Замисляли ли сте се колко ниска може да бъде температурата? Какво е абсолютна нула? Ще успее ли човечеството някога да го постигне и какви възможности ще се открият след подобно откритие? Тези и други подобни въпроси отдавна занимават умовете на много физици и просто любопитни хора.
Какво е абсолютна нула
Дори и да не сте харесвали физиката от детството си, вероятно сте запознати с понятието температура. Благодарение на молекулярно-кинетичната теория сега знаем, че има определена статична връзка между нея и движенията на молекулите и атомите: колкото по-висока е температурата на всяко физическо тяло, толкова по-бързо се движат неговите атоми и обратно. Възниква въпросът: „Има ли такава долна граница, при която елементарните частици ще замръзнат на място?“ Учените смятат, че това е теоретично възможно; термометърът ще бъде на -273,15 градуса по Целзий. Тази стойност се нарича абсолютна нула. С други думи, това е минималната възможна граница, до която едно физическо тяло може да бъде охладено. Има дори абсолютна температурна скала (скала на Келвин), в която абсолютната нула е отправна точка, а едно деление на скалата е равно на един градус. Учените по света не спират да работят за постигането на тази стойност, тъй като това обещава огромни перспективи за човечеството.
Защо това е толкова важно
Изключително ниските и изключително високите температури са тясно свързани с концепциите за свръхфлуидност и свръхпроводимост. Изчезването на електрическото съпротивление в свръхпроводниците ще направи възможно постигането на невъобразими стойности на ефективност и ще премахне всякакви загуби на енергия. Ако можем да намерим начин, който ще ни позволи свободно да достигнем стойността на „абсолютната нула“, много от проблемите на човечеството ще бъдат решени. Влакове, реещи се над релсите, по-леки и по-малки двигатели, трансформатори и генератори, високопрецизна магнитоенцефалография, високопрецизни часовници - това са само няколко примера за това какво свръхпроводимостта може да донесе в живота ни.
Последни научни постижения
През септември 2003 г. изследователи от MIT и NASA успяха да охладят натриевия газ до рекордно ниско ниво. По време на експеримента те бяха само половин милиардна от градуса по-малко от крайната марка (абсолютна нула). По време на тестовете натрият постоянно е бил в магнитно поле, което го е предпазвало от допир със стените на контейнера. Ако беше възможно да се преодолее температурната бариера, молекулярното движение в газа напълно би спряло, тъй като такова охлаждане би извлякло цялата енергия от натрия. Изследователите са използвали техника, чийто автор (Волфганг Кетерле) получава Нобелова награда по физика през 2001 г. Ключов момент в тестовете бяха газовите процеси на кондензация на Бозе-Айнщайн. Междувременно никой все още не е отменил третия закон на термодинамиката, според който абсолютната нула е не само непреодолима, но и непостижима стойност. Освен това се прилага принципът на несигурността на Хайзенберг и атомите просто не могат да спрат мъртви в следите си. Така засега абсолютната нулева температура остава недостижима за науката, въпреки че учените са успели да я доближат на нищожно разстояние.
Всяко физическо тяло, включително всички обекти във Вселената, има минимална температура или нейна граница. Отправната точка на всяка температурна скала се счита за стойността на абсолютната нула температура. Но това е само на теория. Хаотичното движение на атомите и молекулите, които в този момент отдават енергията си, все още не е спряно на практика.
Това е основната причина да не могат да се достигнат абсолютни нулеви температури. Все още се водят дебати за последствията от този процес. От гледна точка на термодинамиката тази граница е недостижима, тъй като топлинното движение на атомите и молекулите спира напълно и се образува кристална решетка.
Представителите на квантовата физика предвиждат наличието на минимални нулеви колебания при абсолютни нулеви температури.
Каква е стойността на абсолютната нулева температура и защо тя не може да бъде постигната
На Генералната конференция по теглилки и мерки за първи път беше установена референтна или референтна точка за измервателни уреди, които определят температурни индикатори.
Понастоящем в Международната система от единици референтната точка за скалата на Целзий е 0°C за замръзване и 100°C за кипене, стойността на абсолютните нулеви температури е равна на −273,15°C.
Използвайки температурни стойности по скалата на Келвин съгласно същата международна система от единици, кипенето на водата ще настъпи при референтната стойност от 99,975 ° C, абсолютната нула е равна на 0. По скалата на Фаренхайт индикаторът съответства на -459,67 градуса .
Но ако тези данни са получени, защо тогава е невъзможно да се постигнат абсолютни нулеви температури на практика? За сравнение можем да вземем добре познатата скорост на светлината, която е равна на постоянната физическа стойност от 1 079 252 848,8 km/h.
Тази стойност обаче не може да бъде постигната на практика. Това зависи от дължината на вълната на предаване, условията и необходимото поглъщане на голямо количество енергия от частиците. За да се получи стойността на абсолютните нулеви температури, е необходим голям добив на енергия и липсата на нейни източници, за да се предотврати навлизането й в атомите и молекулите.
Но дори в условията на пълен вакуум учените не успяха да получат нито скоростта на светлината, нито абсолютните нулеви температури.
Защо е възможно да се достигнат приблизително нулеви температури, но не и абсолютна нула?
Какво ще се случи, когато науката може да се доближи до постигането на изключително ниската температура на абсолютната нула, остава само в теорията на термодинамиката и квантовата физика. Каква е причината на практика да не могат да се постигнат абсолютни нулеви температури.
Всички известни опити за охлаждане на вещество до най-ниската граница поради максимална загуба на енергия доведоха до факта, че топлинният капацитет на веществото също достигна минимална стойност. Молекулите просто вече не са в състояние да отдадат останалата енергия. В резултат на това процесът на охлаждане спря, без да достигне абсолютната нула.
Когато изучават поведението на металите при условия, близки до абсолютната нула, учените установиха, че максималното понижение на температурата трябва да провокира загуба на устойчивост.
Но спирането на движението на атомите и молекулите води само до образуването на кристална решетка, през която преминаващите електрони предават част от енергията си на неподвижни атоми. Отново беше невъзможно да се стигне до абсолютната нула.
През 2003 г. температурата беше само половин милиард от 1°C по-ниска от абсолютната нула. Изследователите на НАСА са използвали Na молекула за провеждане на експерименти, която винаги е била в магнитно поле и е отдала своята енергия.
Най-близкото постижение е постигнато от учени от Йейлския университет, които през 2014 г. постигнаха цифра от 0,0025 Келвина. Полученото съединение, стронциев монофлуорид (SrF), продължи само 2,5 секунди. И накрая все пак се разпада на атоми.
Изборът на точките на топене на лед и вряща вода като основни точки на температурната скала е напълно произволен. Получената по този начин температурна скала се оказва неудобна за теоретични изследвания.
Въз основа на законите на термодинамиката Келвин успява да конструира така наречената абсолютна температурна скала (понастоящем се нарича термодинамична температурна скала или скала на Келвин), напълно независима нито от природата на термометричното тяло, нито от избрания термометричен параметър. Принципът на конструиране на такава скала обаче надхвърля училищната програма. Ще разгледаме този проблем, използвайки други съображения.
Формула (2) предполага два възможни начина за установяване на температурна скала: използване на промяна в налягането на определено количество газ при постоянен обем или промяна в обема при постоянно налягане. Тази скала се нарича скала за идеална температура на газа.
Температурата, определена от равенството (2), се нарича абсолютна температура. Абсолютна температура Τ не може да бъде отрицателна, тъй като очевидно има положителни величини от лявата страна на равенството (2) (по-точно то не може да има различни знаци; може да бъде или положително, или отрицателно. Това зависи от избора на знак на константата к. Тъй като беше договорено температурата на тройната точка да се счита за положителна, абсолютната температура може да бъде само положителна). Следователно възможно най-ниската стойност на температурата Т= 0 е температурата, когато налягането или обемът са нула.
Ограничителната температура, при която налягането на идеален газ изчезва при фиксиран обем или обемът на идеален газ клони към нула (т.е. газът трябва да бъде компресиран в „точка“) при постоянно налягане, се нарича абсолютна нула. Това е най-ниската температура в природата.
От равенство (3), като се вземе предвид, че \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\), физическото значение на абсолютната нула следва: абсолютна нула - температурата, при която топлинното транслационно движение на молекулите трябва да спре. Абсолютната нула е недостижима.
Международната система единици (SI) използва абсолютна термодинамична температурна скала. Абсолютната нула се приема за нулева температура в тази скала. Втората референтна точка е температурата, при която водата, ледът и наситената пара са в динамично равновесие, така наречената тройна точка (по скалата на Целзий температурата на тройната точка е 0,01 °C). Всяка единица за абсолютна температура, наречена Келвин (символизирана с 1 K), е равна на градус Целзий.
Чрез потапяне на колбата на газовия термометър в топящ се лед и след това във вряща вода при нормално атмосферно налягане, те установиха, че налягането на газа във втория случай е 1,3661 пъти по-голямо от това в първия. Като вземем това предвид и използвайки формула (2), можем да определим, че температурата на топене на леда Т 0 = 273,15 K.
Наистина, нека напишем уравнение (2) за температура Т 0 температура на топене на лед и температура на кипене на вода ( Т 0 + 100):
\(~\frac(p_1V)(N) = kT_0 ;\) \(~\frac(p_2V)(N) = k(T_0 + 100) .\)
Разделяйки второто уравнение на първото, получаваме:
\(~\frac(p_2)(p_1) = \frac(T_0 + 100)(T_0) .\)
\(~T_0 = \frac(100)(\frac(p_2)(p_1) - 1) = \frac(100)(1,3661 - 1) = 273,15 K.\)
Фигура 2 показва схематична диаграма на скалата на Целзий и термодинамичната скала.
> Абсолютна нула
Научете на какво е равно абсолютна нулева температураи стойността на ентропията. Разберете каква е температурата на абсолютната нула по скалите на Целзий и Келвин.
Абсолютна нула– минимална температура. Това е точката, в която ентропията достига най-ниската си стойност.
Учебна цел
- Разберете защо абсолютната нула е естествен индикатор за нулевата точка.
Основни точки
- Абсолютната нула е универсална, тоест цялата материя е в основно състояние при този индикатор.
- K има квантовомеханична нулева енергия. Но при тълкуване кинетичната енергия може да бъде нула и топлинната енергия изчезва.
- Най-ниската температура в лабораторни условия достига 10-12 K. Минималната естествена температура е 1 K (разширяване на газовете в мъглявината Бумеранг).
Условия
- Ентропията е мярка за това как равномерно е разпределена енергията в дадена система.
- Термодинамиката е клон на науката, който изучава топлината и нейната връзка с енергията и работата.
Абсолютната нула е минималната температура, при която ентропията достига най-ниската си стойност. Тоест това е най-малкият показател, който може да се наблюдава в системата. Това е универсална концепция и действа като нулева точка в системата от температурни единици.
Графика на налягане спрямо температура за различни газове с постоянен обем. Имайте предвид, че всички графики се екстраполират до нулево налягане при една температура
Система при абсолютна нула все още е надарена с квантово-механична нулева енергия. Съгласно принципа на неопределеността позицията на частиците не може да бъде определена с абсолютна точност. Ако една частица е изместена при абсолютната нула, тя все още има минимален енергиен резерв. Но в класическата термодинамика кинетичната енергия може да бъде нула и топлинната енергия изчезва.
Нулевата точка на термодинамична скала, като Келвин, е равна на абсолютната нула. Международното споразумение установява, че температурата на абсолютната нула достига 0K по скалата на Келвин и -273,15°C по скалата на Целзий. Веществото проявява квантови ефекти при минимални температури, като свръхпроводимост и свръхфлуидност. Най-ниската температура в лабораторни условия е била 10-12 K, а в естествена среда - 1 K (бързо разширяване на газовете в мъглявината Бумеранг).
Бързото разширяване на газовете води до минимална наблюдавана температура
Абсолютната нула съответства на температура от −273,15 °C.
Смята се, че абсолютната нула е недостижима на практика. Неговото съществуване и позиция в температурната скала следва от екстраполация на наблюдаваните физични явления и такава екстраполация показва, че при абсолютна нула енергията на топлинното движение на молекулите и атомите на дадено вещество трябва да бъде равна на нула, тоест хаотичното движение на частиците спира и те образуват подредена структура, заемаща ясно положение във възлите на кристалната решетка. Всъщност обаче, дори при абсолютна нула температура, регулярните движения на частиците, които изграждат материята, ще останат. Останалите трептения, като трептения на нулева точка, се дължат на квантовите свойства на частиците и физическия вакуум, който ги заобикаля.
Понастоящем във физическите лаборатории е възможно да се получат температури, превишаващи абсолютната нула само с няколко милионни от градуса; да го постигне сам, според законите на термодинамиката, е невъзможно.
Бележки
Литература
- Г. Бурмин. Нападение срещу абсолютната нула. - М .: „Детска литература“, 1983 г.
Вижте също
Фондация Уикимедия.
2010 г.:Синоними
Температури, произходът на температурата в термодинамичната температурна скала (виж ТЕРМОДИНАМИЧНА ТЕМПЕРАТУРНА СКАЛА). Абсолютната нула се намира на 273,16 °C под температурата на тройната точка (вижте ТРОЙНА ТОЧКА) на водата, за която се приема ... ... Енциклопедичен речник
Температури, произходът на температурата в термодинамичната температурна скала. Абсолютната нула се намира на 273,16°C под температурата на тройната точка на водата (0,01°C). Абсолютната нула е фундаментално недостижима, температурите са почти достигнати... ... Съвременна енциклопедия
Температурите са началната точка за температурата на термодинамичната температурна скала. Абсолютната нула се намира на 273.16.C под температурата на тройната точка на водата, за която стойността е 0.01.C. Абсолютната нула е фундаментално недостижима (вижте... ... Голям енциклопедичен речник
Температурата, изразяваща липсата на топлина, е равна на 218° C. Речник на чуждите думи, включени в руския език. Павленков Ф., 1907. абсолютна нула температура (физична) - най-ниската възможна температура (273,15°C). Голям речник...... Речник на чуждите думи на руския език
абсолютна нула- Изключително ниската температура, при която топлинното движение на молекулите спира по скалата на Келвин, абсолютната нула (0°K) съответства на –273,16±0,01°C... Речник по география
Съществително име, брой синоними: 15 кръгла нула (8) малък човек (32) малка пържена ... Речник на синонимите
Изключително ниската температура, при която топлинното движение на молекулите спира. Налягането и обемът на идеален газ, според закона на Бойл-Мариот, стават равни на нула, а началото на абсолютната температура по скалата на Келвин се приема за ... ... Екологичен речник
абсолютна нула- - [A.S. Goldberg. Англо-руски енергиен речник. 2006] Енергийни теми като цяло EN zeropoint ... Ръководство за технически преводач
Началото на абсолютната еталонна температура. Съответства на 273,16° C. Понастоящем във физическите лаборатории е възможно да се получи температура, превишаваща абсолютната нула само с няколко милионни от градуса, и да се постигне това, съгласно законите... ... Енциклопедия на Collier
абсолютна нула- absoliutusis nulis statusas T sritis Standartizacija и метрология apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. 273,16 °C, 459,69 °F или 0 K температура. atitikmenys: англ.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
абсолютна нула- absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). атитикменис: англ. абсолютна нула рус. абсолютна нула... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas