هل فكرت يومًا في مدى انخفاض درجة الحرارة؟ ما هو الصفر المطلق؟ هل ستتمكن البشرية من تحقيق ذلك وما هي الفرص التي ستفتح بعد هذا الاكتشاف؟ لقد شغلت هذه الأسئلة وغيرها من الأسئلة المشابهة منذ فترة طويلة عقول العديد من الفيزيائيين والأشخاص الفضوليين.
ما هو الصفر المطلق
حتى لو لم تكن تحب الفيزياء منذ الطفولة، فمن المحتمل أنك على دراية بمفهوم درجة الحرارة. بفضل نظرية الحركية الجزيئية، نعلم الآن أن هناك علاقة ثابتة معينة بينها وبين حركات الجزيئات والذرات: كلما ارتفعت درجة حرارة أي جسم مادي، زادت سرعة تحرك ذراته، والعكس صحيح. السؤال الذي يطرح نفسه: "هل يوجد مثل هذا الحد الأدنى الذي تتجمد عنده الجسيمات الأولية في مكانها؟" ويعتقد العلماء أن هذا ممكن من الناحية النظرية؛ حيث سيصل مقياس الحرارة إلى -273.15 درجة مئوية. وتسمى هذه القيمة بالصفر المطلق. بمعنى آخر، هذا هو الحد الأدنى الممكن الذي يمكن تبريد الجسم المادي عنده. بل إن هناك مقياسًا لدرجة الحرارة المطلقة (مقياس كلفن)، حيث الصفر المطلق هو النقطة المرجعية، ووحدة تقسيم المقياس تساوي درجة واحدة. ولا يتوقف العلماء في جميع أنحاء العالم عن العمل لتحقيق هذه القيمة، إذ يعد ذلك بآفاق هائلة للبشرية.
لماذا هذا بغاية الأهمية
ترتبط درجات الحرارة المنخفضة للغاية والمرتفعة للغاية ارتباطًا وثيقًا بمفاهيم السيولة الفائقة والموصلية الفائقة. إن اختفاء المقاومة الكهربائية في الموصلات الفائقة سيجعل من الممكن تحقيق قيم كفاءة لا يمكن تصورها والقضاء على أي خسائر في الطاقة. وإذا تمكنا من إيجاد طريقة تسمح لنا بالوصول بحرية إلى قيمة "الصفر المطلق"، فسوف يتم حل العديد من مشاكل البشرية. القطارات التي تحوم فوق القضبان، والمحركات الأخف والأصغر، والمحولات والمولدات، وتخطيط الدماغ المغناطيسي عالي الدقة، والساعات عالية الدقة - هذه مجرد أمثلة قليلة لما يمكن أن تجلبه الموصلية الفائقة لحياتنا.
أحدث التطورات العلمية
في سبتمبر 2003، تمكن باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ووكالة ناسا من تبريد غاز الصوديوم إلى مستوى قياسي منخفض. خلال التجربة، كانوا على بعد نصف مليار من الدرجة فقط من خط النهاية (الصفر المطلق). أثناء الاختبارات، كان الصوديوم موجودًا باستمرار في مجال مغناطيسي، مما منعه من ملامسة جدران الحاوية. إذا كان من الممكن التغلب على حاجز درجة الحرارة، فإن الحركة الجزيئية في الغاز ستتوقف تماما، لأن مثل هذا التبريد من شأنه أن يستخرج كل الطاقة من الصوديوم. واستخدم الباحثون تقنية حصل مؤلفها (ولفجانج كيترلي) على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2001. كانت النقطة الأساسية في الاختبارات هي عمليات الغاز لتكثيف بوز-آينشتاين. وفي الوقت نفسه، لم يقم أحد حتى الآن بإلغاء القانون الثالث للديناميكا الحرارية، والذي بموجبه لا يعد الصفر المطلق قيمة لا يمكن التغلب عليها فحسب، بل هو أيضًا قيمة لا يمكن الوصول إليها. بالإضافة إلى ذلك، ينطبق مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج، ولا يمكن للذرات ببساطة أن تتوقف عن الحركة في مساراتها. وهكذا، في الوقت الحالي، لا تزال درجة حرارة الصفر المطلق بعيدة المنال بالنسبة للعلم، على الرغم من أن العلماء تمكنوا من الاقتراب منها لمسافة لا تذكر.
أي جسم مادي، بما في ذلك جميع الكائنات الموجودة في الكون، لديه حد أدنى لدرجة الحرارة أو الحد الأقصى لها. تعتبر نقطة البداية لأي مقياس لدرجة الحرارة هي قيمة درجة حرارة الصفر المطلق. ولكن هذا من الناحية النظرية فقط. الحركة الفوضوية للذرات والجزيئات، التي تتخلى عن طاقتها في هذا الوقت، لم تتوقف بعد في الممارسة العملية.
وهذا هو السبب الرئيسي لعدم إمكانية الوصول إلى درجات حرارة الصفر المطلق. لا تزال هناك مناقشات حول عواقب هذه العملية. من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، فإن هذا الحد لا يمكن الوصول إليه، لأن الحركة الحرارية للذرات والجزيئات تتوقف تمامًا، ويتم تشكيل شبكة بلورية.
يتصور ممثلو فيزياء الكم وجود الحد الأدنى من التذبذبات الصفرية عند درجات حرارة الصفر المطلق.
ما هي قيمة درجة حرارة الصفر المطلق ولماذا لا يمكن تحقيقها؟
وفي المؤتمر العام للأوزان والمقاييس تم وضع نقطة مرجعية أو مرجعية لأول مرة لأجهزة القياس التي تحدد مؤشرات درجات الحرارة.
حاليًا، في النظام الدولي للوحدات، النقطة المرجعية للمقياس المئوي هي 0 درجة مئوية للتجميد و100 درجة مئوية للغليان، وقيمة درجات حرارة الصفر المطلق تساوي -273.15 درجة مئوية.
باستخدام قيم درجة الحرارة على مقياس كلفن وفقًا لنفس النظام الدولي للوحدات، سيحدث غليان الماء عند القيمة المرجعية 99.975 درجة مئوية، والصفر المطلق يساوي 0. وعلى مقياس فهرنهايت يتوافق المؤشر مع -459.67 درجة .
ولكن، إذا تم الحصول على هذه البيانات، فلماذا إذن يكون من المستحيل تحقيق درجات حرارة الصفر المطلق عمليا؟ للمقارنة، يمكننا أن نأخذ سرعة الضوء المعروفة، والتي تساوي القيمة الفيزيائية الثابتة البالغة 1،079،252،848.8 كم / ساعة.
ومع ذلك، لا يمكن تحقيق هذه القيمة عمليا. ويعتمد ذلك على الطول الموجي للإرسال، والظروف، والامتصاص المطلوب لكمية كبيرة من الطاقة بواسطة الجسيمات. وللحصول على قيمة درجات حرارة الصفر المطلق يتطلب إنتاج كبير من الطاقة وغياب مصادرها لمنع دخولها إلى الذرات والجزيئات.
ولكن حتى في ظروف الفراغ الكامل، لم يتمكن العلماء من الحصول على سرعة الضوء أو درجة حرارة الصفر المطلق.
لماذا من الممكن الوصول إلى درجات حرارة الصفر تقريبًا، ولكن ليس الصفر المطلق؟
إن ما سيحدث عندما يتمكن العلم من الاقتراب من تحقيق درجة حرارة منخفضة للغاية تصل إلى الصفر المطلق يبقى فقط في نظرية الديناميكا الحرارية وفيزياء الكم. ما هو السبب وراء عدم إمكانية تحقيق درجات حرارة الصفر المطلق عمليا.
جميع المحاولات المعروفة لتبريد مادة ما إلى الحد الأدنى بسبب فقدان الطاقة الأقصى أدت إلى وصول السعة الحرارية للمادة أيضًا إلى الحد الأدنى. ببساطة لم تعد الجزيئات قادرة على التخلي عن الطاقة المتبقية. ونتيجة لذلك توقفت عملية التبريد دون الوصول إلى الصفر المطلق.
عند دراسة سلوك المعادن في ظروف قريبة من درجات حرارة الصفر المطلق، وجد العلماء أن الحد الأقصى للانخفاض في درجة الحرارة يجب أن يؤدي إلى فقدان المقاومة.
لكن توقف حركة الذرات والجزيئات أدى فقط إلى تكوين شبكة بلورية تنقل من خلالها الإلكترونات المارة جزءًا من طاقتها إلى الذرات الثابتة. ولم يكن من الممكن مرة أخرى الوصول إلى الصفر المطلق.
وفي عام 2003، كانت درجة الحرارة أقل بمقدار نصف مليار من درجة مئوية واحدة فقط من الصفر المطلق. استخدم باحثو ناسا جزيء الصوديوم لإجراء التجارب، والذي كان دائمًا في مجال مغناطيسي وأطلق طاقته.
أقرب إنجاز حققه العلماء في جامعة ييل، الذين وصلوا في عام 2014 إلى رقم 0.0025 كلفن. المركب الناتج، أحادي فلوريد السترونتيوم (SrF)، استمر لمدة 2.5 ثانية فقط. وفي النهاية ما زال يتفكك إلى ذرات.
إن اختيار نقاط ذوبان الجليد والماء المغلي كنقاط رئيسية لمقياس درجة الحرارة هو أمر تعسفي تمامًا. تبين أن مقياس درجة الحرارة الذي تم الحصول عليه بهذه الطريقة غير مناسب للدراسات النظرية.
واستنادا إلى قوانين الديناميكا الحرارية، تمكن كلفن من بناء ما يسمى بمقياس درجة الحرارة المطلقة (ويسمى حاليا مقياس درجة الحرارة الديناميكية الحرارية أو مقياس كلفن)، مستقلا تماما عن طبيعة الجسم الحراري أو المعلمة الحرارية المختارة. ومع ذلك، فإن مبدأ بناء مثل هذا المقياس يتجاوز المناهج الدراسية. سننظر في هذه المشكلة باستخدام اعتبارات أخرى.
تتضمن الصيغة (2) طريقتين محتملتين لإنشاء مقياس درجة الحرارة: استخدام تغير في ضغط كمية معينة من الغاز عند حجم ثابت أو تغيير في الحجم عند ضغط ثابت. ويسمى هذا المقياس مقياس درجة حرارة الغاز المثالي.
تسمى درجة الحرارة المحددة بالمساواة (2). درجة الحرارة المطلقة. درجة الحرارة المطلقة Τ لا يمكن أن تكون سالبة، نظرًا لوجود كميات موجبة بشكل واضح على الجانب الأيسر من المساواة (2) (بتعبير أدق، لا يمكن أن يكون لها علامات مختلفة، يمكن أن تكون موجبة أو سالبة. وهذا يعتمد على اختيار علامة الثابت ك. وبما أنه تم الاتفاق على أن درجة حرارة النقطة الثلاثية يجب أن تعتبر إيجابية، فإن درجة الحرارة المطلقة يمكن أن تكون إيجابية فقط). ولذلك، أدنى قيمة درجة الحرارة الممكنة ت= 0 هي درجة الحرارة عندما يكون الضغط أو الحجم صفراً.
تسمى درجة الحرارة المحددة التي يختفي عندها ضغط الغاز المثالي عند حجم ثابت أو يميل حجم الغاز المثالي إلى الصفر (أي يجب ضغط الغاز إلى "نقطة") عند ضغط ثابت الصفر المطلق. هذه هي أدنى درجة حرارة في الطبيعة.
من المساواة (3)، مع الأخذ في الاعتبار أن \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) ، يتبع المعنى المادي للصفر المطلق: الصفر المطلق - درجة الحرارة التي يجب أن تتوقف عندها الحركة الانتقالية الحرارية للجزيئات. الصفر المطلق لا يمكن تحقيقه.
يستخدم النظام الدولي للوحدات (SI) مقياس درجة الحرارة الديناميكي الحراري المطلق. يتم أخذ الصفر المطلق على أنه درجة حرارة الصفر على هذا المقياس. النقطة المرجعية الثانية هي درجة الحرارة التي يكون عندها الماء والجليد والبخار المشبع في حالة توازن ديناميكي، ما يسمى بالنقطة الثلاثية (على مقياس مئوية، درجة حرارة النقطة الثلاثية هي 0.01 درجة مئوية). كل وحدة من درجات الحرارة المطلقة، تسمى كلفن (يرمز لها بـ 1 كلفن)، تساوي درجة مئوية.
ومن خلال غمر دورق مقياس الحرارة الغازي في الجليد الذائب ثم في الماء المغلي عند الضغط الجوي العادي، وجدوا أن ضغط الغاز في الحالة الثانية كان أكبر بمقدار 1.3661 مرة من الحالة الأولى. وبأخذ ذلك في الاعتبار وباستخدام الصيغة (2)، يمكننا تحديد درجة حرارة ذوبان الجليد ت 0 = 273.15 ك.
وبالفعل فلنكتب المعادلة (2) لدرجة الحرارة ت 0 ذوبان الجليد ودرجة حرارة غليان الماء ( ت 0 + 100):
\(~\frac(p_1V)(N) = kT_0 ;\) \(~\frac(p_2V)(N) = k(T_0 + 100) .\)
وبقسمة المعادلة الثانية على الأولى نحصل على:
\(~\frac(p_2)(p_1) = \frac(T_0 + 100)(T_0) .\)
\(~T_0 = \frac(100)(\frac(p_2)(p_1) - 1) = \frac(100)(1.3661 - 1) = 273.15 كلفن\)
ويبين الشكل 2 رسما تخطيطيا لمقياس مئوية والمقياس الديناميكي الحراري.
> 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 نقطة الصفر الميكانيكية الكمومية. 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. الاتي: engl.… ... 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