekonani naukowcy, jest niewątpliwie możliwy do rozwiązania.

G.B. Anfiłow

Publikowanie zdjęć i cytowanie artykułów z naszego serwisu w innych zasobach jest dozwolone pod warunkiem podania linku do źródła i zdjęć.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak niska może być temperatura? Co to jest zero absolutne? Czy ludzkość kiedykolwiek będzie w stanie tego dokonać i jakie możliwości otworzą się po takim odkryciu? Te i inne podobne pytania od dawna zajmują umysły wielu fizyków i po prostu ciekawskich ludzi.

Nawet jeśli od dzieciństwa nie przepadałeś za fizyką, prawdopodobnie znasz pojęcie temperatury. Dzięki teorii kinetyki molekularnej wiemy teraz, że istnieje pewne statyczne powiązanie między nią a ruchami cząsteczek i atomów: im wyższa temperatura dowolnego ciała fizycznego, tym szybciej poruszają się jego atomy i odwrotnie. Powstaje pytanie: „Czy istnieje taka dolna granica, przy której cząstki elementarne zamrożone w miejscu?” Naukowcy uważają, że teoretycznie jest to możliwe; termometr będzie wskazywał -273,15 stopnia Celsjusza. Wartość tę nazywa się zerem absolutnym. Innymi słowy, jest to minimalna możliwa granica, do której można schłodzić ciało fizyczne. Istnieje nawet absolutna skala temperatury (skala Kelvina), w której punktem odniesienia jest zero absolutne, a podział jednostkowy skali wynosi jeden stopień. Naukowcy na całym świecie nadal pracują nad osiągnięciem tego celu podana wartość, ponieważ stwarza to wielkie perspektywy dla ludzkości.

Dlaczego to jest takie ważne

Ekstremalnie niskie i ekstremalnie wysokie temperatury są ściśle powiązane z koncepcjami nadciekłości i nadprzewodnictwa. Zanik oporu elektrycznego w nadprzewodnikach umożliwi osiągnięcie niewyobrażalnych wartości sprawności i wyeliminowanie wszelkich strat energii. Gdybyśmy znaleźli sposób, który pozwoliłby nam swobodnie osiągnąć wartość „zera absolutnego”, wiele problemów ludzkości zostałoby rozwiązanych. Pociągi unoszące się nad torami, lżejsze i mniejsze silniki, transformatory i generatory, wysoce precyzyjna magnetoencefalografia, precyzyjne zegarki – to tylko kilka przykładów tego, co nadprzewodnictwo może wnieść do naszego życia.

Najnowsze osiągnięcia naukowe

We wrześniu 2003 roku badaczom z MIT i NASA udało się schłodzić gazowy sód do rekordowo niskiego poziomu. Podczas eksperymentu do mety brakowało im zaledwie pół miliardowej stopnia (zero absolutne). Podczas badań sód znajdował się stale w polu magnetycznym, co uniemożliwiało mu kontakt ze ściankami pojemnika. Gdyby udało się pokonać barierę temperaturową, ruch molekularny w gazie zostałby całkowicie zatrzymany, gdyż takie chłodzenie wydobyłoby całą energię z sodu. Badacze zastosowali technikę, której autor (Wolfgang Ketterle) otrzymał w 2001 roku Nagroda Nobla w fizyce. Kluczowy punkt przeprowadzone badania dotyczyły procesów gazowej kondensacji Bosego-Einsteina. Tymczasem nikt jeszcze nie unieważnił trzeciej zasady termodynamiki, zgodnie z którą zero absolutne jest wartością nie tylko nie do pokonania, ale także nieosiągalną. Ponadto obowiązuje zasada nieoznaczoności Heisenberga, a atomy po prostu nie mogą zatrzymać się w miejscu. Zatem na razie temperatura zera absolutnego pozostaje dla nauki nieosiągalna, choć naukowcom udało się zbliżyć do niej na znikomą odległość.

Absolutna temperatura zera

Absolutna temperatura zera(rzadziej - temperatura zera absolutnego) - minimalna granica temperatury, jaką może mieć ciało fizyczne we Wszechświecie. Zero absolutne służy jako początek absolutnej skali temperatury, takiej jak skala Kelvina. W 1954 roku X Generalna Konferencja Miar i Wag ustaliła termodynamiczną skalę temperatur z jednym punktem odniesienia – punktem potrójnym wody, której temperaturę przyjęto 273,16 K (dokładnie), co odpowiada 0,01°C, tak że w skali Celsjusza temperatura odpowiada zeru absolutnemu -273,15 °C.

Zjawiska obserwowane w pobliżu zera absolutnego

W temperaturach bliskich zera absolutnego, czysty efekty kwantowe, takie jak:

Notatki

Literatura

• G. Burmina. Atak na zero absolutne. - M.: „Literatura dla dzieci”, 1983

Zobacz także

Fundacja Wikimedia.

• 2010.
• Goeringa

Kszapanaka

Zobacz, co oznacza „temperatura zera absolutnego” w innych słownikach: ABSOLUTNA TEMPERATURA ZEROWA - termodynamiczny punkt odniesienia. temperatura; znajduje się 273,16 K poniżej temperatury punktu potrójnego (0,01°C) wody (273,15°C poniżej temperatury zera w skali Celsjusza, (patrz SKALE TEMPERATURY).Istnienie termodynamicznej skali temperatury i A. n. T.… …

Encyklopedia fizyczna temperatura zera absolutnego - początek odczytu temperatury bezwzględnej na termodynamicznej skali temperatur. Zero absolutne znajduje się 273,16°C poniżej temperatury punktu potrójnego wody, która przyjmuje się za 0,01°C. Temperatura zera absolutnego jest zasadniczo nieosiągalna... ...

Encyklopedia fizyczna Słownik encyklopedyczny - absoliutusis nulis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau trigubojo vandens taško. Pagal trečiąjį termodinamikos dėsnį, absoliutusis nulis nepasiekiamas. atitikmenys: pol.… …

Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas- początkowy odczyt w skali Kelvina to ujemna temperatura 273,16 stopnia w skali Celsjusza... Początki nowożytnych nauk przyrodniczych

ABSOLUTNE ZERA- temperatura, początek odczytu temperatury na termodynamicznej skali temperatur. Zero absolutne znajduje się 273,16°C poniżej temperatury punktu potrójnego wody (0,01°C). Zero absolutne jest w zasadzie nieosiągalne, temperatury prawie osiągnęły... ... Nowoczesna encyklopedia

ABSOLUTNE ZERA- temperatura jest początkiem odczytu temperatury na termodynamicznej skali temperatur. Zero absolutne znajduje się w temperaturze 273,16°C poniżej temperatury punktu potrójnego wody, dla której wartość wynosi 0,01°C. Zero absolutne jest zasadniczo nieosiągalne (patrz... ... Wielki słownik encyklopedyczny

ABSOLUTNE ZERA- temperatura wyrażająca brak ciepła wynosi 218 ° C. Słownik obce słowa, zawarte w języku rosyjskim. Pavlenkov F., 1907. Temperatura zera absolutnego (fizyczna) - najniższa możliwa temperatura (273,15°C). Duży słownik… … Słownik obcych słów języka rosyjskiego

ABSOLUTNE ZERA- temperatura, początek temperatury w termodynamicznej skali temperatur (patrz TERMODYNAMICZNA SKALA TEMPERATURY). Zero absolutne znajduje się 273,16 °C poniżej temperatury punktu potrójnego (patrz PUNKT POTRÓJNY) wody, dla której przyjmuje się ... ... - początek odczytu temperatury bezwzględnej na termodynamicznej skali temperatur. Zero absolutne znajduje się 273,16°C poniżej temperatury punktu potrójnego wody, która przyjmuje się za 0,01°C. Temperatura zera absolutnego jest zasadniczo nieosiągalna... ...

ABSOLUTNE ZERA- wyjątkowo niska temperatura, w której zatrzymuje się ruch termiczny cząsteczek. Ciśnienie i objętość gazu doskonałego, zgodnie z prawem Boyle'a-Mariotte'a, wynoszą: równy zeru, a początek temperatury bezwzględnej w skali Kelvina przyjmuje się... ... Słownik ekologiczny

ABSOLUTNE ZERA- początek zliczania temperatury bezwzględnej. Odpowiada 273,16° C. Obecnie w laboratoriach fizycznych udało się uzyskać temperaturę przekraczającą zero absolutne zaledwie o kilka milionowych stopnia i osiągnąć ją, zgodnie z prawami... ... Encyklopedia Colliera

Co to jest zero absolutne (zwykle zero)? Czy taka temperatura naprawdę istnieje gdziekolwiek we wszechświecie? Czy możemy schłodzić wszystko do zera absolutnego w godz prawdziwe życie? Jeśli zastanawiasz się, czy można pokonać falę zimna, zbadajmy najdalsze zakątki niskich temperatur...

Co to jest zero absolutne (zwykle zero)? Czy taka temperatura naprawdę istnieje gdziekolwiek we Wszechświecie? Czy w prawdziwym życiu możemy schłodzić wszystko do zera absolutnego? Jeśli zastanawiasz się, czy można pokonać falę zimna, zbadajmy najdalsze zakątki niskich temperatur...

Nawet jeśli nie jesteś fizykiem, prawdopodobnie znasz pojęcie temperatury. Temperatura jest miarą ilości wewnętrznej energii losowej materiału. Słowo „wewnętrzne” jest bardzo ważne. Rzuć śnieżką i chociaż główny ruch będzie dość szybki, śnieżka pozostanie dość zimna. Z drugiej strony, jeśli spojrzysz na cząsteczki powietrza latające po pomieszczeniu, zwykła cząsteczka tlenu smaży się z prędkością tysięcy kilometrów na godzinę.

Jeśli o to chodzi, zwykle milczymy szczegóły techniczne, więc szczególnie dla ekspertów zauważamy, że temperatura jest nieco bardziej złożona, niż powiedzieliśmy. Prawdziwa definicja temperatury określa, ile energii należy wydać na każdą jednostkę entropii (nieporządek, jeśli chcesz więcej zrozumiałe słowo). Pomińmy jednak subtelności i skupmy się na fakcie, że przypadkowe cząsteczki powietrza lub wody w lodzie będą poruszać się lub wibrować coraz wolniej wraz ze spadkiem temperatury.

Zero absolutne to temperatura -273,15 stopnia Celsjusza, -459,67 Fahrenheita i po prostu 0 Kelvina. Jest to punkt, w którym ruch termiczny całkowicie zatrzymuje się.

Czy wszystko się zatrzymuje?

W klasycznym ujęciu wszystko zatrzymuje się na poziomie zera absolutnego, ale właśnie w tym momencie zza rogu wyłania się straszliwe oblicze mechaniki kwantowej. Jedną z przewidywań mechaniki kwantowej, która zepsuła krew niejednemu fizykowi, jest to, że nigdy nie można zmierzyć dokładnego położenia lub pędu cząstki z całkowitą pewnością. Jest to znane jako zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Gdybyś mógł schłodzić zamknięte pomieszczenie do zera absolutnego, wydarzyłyby się dziwne rzeczy (więcej o tym później). Ciśnienie powietrza spadłoby prawie do zera, a ponieważ ciśnienie powietrza zwykle przeciwdziała grawitacji, powietrze zapadłoby się w bardzo cienką warstwę na podłodze.

Ale mimo to, jeśli potrafisz zmierzyć poszczególne cząsteczki, znajdziesz coś interesującego: wibrują i wirują, wystarczy odrobina niepewności kwantowej. Aby postawić kropkę nad i, jeśli zmierzysz rotację cząsteczek dwutlenku węgla w temperaturze zera absolutnego, odkryjesz, że atomy tlenu krążą wokół węgla z prędkością kilku kilometrów na godzinę – znacznie szybciej, niż myślałeś.

Rozmowa zmierza w ślepy zaułek. Kiedy mówimy o świat kwantowy, ruch traci sens. W tych skalach wszystko jest określone przez niepewność, więc nie chodzi o to, że cząstki są nieruchome, po prostu nigdy nie można ich zmierzyć tak, jakby były nieruchome.

Asynchronicznie: prawda ));

));

t = d.getElementsByTagName("skrypt");

s = d.createElement("skrypt");

s.type = "tekst/javascript"; s.src = "//an.yandex.ru/system/context.js"; s.async = true;

t.parentNode.insertBefore(s, t);

))(this, this.document, "yandexContextAsyncCallbacks"); Jak nisko możesz upaść? Dążenie do zera absolutnego zasadniczo napotyka te same problemy, co dążenie do prędkości światła. Osiągnięcie prędkości światła wymaga nieskończonej ilości energii, a osiągnięcie zera absolutnego wymaga pobrania nieskończonej ilości ciepła. Oba te procesy są niemożliwe, jeśli w ogóle. Mimo że nie osiągnęliśmy jeszcze faktycznego stanu zera absolutnego, to jesteśmy już bardzo blisko niego (choć „bardzo” w tym przypadku to pojęcie bardzo luźne; jak w dziecięcej rymowance: dwa, trzy, cztery, cztery i a) połowa, cztery na sznurku, cztery na włos, pięć). Najniższą temperaturę kiedykolwiek zarejestrowaną na Ziemi odnotowano na Antarktydzie w 1983 roku i wyniosła -89,15 stopnia Celsjusza (184 K). Oczywiście chcąc się ochłodzić w dziecinny sposób trzeba zanurzyć się w odmęty kosmosu. Cały wszechświat jest zalany pozostałościami promieniowania

Wszystko nabiera bardziej ekstremalnego tonu. Światowy rekord najniższej temperatury wynosi mniej niż jedną dziesiątą miliarda stopni powyżej zera absolutnego. Urządzenia, które to osiągają, zatrzymują atomy w polach magnetycznych. „Temperatura” zależy nie tyle od samych atomów, ile od spinu jąder atomowych.

Teraz, aby przywrócić sprawiedliwość, musimy wykazać się kreatywnością. Kiedy zwykle wyobrażamy sobie coś zamrożonego do jednej miliardowej stopnia, prawdopodobnie otrzymamy obraz nawet cząsteczek powietrza zamarzających w miejscu. Można nawet wyobrazić sobie niszczycielskie, apokaliptyczne urządzenie, które zamraża grzbiety atomów.

Ostatecznie, jeśli naprawdę chcesz doświadczyć niskich temperatur, wystarczy poczekać. Po około 17 miliardach lat promieniowanie tła we Wszechświecie ostygnie do 1K. Za 95 miliardów lat temperatura wyniesie około 0,01 K. Za 400 miliardów lat w przestrzeni kosmicznej będzie tak zimno, jak w najzimniejszym eksperymencie na Ziemi, a potem jeszcze zimniej.

Jeśli zastanawiasz się, dlaczego Wszechświat tak szybko się ochładza, podziękuj naszym starym przyjaciołom: entropii i ciemnej energii. Wszechświat znajduje się w trybie przyspieszenia, wkraczając w okres wykładniczego wzrostu, który będzie trwał wiecznie. Rzeczy zamarzną bardzo szybko.

Co nas to obchodzi?

Wszystko to jest oczywiście cudowne i bicie rekordów też jest miłe. Ale o co chodzi? Cóż, istnieje wiele dobrych powodów, aby rozumieć niskie temperatury i to nie tylko w kategoriach zwycięzcy.

Na przykład dobrzy ludzie z NIST po prostu chcieliby to zrobić fajny zegarek. Standardy czasu opierają się na takich czynnikach jak częstotliwość atomu cezu. Jeśli atom cezu porusza się zbyt mocno, powoduje to niepewność pomiarów, co ostatecznie prowadzi do nieprawidłowego działania zegara.

Ale co ważniejsze, szczególnie z naukowego punktu widzenia, materiały zachowują się szalenie w ekstremalnie niskich temperaturach. Na przykład, tak jak laser składa się z fotonów, które są ze sobą zsynchronizowane – o tej samej częstotliwości i fazie – tak można stworzyć materiał znany jako kondensat Bosego-Einsteina. W nim wszystkie atomy są w tym samym stanie. Albo wyobraź sobie amalgamat, w którym każdy atom traci swoją indywidualność, a cała masa reaguje jak jeden superatom zerowy.

W bardzo niskich temperaturach wiele materiałów staje się nadciekłymi, co oznacza, że ​​nie mogą mieć żadnej lepkości, układać się w bardzo cienkie warstwy, a nawet przeciwstawiać się grawitacji, aby uzyskać minimum energii. Ponadto w niskich temperaturach wiele materiałów staje się nadprzewodnikiem, co oznacza, że ​​nie ma tam oporu elektrycznego.

Nadprzewodniki potrafią reagować na zewnętrzne pola magnetyczne w taki sposób, że całkowicie je eliminują wewnątrz metalu. W rezultacie można połączyć niską temperaturę i magnes i uzyskać coś w rodzaju lewitacji.

Dlaczego istnieje zero absolutne, ale nie ma absolutnego maksimum?

Spójrzmy na drugą skrajność. Jeśli temperatura jest po prostu miarą energii, możemy po prostu wyobrazić sobie, że atomy coraz bardziej zbliżają się do prędkości światła. To nie może trwać wiecznie, prawda?

Krótka odpowiedź brzmi: nie wiemy. Możliwe, że dosłownie istnieje coś takiego jak nieskończona temperatura, ale jeśli istnieje absolutna granica, młody wszechświat dostarcza całkiem interesujących wskazówek na temat tego, czym ona jest. Najbardziej wysoka temperatura kiedykolwiek istniał (przynajmniej w naszym wszechświecie), prawdopodobnie wydarzył się w tak zwanym „czasie Plancka”.

To był moment 10^-43 sekund po Wielkim Wybuchu, kiedy grawitacja oddzieliła się od mechaniki kwantowej i fizyki, która stała się dokładnie tym, czym jest teraz. Temperatura w tym czasie wynosiła około 10^32 K. To siedemdziesiąt razy więcej niż we wnętrzu naszego Słońca.

Ponownie nie jesteśmy pewni, czy jest to najwyższa temperatura, jaka może być. Ponieważ w czasach Plancka nie mieliśmy nawet dużego modelu Wszechświata, nie jesteśmy nawet pewni, czy Wszechświat wygotował się do takiego stanu. W każdym razie jesteśmy wielokrotnie bliżej zera absolutnego niż ciepła absolutnego.