إن المفهوم الفيزيائي لـ "درجة حرارة الصفر المطلقة" مهم جدًا بالنسبة للعلم الحديث: فهو يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمفهوم الموصلية الفائقة، والذي أحدث اكتشافه ضجة كبيرة في النصف الثاني من القرن العشرين.
لفهم ما هو الصفر المطلق، يجب عليك الرجوع إلى أعمال علماء الفيزياء المشهورين مثل ج. لقد لعبوا دورًا رئيسيًا في إنشاء مقاييس درجة الحرارة الرئيسية التي لا تزال مستخدمة حتى اليوم.
أول من اقترح مقياس درجة الحرارة الخاص به كان الفيزيائي الألماني ج.فهرنهايت في عام 1714. وفي الوقت نفسه، تم اعتبار درجة حرارة الخليط، الذي يشمل الثلج والأمونيا، صفرًا مطلقًا، أي أدنى نقطة في هذا المقياس. وكان المؤشر المهم التالي هو الذي أصبح يساوي 1000. وعليه، كان كل قسم من هذا المقياس يسمى "درجة فهرنهايت"، وكان المقياس نفسه يسمى "مقياس فهرنهايت".
وبعد 30 عامًا، اقترح عالم الفلك السويدي أ. سيلسيوس مقياسًا خاصًا لدرجة الحرارة، حيث كانت النقاط الرئيسية هي درجة حرارة ذوبان الجليد والماء. وقد أطلق على هذا المقياس اسم "المقياس المئوي" ولا يزال منتشراً في معظم دول العالم بما فيها روسيا.
في عام 1802، أثناء إجراء تجاربه الشهيرة، اكتشف العالم الفرنسي ج. جاي لوساك أن حجم الغاز عند ضغط ثابت يعتمد بشكل مباشر على درجة الحرارة. لكن الأمر الأكثر فضولًا هو أنه عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية، يزداد حجم الغاز أو ينخفض بنفس المقدار. وبعد إجراء الحسابات اللازمة، وجد جاي لوساك أن هذه القيمة تساوي 1/273 من حجم الغاز عند درجة حرارة 0 مئوية.
أدى هذا القانون إلى النتيجة الواضحة: درجة الحرارة التي تساوي -2730 درجة مئوية هي أدنى درجة حرارة، حتى لو اقتربت منها، فمن المستحيل تحقيقها. ودرجة الحرارة هذه هي التي تسمى "درجة حرارة الصفر المطلق".
علاوة على ذلك، أصبح الصفر المطلق نقطة البداية لإنشاء مقياس درجة الحرارة المطلقة، والذي شارك فيه الفيزيائي الإنجليزي دبليو طومسون، المعروف أيضًا باسم اللورد كلفن، بدور نشط.
كان بحثه الرئيسي يتعلق بإثبات أنه لا يمكن تبريد أي جسم في الطبيعة إلى ما دون الصفر المطلق. وفي الوقت نفسه، استخدم المقياس الثاني بنشاط، لذلك أصبح مقياس درجة الحرارة المطلقة الذي قدمه في عام 1848 يسمى المقياس الديناميكي الحراري أو "مقياس كلفن".
في السنوات والعقود اللاحقة، لم يحدث سوى توضيح عددي لمفهوم "الصفر المطلق"، والذي بدأ اعتباره مساويًا لـ -273.150 درجة مئوية، بعد العديد من الاتفاقيات.
ومن الجدير بالذكر أيضًا أن الصفر المطلق يلعب دورًا مهمًا للغاية في بيت القصيد هو أنه في عام 1960، في المؤتمر العام التالي للأوزان والمقاييس، أصبحت وحدة درجة الحرارة الديناميكية الحرارية - الكلفن - واحدة من وحدات القياس الأساسية الست . في الوقت نفسه، تم النص بشكل خاص على أن درجة كلفن واحدة تساوي رقمًا واحدًا، لكن النقطة المرجعية "حسب كلفن" تعتبر عادةً صفرًا مطلقًا، أي -273.150 درجة مئوية.
المعنى المادي الرئيسي للصفر المطلق هو أنه وفقًا للقوانين الفيزيائية الأساسية، عند درجة الحرارة هذه، تكون طاقة حركة الجسيمات الأولية، مثل الذرات والجزيئات، صفرًا، وفي هذه الحالة يجب أن تكون أي حركة فوضوية لهذه الجسيمات نفسها انقطع. عند درجة حرارة تساوي الصفر المطلق، يجب على الذرات والجزيئات أن تتخذ موقعًا واضحًا عند النقاط الرئيسية للشبكة البلورية، لتشكل نظامًا منظمًا.
وفي الوقت الحاضر، وباستخدام معدات خاصة، تمكن العلماء من الحصول على درجات حرارة لا تتجاوز الصفر المطلق إلا بأجزاء قليلة في المليون. من المستحيل ماديًا تحقيق هذه القيمة بحد ذاتها بسبب القانون الثاني للديناميكا الحرارية الموصوف أعلاه.
عندما يتنبأ تقرير الطقس بدرجات حرارة قريبة من الصفر، لا يجب أن تذهب إلى حلبة التزلج: سوف يذوب الجليد. تعتبر درجة حرارة ذوبان الجليد صفر درجة مئوية، وهو مقياس درجة الحرارة الأكثر شيوعًا.
نحن على دراية بمقياس الدرجات المئوية السالبة - الدرجات<ниже
нуля>درجات البرد. أدنى درجة حرارة سجلت على الأرض في القارة القطبية الجنوبية: -88.3 درجة مئوية. حتى درجات الحرارة المنخفضة ممكنة خارج الأرض: على سطح القمر عند منتصف الليل القمري يمكن أن تصل إلى -160 درجة مئوية.
لكن درجات الحرارة المنخفضة بشكل تعسفي لا يمكن أن توجد في أي مكان. درجة الحرارة المنخفضة للغاية - الصفر المطلق - تقابل - 273.16 درجة على مقياس مئوية.
يبدأ مقياس درجة الحرارة المطلقة، مقياس كلفن، من الصفر المطلق. يذوب الجليد عند درجة حرارة 273.16 درجة كلفن، ويغلي الماء عند درجة حرارة 373.16 درجة كلفن. ومن ثم، فإن الدرجة K تساوي الدرجة C. ولكن على مقياس كلفن، تكون جميع درجات الحرارة موجبة.
لماذا هو 0 درجة كلفن الحد البارد؟
الحرارة هي الحركة الفوضوية لذرات وجزيئات المادة. عند تبريد مادة ما، تنزع منها الطاقة الحرارية، وتضعف الحركة العشوائية لجزيئاتها. في النهاية، مع تبريد قوي، حراري<пляска>تتوقف الجزيئات بشكل شبه كامل. سوف تتجمد الذرات والجزيئات تمامًا عند درجة حرارة تعتبر الصفر المطلق. وفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم، عند الصفر المطلق، ستتوقف الحركة الحرارية للجسيمات، لكن الجسيمات نفسها لن تتجمد، لأنها لا يمكن أن تكون في حالة راحة تامة. وبالتالي، عند الصفر المطلق، يجب أن تظل الجسيمات محتفظة بنوع من الحركة، وهو ما يسمى الحركة الصفرية.
ومع ذلك، فإن تبريد مادة إلى درجة حرارة أقل من الصفر المطلق هي فكرة لا معنى لها، مثل النية على سبيل المثال<идти медленнее, чем стоять на месте>.
علاوة على ذلك، فإن الوصول إلى الصفر المطلق يكاد يكون مستحيلاً. يمكنك فقط الاقتراب منه. لأنه لا يمكنك بأي حال من الأحوال إزالة كل الطاقة الحرارية من مادة ما. ويبقى بعض الطاقة الحرارية عند أعمق تبريد.
كيف يمكنك تحقيق درجات حرارة منخفضة للغاية؟
تجميد المادة أصعب من تسخينها. ويمكن ملاحظة ذلك حتى من خلال مقارنة تصميم الموقد والثلاجة.
في معظم الثلاجات المنزلية والصناعية، تتم إزالة الحرارة بسبب تبخر سائل خاص - الفريون، الذي يدور عبر الأنابيب المعدنية. السر هو أن الفريون لا يمكن أن يبقى في حالة سائلة إلا عند درجة حرارة منخفضة بدرجة كافية. في حجرة الثلاجة، بسبب حرارة الغرفة، يسخن ويغلي، ويتحول إلى بخار. ولكن يتم ضغط البخار بواسطة الضاغط، ثم يتم تسييله ويدخل إلى المبخر، مما يعوض فقدان الفريون المتبخر. يتم استهلاك الطاقة لتشغيل الضاغط.
في أجهزة التبريد العميق، يكون الناقل البارد عبارة عن سائل شديد البرودة - الهيليوم السائل. عديم اللون، خفيف (أخف من الماء بثمانية مرات)، يغلي تحت ضغط جوي عند 4.2 درجة كلفن، وفي الفراغ عند 0.7 درجة كلفن. يتم الحصول على درجة حرارة أقل من ذلك بواسطة نظير الهيليوم الخفيف: 0.3 درجة كلفن.
يعد إنشاء ثلاجة هيليوم دائمة أمرًا صعبًا للغاية. يتم إجراء البحث ببساطة في الحمامات التي تحتوي على الهيليوم السائل. ولتسييل هذا الغاز، يستخدم الفيزيائيون تقنيات مختلفة. على سبيل المثال، يتم توسيع الهيليوم المبرد والمضغوط مسبقًا، ويتم إطلاقه من خلال ثقب رفيع في غرفة مفرغة. وفي الوقت نفسه، تنخفض درجة الحرارة أكثر ويتحول بعض الغاز إلى سائل. إنه أكثر كفاءة ليس فقط لتوسيع الغاز المبرد، ولكن أيضا لإجباره على القيام بالعمل - تحريك المكبس.
يتم تخزين الهيليوم السائل الناتج في ترمس خاص - قوارير ديوار. تبين أن تكلفة هذا السائل شديد البرودة (السائل الوحيد الذي لا يتجمد عند الصفر المطلق) مرتفعة جدًا. ومع ذلك، يتم استخدام الهيليوم السائل على نطاق واسع هذه الأيام، ليس فقط في العلوم، ولكن أيضًا في الأجهزة التقنية المختلفة.
تم تحقيق أدنى درجات الحرارة بطريقة مختلفة. وتبين أن جزيئات بعض الأملاح، مثل شبة كروم البوتاسيوم، يمكن أن تدور على طول خطوط القوة المغناطيسية. يتم تبريد هذا الملح مسبقًا بالهيليوم السائل إلى درجة حرارة 1 درجة كلفن ووضعه في مجال مغناطيسي قوي. في هذه الحالة، تدور الجزيئات على طول خطوط القوة، ويتم أخذ الحرارة المنبعثة بعيدًا بواسطة الهيليوم السائل. ثم تتم إزالة المجال المغناطيسي فجأة، وتدور الجزيئات مرة أخرى في اتجاهات مختلفة، وتستنفد
يؤدي هذا العمل إلى مزيد من التبريد للملح. وبهذه الطريقة حصلنا على درجة حرارة قدرها 0.001 درجة كلفن. وباستخدام طريقة مماثلة من حيث المبدأ، باستخدام مواد أخرى، يمكننا الحصول على درجة حرارة أقل.
أدنى درجة حرارة تم الحصول عليها حتى الآن على الأرض هي 0.00001 درجة كلفن.
تتغير المادة المجمدة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية في حمامات الهيليوم السائل بشكل ملحوظ. يصبح المطاط هشًا، ويصبح الرصاص قاسيًا مثل الفولاذ والمرن، وتزيد العديد من السبائك من قوتها.
يتصرف الهيليوم السائل نفسه بطريقة غريبة. عند درجات حرارة أقل من 2.2 درجة كلفن، يكتسب خاصية غير مسبوقة للسوائل العادية - السيولة الفائقة: يفقد بعضها اللزوجة تمامًا ويتدفق عبر أضيق الشقوق دون أي احتكاك.
تم اكتشاف هذه الظاهرة في عام 1937 من قبل الأكاديمي الفيزيائي السوفيتي P. JI. كابيتسا، ثم شرحها الأكاديمي جي. د. لانداو.
اتضح أنه عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية، تبدأ قوانين الكم لسلوك المادة في إحداث تأثير ملحوظ. وكما يتطلب أحد هذه القوانين، لا يمكن نقل الطاقة من جسم إلى آخر إلا بأجزاء محددة جيدًا - الكميات. يوجد عدد قليل جدًا من الكمات الحرارية في الهيليوم السائل بحيث لا يوجد ما يكفي منها لجميع الذرات. ويبقى جزء السائل، الخالي من الكميات الحرارية، كما لو كان عند درجة حرارة الصفر المطلق، ولا تشارك ذراته على الإطلاق في حركة حرارية عشوائية ولا تتفاعل بأي شكل من الأشكال مع جدران الوعاء. هذا الجزء (الذي كان يسمى الهيليوم-H) لديه سيولة فائقة. مع انخفاض درجة الحرارة، يصبح الهيليوم-P أكثر وفرة، وعند الصفر المطلق سيتحول كل الهيليوم إلى هيليوم-H.
وقد تمت الآن دراسة السيولة الفائقة بتفصيل كبير، بل إنها وجدت تطبيقًا عمليًا مفيدًا: فبمساعدتها من الممكن فصل نظائر الهيليوم.
بالقرب من الصفر المطلق، تحدث تغيرات مثيرة للاهتمام للغاية في الخواص الكهربائية لبعض المواد.
في عام 1911، قام الفيزيائي الهولندي كامرلينغ أونيس باكتشاف غير متوقع: اتضح أنه عند درجة حرارة 4.12 درجة مئوية، تختفي المقاومة الكهربائية في الزئبق تمامًا. يصبح الزئبق موصلا فائقا. لا ينطفئ التيار الكهربائي المستحث في حلقة فائقة التوصيل ويمكن أن يتدفق إلى الأبد تقريبًا.
فوق هذه الحلقة، ستطفو كرة فائقة التوصيل في الهواء ولن تسقط، مثل حكاية خرافية<гроб Магомета>لأن جاذبيتها يتم تعويضها بالتنافر المغناطيسي بين الحلقة والكرة. بعد كل شيء، فإن التيار المستمر في الحلقة سيخلق مجالًا مغناطيسيًا، وهذا بدوره سيولد تيارًا كهربائيًا في الكرة ومعه مجالًا مغناطيسيًا موجهًا بشكل معاكس.
بالإضافة إلى الزئبق، يتمتع القصدير والرصاص والزنك والألومنيوم بموصلية فائقة بالقرب من الصفر المطلق. تم العثور على هذه الخاصية في 23 عنصرًا وأكثر من مائة من السبائك المختلفة والمركبات الكيميائية الأخرى.
تغطي درجات الحرارة التي تظهر فيها الموصلية الفائقة (درجات الحرارة الحرجة) نطاقًا واسعًا إلى حد ما - من 0.35 درجة كلفن (الهافنيوم) إلى 18 درجة كلفن (سبائك النيوبيوم والقصدير).
ظاهرة الموصلية الفائقة مثل
تمت دراسة السيولة بالتفصيل. تم العثور على اعتماد درجات الحرارة الحرجة على البنية الداخلية للمواد والمجال المغناطيسي الخارجي. تم تطوير نظرية عميقة للموصلية الفائقة (قدم العالم السوفييتي الأكاديمي ن.ن.بوغوليوبوف مساهمة مهمة).
إن جوهر هذه الظاهرة المتناقضة هو مرة أخرى كمي بحت. عند درجات حرارة منخفضة للغاية، تدخل الإلكترونات
يشكل الموصل الفائق نظامًا من الجسيمات المرتبطة بشكل مزدوج والتي لا يمكنها إعطاء الطاقة للشبكة البلورية أو إهدار كميات الطاقة عند تسخينها. تتحرك أزواج الإلكترونات كما لو كانت<танцуя>، بين<прутьями решетки>- الأيونات وتجاوزها دون تصادمات ونقل طاقة.
يتم استخدام الموصلية الفائقة بشكل متزايد في التكنولوجيا.
على سبيل المثال، يتم استخدام الملفات اللولبية فائقة التوصيل في الممارسة العملية - ملفات من الموصلات الفائقة مغمورة في الهيليوم السائل. مرة واحدة المستحثة الحالية، وبالتالي، يمكن تخزين المجال المغناطيسي فيها للمدة المطلوبة. يمكن أن يصل إلى حجم هائل - أكثر من 100000 أورستد. في المستقبل، ستظهر بلا شك أجهزة صناعية قوية فائقة التوصيل - المحركات الكهربائية والمغناطيسات الكهربائية وما إلى ذلك.
في الإلكترونيات الراديوية، تبدأ مكبرات الصوت ومولدات الموجات الكهرومغناطيسية فائقة الحساسية في لعب دور مهم، والتي تعمل بشكل جيد بشكل خاص في الحمامات التي تحتوي على الهيليوم السائل - حيث يوجد الجهاز الداخلي<шумы>معدات. في تكنولوجيا الحوسبة الإلكترونية، يتم الوعد بمستقبل باهر للمفاتيح فائقة التوصيل منخفضة الطاقة - الكريوترونات (انظر الفن.<Пути электроники>).
ليس من الصعب أن نتخيل مدى إغراء تطوير تشغيل مثل هذه الأجهزة في منطقة ذات درجات حرارة أعلى يسهل الوصول إليها. في الآونة الأخيرة، تم اكتشاف الأمل في إنشاء موصلات فائقة من فيلم البوليمر. إن الطبيعة المميزة للتوصيل الكهربائي في مثل هذه المواد تعد بفرصة رائعة للحفاظ على الموصلية الفائقة حتى في درجات حرارة الغرفة. ويبحث العلماء باستمرار عن طرق لتحقيق هذا الأمل.
والآن دعونا نلقي نظرة على عالم أكثر الأشياء سخونة في العالم - إلى أعماق النجوم. حيث تصل درجات الحرارة إلى ملايين الدرجات.
إن الحركة الحرارية العشوائية في النجوم شديدة للغاية بحيث لا يمكن لذرات بأكملها أن توجد هناك: فهي تتدمر في عدد لا يحصى من الاصطدامات.
وبالتالي فإن المادة شديدة السخونة لا يمكن أن تكون صلبة ولا سائلة ولا غازية. وهو في حالة البلازما، أي خليط من الشحنات الكهربائية<осколков>الذرات - النوى الذرية والإلكترونات.
البلازما هي حالة فريدة من المادة. وبما أن جزيئاته مشحونة كهربائيا، فهي حساسة للقوى الكهربائية والمغناطيسية. ولذلك، فإن القرب من نواتين ذريتين (تحملان شحنة موجبة) يعد ظاهرة نادرة. فقط عند الكثافات العالية ودرجات الحرارة الهائلة، تتصادم النوى الذرية مع بعضها البعض وتكون قادرة على الاقتراب من بعضها البعض. ثم تحدث تفاعلات نووية حرارية - مصدر الطاقة للنجوم.
أقرب نجم لنا، الشمس، يتكون بشكل رئيسي من بلازما الهيدروجين، والتي يتم تسخينها في أحشاء النجم إلى 10 ملايين درجة. في مثل هذه الظروف، تحدث لقاءات قريبة بين نوى الهيدروجين السريعة والبروتونات، على الرغم من ندرتها. في بعض الأحيان تتفاعل البروتونات التي تقترب: فبعد التغلب على التنافر الكهربائي، تقع في قبضة قوى الجذب النووية العملاقة، بسرعة<падают>فوق بعضها البعض والاندماج. هنا تحدث إعادة هيكلة فورية: بدلاً من بروتونين، يظهر الديوترون (نواة نظير الهيدروجين الثقيل)، والبوزيترون والنيوترينو. الطاقة المنطلقة هي 0.46 مليون إلكترون فولت (MeV).
ويمكن لكل بروتون شمسي أن يدخل في مثل هذا التفاعل بمعدل مرة واحدة كل 14 مليار سنة. ولكن هناك الكثير من البروتونات في أحشاء الضوء لدرجة أن هذا الحدث غير المحتمل يحدث هنا وهناك - ويحترق نجمنا بلهبه المبهر.
إن تخليق الديوترونات ليس سوى الخطوة الأولى في التحولات النووية الحرارية الشمسية. يتحد الديوترون حديث الولادة قريبًا جدًا (في المتوسط بعد 5.7 ثانية) مع بروتون آخر. تظهر نواة الهيليوم الخفيفة وكمية غاما من الإشعاع الكهرومغناطيسي. تم إطلاق 5.48 MeV من الطاقة.
وأخيرًا، في المتوسط، مرة واحدة كل مليون سنة، يمكن أن تتقارب نواتا الهيليوم الخفيفتين وتتحدان. ثم تتشكل نواة الهيليوم العادي (جسيم ألفا) وينقسم بروتونان. تم إطلاق 12.85 MeV من الطاقة.
هذه ثلاث مراحل<конвейер>التفاعلات النووية الحرارية ليست الوحيدة. هناك سلسلة أخرى من التحولات النووية، أسرع. وتشارك فيه النوى الذرية للكربون والنيتروجين (دون أن تستهلك). لكن في كلا الخيارين، يتم تصنيع جسيمات ألفا من نواة الهيدروجين. بالمعنى المجازي، بلازما الهيدروجين للشمس<сгорает>، يتحول إلى<золу>- بلازما الهيليوم. وأثناء تصنيع كل جرام من بلازما الهيليوم يتم إطلاق 175 ألف كيلووات ساعة من الطاقة. كمية كبيرة!
تبعث الشمس في كل ثانية 4,1033 إرجًا من الطاقة، وتفقد 4,1012 جرامًا (4 ملايين طن) من وزن المادة. لكن الكتلة الإجمالية للشمس تبلغ 21027 طنًا، وهذا يعني أنه خلال مليون سنة ستختفي الشمس بفضل الإشعاع<худеет>فقط واحد على عشرة ملايين من كتلته. توضح هذه الأرقام ببلاغة فعالية التفاعلات النووية الحرارية والقيمة الحرارية الهائلة للطاقة الشمسية.<горючего>- الهيدروجين.
يبدو أن الاندماج النووي الحراري هو المصدر الرئيسي للطاقة لجميع النجوم. عند درجات حرارة وكثافات مختلفة للأجزاء الداخلية النجمية، تحدث أنواع مختلفة من التفاعلات. وعلى وجه الخصوص، الشمسية<зола>- نواة الهيليوم - عند 100 مليون درجة تصبح نفسها نووية حرارية<горючим>. ومن ثم يمكن تصنيع النوى الذرية الأثقل - الكربون وحتى الأكسجين - من جسيمات ألفا.
وفقا للعديد من العلماء، فإن Metagalaxy بأكمله ككل هو أيضا ثمرة الاندماج النووي الحراري، الذي حدث عند درجة حرارة مليار درجة (انظر الفن.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
القيمة الحرارية غير العادية للطاقة النووية الحرارية<горючего>دفع العلماء إلى تحقيق التنفيذ الاصطناعي لتفاعلات الاندماج النووي.
<Горючего>- هناك العديد من نظائر الهيدروجين على كوكبنا. على سبيل المثال، يمكن إنتاج التريتيوم الهيدروجيني فائق الثقل من معدن الليثيوم في المفاعلات النووية. والهيدروجين الثقيل - الديوتيريوم جزء من الماء الثقيل الذي يمكن استخلاصه من الماء العادي.
الهيدروجين الثقيل المستخرج من كوبين من الماء العادي من شأنه أن ينتج طاقة في مفاعل نووي حراري تعادل ما يتم إنتاجه الآن عن طريق حرق برميل من البنزين الممتاز.
تكمن الصعوبة في التسخين المسبق<горючее>إلى درجات الحرارة التي يمكن أن تشتعل فيها بنيران نووية حرارية قوية.
تم حل هذه المشكلة لأول مرة في القنبلة الهيدروجينية. تشتعل نظائر الهيدروجين هناك نتيجة انفجار قنبلة ذرية، والذي يصاحبه تسخين المادة إلى عشرات الملايين من الدرجات. في أحد إصدارات القنبلة الهيدروجينية، يكون الوقود النووي الحراري مركبًا كيميائيًا من الهيدروجين الثقيل مع الليثيوم الخفيف - ديوتريد الليثيوم الخفيف. هذا المسحوق الأبيض، يشبه ملح الطعام،<воспламеняясь>من<спички>وهي قنبلة ذرية تنفجر على الفور وتولد درجة حرارة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات.
لبدء تفاعل نووي حراري سلمي، يجب على المرء أولاً أن يتعلم كيفية تسخين جرعات صغيرة من بلازما كثيفة بما فيه الكفاية من نظائر الهيدروجين إلى درجات حرارة تصل إلى مئات الملايين من الدرجات دون خدمات القنبلة الذرية. تعتبر هذه المشكلة من أصعب المسائل في الفيزياء التطبيقية الحديثة. لقد عمل العلماء في جميع أنحاء العالم على هذا لسنوات عديدة.
لقد قلنا بالفعل أن الحركة الفوضوية للجزيئات هي التي تخلق تسخين الأجسام، ومتوسط \u200b\u200bطاقة حركتها العشوائية يتوافق مع درجة الحرارة. إن تسخين الجسم البارد يعني خلق هذا الاضطراب بأي شكل من الأشكال.
تخيل مجموعتين من المتسابقين يندفعون نحو بعضهم البعض. فاصطدموا واختلطوا وبدأ السحق والارتباك. فوضى كبيرة!
وبنفس الطريقة تقريبًا، حاول الفيزيائيون في البداية الحصول على درجات حرارة عالية، عن طريق اصطدام نفاثات الغاز ذات الضغط العالي. تسخين الغاز إلى 10 آلاف درجة. في وقت من الأوقات كان هذا رقماً قياسياً: كانت درجة الحرارة أعلى من درجة الحرارة على سطح الشمس.
ولكن مع هذه الطريقة، من المستحيل تسخين الغاز بشكل بطيء وغير متفجر، لأن الاضطراب الحراري ينتشر على الفور في جميع الاتجاهات، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة جدران الغرفة التجريبية والبيئة. تترك الحرارة الناتجة النظام بسرعة، ومن المستحيل عزله.
إذا تم استبدال نفاثات الغاز بتدفقات البلازما، تظل مشكلة العزل الحراري صعبة للغاية، ولكن هناك أيضًا أمل في حلها.
صحيح أنه لا يمكن حماية البلازما من فقدان الحرارة بواسطة أوعية مصنوعة حتى من أكثر المواد مقاومة للحرارة. عند ملامستها للجدران الصلبة، تبرد البلازما الساخنة على الفور. لكن يمكنك محاولة الاحتفاظ بالبلازما وتسخينها عن طريق خلق تراكمها في الفراغ بحيث لا تلمس جدران الغرفة بل تتدلى في الفراغ ولا تلمس أي شيء. وهنا ينبغي الاستفادة من حقيقة أن جزيئات البلازما ليست محايدة مثل ذرات الغاز، ولكنها مشحونة كهربائيا. لذلك، عند التحرك، يتعرضون للقوى المغناطيسية. تنشأ المهمة: إنشاء مجال مغناطيسي بتكوين خاص تتدلى فيه البلازما الساخنة كما لو كانت في كيس بجدران غير مرئية.
يتم إنشاء أبسط أشكال هذه البلازما تلقائيًا عندما يتم تمرير نبضات قوية من التيار الكهربائي عبر البلازما. في هذه الحالة، يتم تحفيز القوى المغناطيسية حول سلك البلازما، والتي تميل إلى ضغط الحبل. يتم فصل البلازما عن جدران أنبوب التفريغ، وعند محور الحبل عند سحق الجزيئات ترتفع درجة الحرارة إلى 2 مليون درجة.
في بلدنا، تم إجراء مثل هذه التجارب في عام 1950 تحت قيادة الأكاديميين JI. A. Artsimovich و M. A. Leontovich.
الاتجاه الآخر للتجارب هو استخدام الزجاجة المغناطيسية، التي اقترحها في عام 1952 الفيزيائي السوفييتي جي آي بودكر، وهو الآن أكاديمي. يتم وضع الزجاجة المغناطيسية في حجرة الفلين - وهي حجرة مفرغة أسطوانية مزودة بملف خارجي يتم تكثيفه في أطراف الحجرة. يخلق التيار المتدفق عبر اللف مجالًا مغناطيسيًا في الغرفة. وتقع خطوط مجالها في الجزء الأوسط بالتوازي مع مولدات الأسطوانة، وفي الأطراف تكون مضغوطة وتشكل سدادات مغناطيسية. تلتف جزيئات البلازما المحقونة في زجاجة مغناطيسية حول خطوط المجال وتنعكس من المقابس. ونتيجة لذلك، يتم الاحتفاظ بالبلازما داخل الزجاجة لبعض الوقت. إذا كانت طاقة جزيئات البلازما التي تم إدخالها في الزجاجة عالية بما فيه الكفاية وكان هناك ما يكفي منها، فإنها تدخل في تفاعلات قوة معقدة، وتصبح حركتها المنظمة في البداية مشوشة، وتصبح غير منتظمة - ترتفع درجة حرارة نوى الهيدروجين إلى عشرات الملايين من درجات.
ويتم تحقيق التدفئة الإضافية عن طريق الكهرومغناطيسي<ударами>عن طريق البلازما، وضغط المجال المغناطيسي، وما إلى ذلك. والآن يتم تسخين بلازما نواة الهيدروجين الثقيلة إلى مئات الملايين من الدرجات. صحيح أنه يمكن القيام بذلك إما لفترة قصيرة أو بكثافة بلازما منخفضة.
لبدء تفاعل مستدام ذاتيًا، يجب زيادة درجة حرارة البلازما وكثافتها. وهذا أمر يصعب تحقيقه. ومع ذلك، فإن المشكلة، كما يعتقد العلماء، قابلة للحل بلا شك.
ج.ب. أنفيلوف
يُسمح بنشر الصور والاستشهاد بمقالات من موقعنا على مصادر أخرى بشرط توفير رابط للمصدر والصور.
تعتبر درجة الحرارة الحدية التي يصبح عندها حجم الغاز المثالي مساويًا للصفر هي درجة حرارة الصفر المطلق. ومع ذلك، فإن حجم الغازات الحقيقية عند درجة حرارة الصفر المطلق لا يمكن أن يختفي. هل حد درجة الحرارة هذا منطقي إذن؟
إن درجة الحرارة المحددة، التي يتبع وجودها قانون جاي-لوساك، أمر منطقي، لأنه من الممكن عمليا تقريب خصائص الغاز الحقيقي من خصائص الغاز المثالي. للقيام بذلك، تحتاج إلى تناول غاز متخلخل بشكل متزايد، بحيث تميل كثافته إلى الصفر. في الواقع، مع انخفاض درجة الحرارة، فإن حجم هذا الغاز سوف يميل إلى الحد الأقصى، بالقرب من الصفر.
دعونا نجد قيمة الصفر المطلق على مقياس مئوية. معادلة الحجم الخامسالخامسالصيغة (3.6.4) صفر مع مراعاة ذلك
ومن هنا تكون درجة حرارة الصفر المطلق
* قيمة الصفر المطلق الأكثر دقة: -273.15 درجة مئوية.
هذه هي أقصى درجة حرارة وأدنى درجة حرارة في الطبيعة، وهي "الدرجة الأكبر أو الأخيرة من البرد"، التي تنبأ بوجودها لومونوسوف.
مقياس كلفن
كلفن ويليام (طومسون دبليو) (1824-1907) - فيزيائي إنجليزي بارز، أحد مؤسسي الديناميكا الحرارية والنظرية الحركية الجزيئية للغازات.
قدم كلفن مقياس درجة الحرارة المطلقة وأعطى إحدى صيغ القانون الثاني للديناميكا الحرارية في شكل استحالة تحويل الحرارة بالكامل إلى عمل. وقام بحساب حجم الجزيئات بناءً على قياس الطاقة السطحية للسائل. فيما يتعلق بمد كابل التلغراف عبر المحيط الأطلسي، طور كلفن نظرية التذبذبات الكهرومغناطيسية واشتق صيغة لفترة التذبذبات الحرة في الدائرة. لإنجازاته العلمية، حصل دبليو طومسون على لقب اللورد كلفن.
قدم العالم الإنجليزي دبليو كلفن مقياس درجة الحرارة المطلقة. درجة حرارة الصفر على مقياس كلفن تقابل الصفر المطلق، ووحدة درجة الحرارة على هذا المقياس تساوي درجة على مقياس مئوية، إذن درجة الحرارة المطلقة تيرتبط بدرجة الحرارة على مقياس مئوية بواسطة الصيغة
(3.7.6)
ويبين الشكل 3.11 المقياس المطلق والمقياس المئوي للمقارنة.
وحدة SI لدرجة الحرارة المطلقة تسمى كلفن (مختصر K). لذلك، درجة واحدة على مقياس مئوية تساوي درجة واحدة على مقياس كلفن: 1 درجة مئوية = 1 كلفن.
وبالتالي، فإن درجة الحرارة المطلقة، حسب التعريف الوارد في الصيغة (3.7.6)، هي كمية مشتقة تعتمد على درجة الحرارة المئوية وعلى القيمة المحددة تجريبيا لـ a. ومع ذلك، فهو ذو أهمية أساسية.
من وجهة نظر النظرية الحركية الجزيئية، ترتبط درجة الحرارة المطلقة بمتوسط الطاقة الحركية للحركة الفوضوية للذرات أو الجزيئات. في ت = O K تتوقف الحركة الحرارية للجزيئات. وسيتم مناقشة هذا بمزيد من التفصيل في الفصل 4.
اعتماد الحجم على درجة الحرارة المطلقة
باستخدام مقياس كلفن، يمكن كتابة قانون جاي لوساك (3.6.4) بشكل أبسط. لأن
(3.7.7)
حجم الغاز من كتلة معينة عند ضغط ثابت يتناسب طرديا مع درجة الحرارة المطلقة.
ويترتب على ذلك أن نسبة أحجام الغاز من نفس الكتلة في حالات مختلفة عند نفس الضغط تساوي نسبة درجات الحرارة المطلقة:
(3.7.8)
هناك أدنى درجة حرارة ممكنة يختفي عندها حجم (وضغط) الغاز المثالي. هذه هي درجة حرارة الصفر المطلق:-273 درجة مئوية. من الملائم حساب درجة الحرارة من الصفر المطلق. هذه هي الطريقة التي يتم بها بناء مقياس درجة الحرارة المطلقة.
> الصفر المطلق
تعرف على ما يعادله درجة حرارة الصفر المطلقوقيمة الانتروبيا. تعرف على درجة حرارة الصفر المطلق بمقياسي سيلسيوس وكلفن.
الصفر المطلق- درجة الحرارة الدنيا. هذه هي النقطة التي يصل فيها الإنتروبيا إلى أدنى قيمة له.
هدف التعلم
- افهم لماذا يعتبر الصفر المطلق مؤشرًا طبيعيًا لنقطة الصفر.
النقاط الرئيسية
- الصفر المطلق هو عالمي، أي أن كل المادة تكون في الحالة الأرضية عند هذا المؤشر.
- K لديه طاقة ميكانيكا الكم صفر. لكن في التفسير، يمكن أن تكون الطاقة الحركية صفرًا، وتختفي الطاقة الحرارية.
- أدنى درجة حرارة في ظروف المختبر وصلت إلى 10-12 كلفن. وكانت أدنى درجة حرارة طبيعية هي 1 كلفن (تمدد الغازات في سديم بوميرانج).
شروط
- الإنتروبيا هي مقياس لكيفية توزيع الطاقة الموحدة في النظام.
- الديناميكا الحرارية هي فرع من فروع العلم الذي يدرس الحرارة وعلاقتها بالطاقة والشغل.
الصفر المطلق هو الحد الأدنى لدرجة الحرارة التي يصل عندها الإنتروبيا إلى أدنى قيمة له. أي أن هذا هو أصغر مؤشر يمكن ملاحظته في النظام. هذا مفهوم عالمي ويعمل كنقطة الصفر في نظام وحدات درجة الحرارة.
رسم بياني للضغط مقابل درجة الحرارة للغازات المختلفة ذات الحجم الثابت. لاحظ أن جميع الرسوم البيانية تستقرئ إلى ضغط صفر عند درجة حرارة واحدة
لا يزال النظام عند الصفر المطلق يتمتع بطاقة نقطة الصفر الميكانيكية الكمومية. وفقا لمبدأ عدم اليقين، لا يمكن تحديد موضع الجسيمات بدقة مطلقة. إذا تم إزاحة جسيم عند الصفر المطلق، فإنه لا يزال لديه الحد الأدنى من احتياطي الطاقة. لكن في الديناميكا الحرارية الكلاسيكية، يمكن أن تكون الطاقة الحركية صفرًا، وتختفي الطاقة الحرارية.
نقطة الصفر في المقياس الديناميكي الحراري، مثل كلفن، تساوي الصفر المطلق. وقد نصت الاتفاقية الدولية على أن درجة حرارة الصفر المطلق تصل إلى 0 كلفن على مقياس كلفن، و -273.15 درجة مئوية على مقياس سيليزيوس. تُظهِر المادة تأثيرات كمومية عند درجات الحرارة الدنيا، مثل الموصلية الفائقة والميوعة الفائقة. كانت أدنى درجة حرارة في ظروف المختبر 10-12 كلفن، وفي البيئة الطبيعية - 1 كلفن (التوسع السريع للغازات في سديم بوميرانج).
يؤدي التوسع السريع للغازات إلى أدنى درجة حرارة ملحوظة
الصفر المطلق يتوافق مع درجة حرارة -273.15 درجة مئوية.
ويعتقد أن الصفر المطلق لا يمكن تحقيقه عمليا. إن وجودها وموقعها على مقياس درجة الحرارة ينبع من استقراء الظواهر الفيزيائية المرصودة، ويظهر هذا الاستقراء أنه عند الصفر المطلق، يجب أن تكون طاقة الحركة الحرارية لجزيئات وذرات المادة مساوية للصفر، أي الحركة الفوضوية للجزيئات تتوقف، وتشكل بنية مرتبة، وتحتل موقعًا واضحًا في عقد الشبكة البلورية. ومع ذلك، في الواقع، حتى عند درجة حرارة الصفر المطلق، ستبقى الحركات المنتظمة للجزيئات التي تشكل المادة. أما التذبذبات المتبقية، مثل تذبذبات نقطة الصفر، فهي ناتجة عن الخصائص الكمومية للجسيمات والفراغ الفيزيائي الذي يحيط بها.
في الوقت الحاضر، في المختبرات الفيزيائية، كان من الممكن الحصول على درجات حرارة تتجاوز الصفر المطلق ببضعة أجزاء فقط من المليون من الدرجة؛ لتحقيق ذلك، وفقا لقوانين الديناميكا الحرارية، أمر مستحيل.
ملحوظات
الأدب
- جي بورمين. الاعتداء على الصفر المطلق. - م: «أدب الأطفال» 1983.
أنظر أيضا
مؤسسة ويكيميديا. 2010.
المرادفات:انظر ما هو "الصفر المطلق" في القواميس الأخرى:
درجات الحرارة، أصل درجة الحرارة على مقياس درجة الحرارة الديناميكي الحراري (انظر مقياس درجة الحرارة الديناميكية الحرارية). يقع الصفر المطلق عند درجة حرارة 273.16 درجة مئوية تحت درجة حرارة النقطة الثلاثية (انظر النقطة الثلاثية) للماء والتي يقبل عليها... ... القاموس الموسوعي
درجات الحرارة، أصل درجة الحرارة على مقياس درجة الحرارة الديناميكي الحراري. يقع الصفر المطلق عند 273.16 درجة مئوية تحت درجة حرارة النقطة الثلاثية للماء (0.01 درجة مئوية). الصفر المطلق هو أمر بعيد المنال بشكل أساسي، وقد وصلت درجات الحرارة تقريبًا... ... الموسوعة الحديثة
درجات الحرارة هي نقطة البداية لدرجة الحرارة على مقياس درجة الحرارة الديناميكي الحراري. ويقع الصفر المطلق عند درجة حرارة 273.16.C تحت درجة حرارة النقطة الثلاثية للماء، والتي تبلغ قيمتها 0.01.C. الصفر المطلق لا يمكن تحقيقه بالأساس (انظر... ... القاموس الموسوعي الكبير
درجة الحرارة التي تعبر عن غياب الحرارة تساوي 218 درجة مئوية. قاموس الكلمات الأجنبية المدرجة في اللغة الروسية. بافلينكوف ف.، 1907. درجة حرارة الصفر المطلق (الفيزيائي) - أدنى درجة حرارة ممكنة (273.15 درجة مئوية). قاموس كبير.... قاموس الكلمات الأجنبية للغة الروسية
الصفر المطلق- درجة الحرارة المنخفضة للغاية التي تتوقف عندها الحركة الحرارية للجزيئات على مقياس كلفن، الصفر المطلق (0 درجة كلفن) يقابل -273.16±0.01 درجة مئوية... قاموس الجغرافيا
الاسم عدد المرادفات: 15 جولة صفر (8) رجل صغير (32) زريعة صغيرة ... قاموس المرادفات
درجة الحرارة المنخفضة للغاية التي تتوقف عندها الحركة الحرارية للجزيئات. يصبح ضغط وحجم الغاز المثالي حسب قانون بويل ماريوت مساوياً للصفر، وتعتبر بداية درجة الحرارة المطلقة على مقياس كلفن هي... ... القاموس البيئي
الصفر المطلق- - [أ.س. غولدبرغ. قاموس الطاقة الإنجليزي الروسي. 2006] موضوعات الطاقة بشكل عام EN نقطة الصفر ... دليل المترجم الفني
بداية مرجعية درجة الحرارة المطلقة. تتوافق مع 273.16 درجة مئوية. حاليًا، في المختبرات الفيزيائية، كان من الممكن الحصول على درجة حرارة تتجاوز الصفر المطلق ببضعة أجزاء من المليون من الدرجة فقط، ويتم تحقيق ذلك وفقًا للقوانين... ... موسوعة كولير
الصفر المطلق- لا يوجد مطلق للحالة T sritis Standards Standards and Metrologija Apibrėžtis Termodinaminės درجات الحرارة المثالية، والتي تبلغ 273.16 ألف درجة مئوية من متطلبات التشغيل. تاي 273.16 درجة مئوية، 459.69 درجة فهرنهايت، درجة حرارة 0 كلفن. السمات: الإنجليزية… ... Penkiakalbis aiškinamasis Metrologijos terminų žodynas
الصفر المطلق- حالة مطلقة خالية من المواد الكيميائية التي تحتوي على مادة كلفينو خالية من المادة (−273.16 درجة مئوية). السمات: الإنجليزية. الصفر المطلق روس. الصفر المطلق... تنتهي الكيمياء بحياة جديدة