Füüsikaline mõiste “absoluutne nulltemperatuur” on kaasaegse teaduse jaoks väga oluline: see on tihedalt seotud sellise mõistega nagu ülijuhtivus, mille avastamine tekitas kahekümnenda sajandi teisel poolel tõelise sensatsiooni.
Et mõista, mis on absoluutne null, tuleks pöörduda selliste kuulsate füüsikute nagu G. Fahrenheiti, A. Celsiuse, J. Gay-Lussaci ja W. Thomsoni tööde poole. Need mängisid võtmerolli praegugi kasutusel olevate peamiste temperatuuriskaalade loomisel.
Esimesena pakkus välja oma temperatuuriskaala saksa füüsik G. Fahrenheit 1714. aastal. Samal ajal võeti lund ja ammoniaaki sisaldava segu temperatuur absoluutseks nulliks ehk selle skaala madalaimaks punktiks. Järgmiseks oluliseks näitajaks sai 1000. Sellest lähtuvalt nimetati selle skaala iga jaotust “Fahrenheiti kraadiks” ja skaala ennast “Fahrenheiti skaala”.
30 aastat hiljem pakkus Rootsi astronoom A. Celsius välja oma temperatuuriskaala, kus põhipunktid olid jää ja vee sulamistemperatuur. Seda skaalat nimetati Celsiuse skaalaks, see on endiselt populaarne enamikus maailma riikides, sealhulgas Venemaal.
1802. aastal avastas prantsuse teadlane J. Gay-Lussac oma kuulsaid katseid tehes, et konstantsel rõhul oleva gaasi maht sõltub otseselt temperatuurist. Kuid kõige kurioossem oli see, et kui temperatuur muutus 10 Celsiuse võrra, suurenes või vähenes gaasi maht sama palju. Pärast vajalike arvutuste tegemist leidis Gay-Lussac, et see väärtus on võrdne 1/273 gaasi mahust temperatuuril 0C.
See seadus viis ilmselgele järeldusele: temperatuur -2730C on madalaim temperatuur, isegi kui sellele lähedale jõuate, on seda võimatu saavutada. Seda temperatuuri nimetatakse absoluutseks nulltemperatuuriks.
Veelgi enam, absoluutsest nullist sai lähtepunkt absoluutse temperatuuriskaala loomisel, millest võttis aktiivselt osa inglise füüsik W. Thomson, tuntud ka kui Lord Kelvin.
Tema peamine uurimistöö puudutas tõestamist, et looduses ei saa ühtki keha jahutada alla absoluutse nulli. Samal ajal kasutas ta aktiivselt teist, seetõttu hakati 1848. aastal kasutusele võetud absoluutset temperatuuriskaalat nimetama termodünaamiliseks või "Kelvini skaalaks".
Järgnevatel aastatel ja aastakümnetel selgus mõiste "absoluutne null" ainult numbriline selgitus, mida pärast arvukaid kokkuleppeid hakati pidama võrdseks -273,150 C-ga.
Samuti väärib märkimist, et absoluutne null mängib väga olulist rolli Asi on selles, et 1960. aastal, järgmisel kaalude ja mõõtude peakonverentsil, sai termodünaamilise temperatuuri ühik – kelvin – üheks kuuest põhimõõtühikust. . Samas oli spetsiaalselt ette nähtud, et üks kelvinikraad on arvuliselt võrdne ühega, kuid võrdluspunktiks “Kelvini järgi” peetakse tavaliselt absoluutset nulli ehk -273,150C.
Absoluutse nulli põhiline füüsikaline tähendus seisneb selles, et füüsikaliste põhiseaduste kohaselt on sellisel temperatuuril elementaarosakeste, nagu aatomid ja molekulid, liikumisenergia null ja sel juhul peaks nende samade osakeste igasugune kaootiline liikumine. lõpetada. Absoluutse nulliga võrdsel temperatuuril peavad aatomid ja molekulid võtma kristallvõre põhipunktides selge asukoha, moodustades korrastatud süsteemi.
Tänapäeval on teadlastel õnnestunud spetsiaalse varustuse abil saavutada temperatuure, mis ületavad absoluutset nulli vaid mõne miljondikosa võrra. Seda väärtust ise on füüsiliselt võimatu saavutada ülalkirjeldatud termodünaamika teise seaduse tõttu.
Kui ilmateade ennustab nullilähedast temperatuuri, siis uisuväljakule ei tasu minna: jää sulab. Jää sulamistemperatuuriks on võetud null kraadi Celsiuse järgi, mis on kõige levinum temperatuuriskaala.
Oleme väga tuttavad negatiivsete Celsiuse kraadide skaalaga – kraadidega<ниже
нуля>, külmakraadid. Madalaim temperatuur Maal registreeriti Antarktikas: -88,3°C. Väljaspool Maad on võimalik isegi madalam temperatuur: Kuu pinnal võib Kuu keskööl ulatuda -160°C.
Kuid suvaliselt madalaid temperatuure ei saa kuskil eksisteerida. Äärmiselt madal temperatuur – absoluutne null – vastab Celsiuse skaalal temperatuurile – 273,16°.
Absoluutne temperatuuriskaala, Kelvini skaala, pärineb absoluutsest nullist. Jää sulab temperatuuril 273,16 °K ja vesi keeb temperatuuril 373,16 °K. Seega on K-kraad võrdne kraadiga C. Kuid Kelvini skaalal on kõik temperatuurid positiivsed.
Miks on 0°K külmapiir?
Soojus on aine aatomite ja molekulide kaootiline liikumine. Aine jahutamisel eemaldatakse sellest soojusenergia ja osakeste juhuslik liikumine nõrgeneb. Lõpuks tugeva jahutusega termiline<пляска>osakesed peatuvad peaaegu täielikult. Aatomid ja molekulid külmuksid täielikult temperatuuril, mida peetakse absoluutseks nulliks. Kvantmehaanika põhimõtete kohaselt lakkaks absoluutses nullis osakeste soojusliikumine, kuid osakesed ise ei külmuks, kuna nad ei saa olla täielikus puhkeolekus. Seega peavad osakesed absoluutses nullis siiski säilitama mingisuguse liikumise, mida nimetatakse nullliikumiseks.
Aine jahutamine temperatuurini alla absoluutse nulli on aga sama mõttetu idee kui näiteks kavatsus<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Pealegi on isegi täpse absoluutse nulli saavutamine peaaegu võimatu. Sa saad talle ainult lähemale jõuda. Sest mingil juhul ei saa te ainelt absoluutselt kogu soojusenergiat ära võtta. Osa soojusenergiast jääb kõige sügavamale jahtumisele.
Kuidas saavutate ülimadala temperatuuri?
Aine külmutamine on keerulisem kui kuumutamine. Seda on näha isegi pliidi ja külmkapi disaini võrdlusest.
Enamikus majapidamis- ja tööstuslikes külmikutes eemaldatakse kuumus spetsiaalse vedeliku - freooni - aurustumise tõttu, mis ringleb läbi metalltorude. Saladus seisneb selles, et freoon võib vedelas olekus püsida ainult piisavalt madalal temperatuuril. Külmkapis kuumeneb see kambri kuumuse tõttu ja keeb, muutudes auruks. Kuid aur surub kompressor kokku, vedeldub ja siseneb aurustisse, täiendades aurustunud freooni kadu. Kompressori tööks kulub energiat.
Sügavjahutusseadmetes on külmakandjaks ülikülm vedelik – vedel heelium. Värvitu, kerge (8 korda kergem kui vesi), keeb atmosfäärirõhul temperatuuril 4,2 °K ja vaakumis temperatuuril 0,7 °K. Veelgi madalama temperatuuri annab heeliumi kerge isotoop: 0,3°K.
Püsiva heeliumi külmiku seadistamine on üsna keeruline. Uuringud viiakse läbi lihtsalt vedela heeliumiga vannides. Ja selle gaasi veeldamiseks kasutavad füüsikud erinevaid tehnikaid. Näiteks eeljahutatud ja kokkupressitud heelium paisutatakse, lastakse läbi õhukese augu vaakumkambrisse. Samal ajal langeb temperatuur veelgi ja osa gaasist muutub vedelaks. Tõhusam on mitte ainult jahutatud gaasi laiendada, vaid ka sundida seda tegema - kolvi liigutama.
Saadud vedelat heeliumi hoitakse spetsiaalsetes termostes - Dewari kolbides. Selle väga külma vedeliku (ainsa, mis absoluutse nulli juures ei külmu) maksumus osutub üsna kõrgeks. Sellest hoolimata kasutatakse vedelat heeliumi tänapäeval üha laiemalt mitte ainult teaduses, vaid ka erinevates tehnilistes seadmetes.
Madalaimad temperatuurid saavutati teistmoodi. Selgub, et mõnede soolade, näiteks kaaliumkroommaarja molekulid võivad pöörlema mööda magnetilisi jõujooni. See sool eeljahutatakse vedela heeliumiga temperatuurini 1°K ja asetatakse tugevasse magnetvälja. Sel juhul pöörlevad molekulid mööda jõujooni ja eralduv soojus võetakse vedela heeliumiga ära. Seejärel eemaldatakse järsult magnetväli, molekulid pöörduvad uuesti erinevatesse suundadesse ja kulutatud
See töö viib soola edasise jahutamiseni. Nii saime temperatuuriks 0,001° K. Põhimõtteliselt sarnast meetodit kasutades, kasutades teisi aineid, saame veelgi madalama temperatuuri.
Madalaim temperatuur seni Maal on 0,00001° K.
Vedela heeliumivannides ülimadala temperatuurini külmunud aine muutub märgatavalt. Kumm muutub rabedaks, plii muutub kõvaks nagu teras ja elastseks, paljud sulamid suurendavad tugevust.
Vedel heelium ise käitub omapäraselt. Temperatuuril alla 2,2° K omandab see tavaliste vedelike jaoks enneolematu omaduse – ülivoolavuse: osa sellest kaotab täielikult viskoossuse ja voolab hõõrdumiseta läbi kitsaimate pragude.
Selle nähtuse avastas 1937. aastal Nõukogude füüsik akadeemik P. JI. Kapitsa, selgitas seejärel akadeemik JI. D. Landau.
Selgub, et ülimadalatel temperatuuridel hakkavad aine käitumise kvantseadused märgatavalt mõjuma. Nagu üks neist seadustest nõuab, saab energiat kehast kehasse üle kanda ainult täpselt määratletud osadena – kvantidena. Vedelas heeliumis on nii vähe soojuskvante, et kõigi aatomite jaoks ei jätku neid. See osa vedelikust, millel puuduvad soojuskvandid, jääb justkui absoluutse nulltemperatuuri juurde, selle aatomid ei osale üldse juhuslikus soojusliikumises ega interakteeru mingil viisil anuma seintega. Sellel osal (seda nimetati heelium-H-ks) on ülivoolavus. Temperatuuri langedes muutub heelium-P üha enam ja absoluutse nulli korral muutuks kogu heelium heelium-H-ks.
Superfluidsust on nüüdseks väga põhjalikult uuritud ja see on leidnud isegi kasuliku praktilise rakenduse: selle abil on võimalik eraldada heeliumi isotoope.
Absoluutse nulli lähedal toimuvad mõnede materjalide elektrilistes omadustes äärmiselt huvitavad muutused.
1911. aastal tegi Hollandi füüsik Kamerlingh Onnes ootamatu avastuse: selgus, et temperatuuril 4,12 °K kaob elavhõbeda elektritakistus täielikult. Elavhõbedast saab ülijuht. Ülijuhtivas rõngas indutseeritud elektrivool ei sure välja ja võib voolata peaaegu igavesti.
Sellise rõnga kohal hõljub ülijuhtiv pall õhus ega kuku, nagu muinasjutt<гроб Магомета>, sest selle gravitatsiooni kompenseerib rõnga ja kuuli vaheline magnetiline tõukejõud. Lõppkokkuvõttes tekitab rõngas pidev vool magnetvälja ja see omakorda indutseerib kuulis elektrivoolu ja koos sellega vastupidise magnetvälja.
Lisaks elavhõbedale on tina, plii, tsingi ja alumiiniumi ülijuhtivus absoluutse nulli lähedal. Seda omadust on leitud 23 elemendist ja enam kui sajast erinevast sulamist ja muust keemilisest ühendist.
Temperatuurid, mille juures ülijuhtivus ilmneb (kriitilised temperatuurid), hõlmavad üsna laia vahemikku – 0,35° K (hafnium) kuni 18° K (nioobium-tina sulam).
Ülijuhtivuse nähtus, nagu ülijuhtivus
voolavust on üksikasjalikult uuritud. Leiti kriitiliste temperatuuride sõltuvused materjalide sisestruktuurist ja välisest magnetväljast. Töötati välja sügav ülijuhtivuse teooria (olulise panuse andis Nõukogude teadlane akadeemik N. N. Bogolyubov).
Selle paradoksaalse nähtuse olemus on jällegi puhtalt kvant. Ülimadalatel temperatuuridel sisenevad elektronid
ülijuhid moodustavad paarikaupa seotud osakeste süsteemi, mis ei saa anda kristallvõrele energiat ega raisata selle kuumutamisel energiakvante. Elektronide paarid liiguvad justkui<танцуя>, vahel<прутьями решетки>- ioone ja mööduda neist ilma kokkupõrgete ja energiaülekandeta.
Ülijuhtivust kasutatakse tehnoloogias üha enam.
Praktikas kasutatakse näiteks ülijuhtivaid solenoide – vedelasse heeliumisse sukeldatud ülijuhi pooli. Kord indutseeritud voolu ja sellest tulenevalt ka magnetvälja saab neis säilitada nii kaua, kui soovitakse. See võib ulatuda hiiglaslikule suurusele - üle 100 000 oerstedi. Tulevikus ilmuvad kahtlemata võimsad tööstuslikud ülijuhtivad seadmed - elektrimootorid, elektromagnetid jne.
Raadioelektroonikas hakkavad olulist rolli mängima ülitundlikud võimendid ja elektromagnetlainete generaatorid, mis töötavad eriti hästi vedela heeliumiga vannides - seal<шумы>varustus. Elektroonilises andmetöötlustehnoloogias lubatakse väikese võimsusega ülijuhtivatele lülititele - krüotronidele hiilgavat tulevikku (vt art.<Пути электроники>).
Pole raske ette kujutada, kui ahvatlev oleks selliste seadmete tööd kõrgemate ja paremini ligipääsetavate temperatuuride piirkonda viia. Hiljuti avastati lootus luua polümeerkile ülijuhte. Selliste materjalide elektrijuhtivuse omapärane olemus tõotab hiilgavat võimalust säilitada ülijuhtivus isegi toatemperatuuril. Teadlased otsivad järjekindlalt võimalusi selle lootuse realiseerimiseks.
Ja nüüd vaatame maailma kuumima asja valdkonda – tähtede sügavustesse. Kus temperatuur ulatub miljonite kraadideni.
Juhuslik soojusliikumine tähtedes on nii intensiivne, et terveid aatomeid seal eksisteerida ei saa: need hävivad lugematutes kokkupõrgetes.
Nii kuum aine ei saa seetõttu olla ei tahke, vedel ega gaasiline. See on plasma olekus, st elektriliselt laetud segu<осколков>aatomid – aatomituumad ja elektronid.
Plasma on ainulaadne aine olek. Kuna selle osakesed on elektriliselt laetud, on nad tundlikud elektri- ja magnetjõudude suhtes. Seetõttu on kahe aatomituuma (need kannavad positiivset laengut) lähedus haruldane nähtus. Ainult suure tiheduse ja tohutute temperatuuride korral on üksteisega põrkuvad aatomituumad võimelised üksteisele lähedale jõudma. Seejärel toimuvad termotuumareaktsioonid – tähtede energiaallikas.
Meile lähim täht Päike koosneb peamiselt vesinikplasmast, mis kuumutatakse tähe soolestikus 10 miljoni kraadini. Sellistes tingimustes toimuvad kiirete vesiniku tuumade – prootonite – tihedad kohtumised, kuigi harvad. Mõnikord interakteeruvad lähedased prootonid: olles ületanud elektrilise tõukejõu, langevad nad kiiresti hiiglaslike tuumatõmbejõudude võimu alla<падают>üksteise peale ja ühinevad. Siin toimub hetkeline ümberstruktureerimine: kahe prootoni asemel ilmuvad deuteron (raske vesiniku isotoobi tuum), positroon ja neutriino. Vabanev energia on 0,46 miljonit elektronvolti (MeV).
Iga päikeseprooton võib sellisesse reaktsiooni astuda keskmiselt kord 14 miljardi aasta jooksul. Kuid valguse sisikonnas on nii palju prootoneid, et siin-seal juhtub see ebatõenäoline sündmus - ja meie täht põleb oma ühtlase pimestava leegiga.
Deuteroonide süntees on päikeseenergia termotuumamuutuste esimene samm. Vastsündinud deuteron ühineb väga kiiresti (keskmiselt 5,7 sekundi pärast) teise prootoniga. Ilmub kerge heeliumi tuum ja elektromagnetkiirguse gamma kvant. Vabaneb 5,48 MeV energiat.
Lõpuks, keskmiselt kord miljoni aasta jooksul võivad kaks kerget heeliumi tuuma koonduda ja ühineda. Seejärel moodustub tavalise heeliumi tuum (alfaosake) ja kaks prootonit jagunevad. Vabaneb 12,85 MeV energiat.
See kolmeastmeline<конвейер>termotuumareaktsioonid pole ainsad. On veel üks tuumatransformatsioonide ahel, kiiremad. Selles osalevad (ilma tarbimata) süsiniku ja lämmastiku aatomituumad. Kuid mõlema variandi puhul sünteesitakse alfaosakesed vesiniku tuumadest. Piltlikult öeldes Päikese vesinikplasma<сгорает>, muutudes<золу>- heeliumi plasma. Ja iga heeliumiplasma grammi sünteesi käigus vabaneb 175 tuhat kWh energiat. Suurepärane summa!
Igas sekundis kiirgab Päike 41033 ergit energiat, kaotades 41012 g (4 miljonit tonni) ainet. Kuid Päikese kogumass on 21027 tonni See tähendab, et miljoni aasta pärast on Päike tänu kiirgusele<худеет>vaid üks kümnemiljonik selle massist. Need arvud illustreerivad kõnekalt termotuumareaktsioonide tõhusust ja päikeseenergia hiiglaslikku kütteväärtust.<горючего>- vesinik.
Termotuumasüntees on ilmselt kõigi tähtede peamine energiaallikas. Tähtede sisemuse erinevatel temperatuuridel ja tihedustel toimuvad erinevat tüüpi reaktsioonid. Eelkõige päikeseenergia<зола>-heeliumi tuumad - 100 miljoni kraadi juures muutub see ise termotuumaliseks<горючим>. Siis saab alfaosakestest sünteesida isegi raskemaid aatomituumasid – süsinikku ja isegi hapnikku.
Paljude teadlaste sõnul on kogu meie metagalaktika tervikuna ka termotuumasünteesi vili, mis toimus miljardikraadisel temperatuuril (vt art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Termotuuma erakordne kütteväärtus<горючего>ajendas teadlasi saavutama tuumasünteesi reaktsioonide kunstliku rakendamise.
<Горючего>- Meie planeedil on palju vesiniku isotoope. Näiteks ülirasket vesiniktriitiumi saab toota metallist liitiumist tuumareaktorites. Ja raske vesinik – deuteerium on osa raskest veest, mida saab ekstraheerida tavalisest veest.
Kahest klaasist tavalisest veest eraldatud raske vesinik toodaks termotuumareaktoris sama palju energiat, kui praegu toodetakse esmaklassilise bensiini barreli põletamisel.
Raskus on eelsoojendamine<горючее>temperatuurini, mille juures see võib süttida võimsa termotuumatulega.
See probleem lahendati esmakordselt vesinikupommis. Seal süttivad vesiniku isotoobid aatomipommi plahvatusest, millega kaasneb aine kuumenemine mitmekümne miljoni kraadini. Ühes vesinikupommi versioonis on termotuumakütuseks raske vesiniku keemiline ühend kerge liitiumiga – kerge liitiumdeuteriid. See lauasoola sarnane valge pulber,<воспламеняясь>alates<спички>, mis on aatomipomm, plahvatab hetkega ja tekitab sadade miljonite kraadide temperatuuri.
Rahumeelse termotuumareaktsiooni käivitamiseks tuleb kõigepealt õppida, kuidas kuumutada väikeseid doose piisavalt tihedat vesiniku isotoopide plasmat sadade miljonite kraadide temperatuurini ilma aatomipommi abita. See probleem on tänapäeva rakendusfüüsikas üks keerulisemaid. Teadlased üle maailma on selle kallal töötanud juba aastaid.
Oleme juba öelnud, et osakeste kaootiline liikumine tekitab kehade kuumenemise ja nende juhusliku liikumise keskmine energia vastab temperatuurile. Külma keha soojendamine tähendab selle häire tekitamist mis tahes viisil.
Kujutage ette kahte gruppi jooksjaid, kes üksteise poole tormavad. Nii nad põrkasid kokku, läksid segamini, algas muljumine ja segadus. Suur segadus!
Umbes samamoodi püüdsid füüsikud algselt saavutada kõrgeid temperatuure – kõrgsurvega gaasijugasid kokku põrgades. Gaas soojenes kuni 10 tuhande kraadini. Omal ajal oli see rekord: temperatuur oli kõrgem kui Päikese pinnal.
Kuid selle meetodi abil on gaasi edasine, üsna aeglane, mitteplahvatuslik kuumutamine võimatu, kuna termiline häire levib koheselt igas suunas, soojendades katsekambri seinu ja keskkonda. Saadud soojus lahkub süsteemist kiiresti ja seda pole võimalik isoleerida.
Kui gaasijoad asendada plasmavooludega, jääb soojapidavuse probleem väga keeruliseks, kuid lootust on ka selle lahendamiseks.
Tõsi, plasmat ei saa soojuskadude eest kaitsta ka kõige tulekindlamast ainest valmistatud anumad. Kokkupuutel tahkete seintega jahtub kuum plasma koheselt maha. Kuid võite proovida plasmat hoida ja soojendada, luues selle akumuleerumise vaakumis, nii et see ei puuduta kambri seinu, vaid ripub tühjuses, mitte midagi puudutamata. Siin tuleks ära kasutada asjaolu, et plasmaosakesed ei ole neutraalsed, nagu gaasiaatomid, vaid elektriliselt laetud. Seetõttu puutuvad nad liikumisel kokku magnetjõududega. Tekib ülesanne: luua erikonfiguratsiooniga magnetväli, milles kuum plasma ripuks justkui nähtamatute seintega kotis.
Sellise plasma lihtsaim vorm tekib automaatselt, kui plasmast lastakse läbi tugevaid elektrivoolu impulsse. Sel juhul indutseeritakse plasmajuhtme ümber magnetjõud, mis kipuvad juhet kokku suruma. Plasma eraldatakse tühjendustoru seintest ja nööri teljel osakeste purustamisel tõuseb temperatuur 2 miljoni kraadini.
Meie riigis tehti selliseid katseid juba 1950. aastal akadeemikute JI eestvedamisel. A. Artsimovitš ja M. A. Leontovitš.
Teine katsete suund on magnetpudeli kasutamine, mille pakkus välja 1952. aastal nõukogude füüsik, praegu akadeemik G.I. Magnetpudel asetatakse korgikambrisse - silindrilisse vaakumkambrisse, mis on varustatud välise mähisega, mis kondenseeritakse kambri otstes. Mähist läbiv vool loob kambris magnetvälja. Selle keskmises osas asuvad jõujooned asetsevad paralleelselt silindri generaatoritega ning otstes on need kokku surutud ja moodustavad magnetkorgid. Magnetpudelisse süstitud plasmaosakesed kõverduvad ümber jõujoonte ja peegelduvad pistikutelt. Selle tulemusena säilib plasma mõnda aega pudelis. Kui pudelisse sisestatud plasmaosakeste energia on piisavalt suur ja neid on piisavalt, astuvad nad keerulistesse jõudude vastastikmõjudesse, nende algselt järjestatud liikumine läheb segaseks, muutub korratuks - vesiniku tuumade temperatuur tõuseb kümnete miljonite kraadid.
Täiendav küte saavutatakse elektromagnetiliselt<ударами>plasmaga, magnetvälja kokkusurumisega jne. Nüüd kuumutatakse raskete vesiniku tuumade plasma sadade miljonite kraadideni. Tõsi, seda saab teha kas lühiajaliselt või madala plasmatihedusega.
Isemajanduva reaktsiooni käivitamiseks tuleb plasma temperatuuri ja tihedust veelgi tõsta. Seda on raske saavutada. Probleem on aga, nagu teadlased on veendunud, kahtlemata lahendatav.
G.B. Anfilov
Fotode postitamine ja artiklite tsiteerimine meie veebisaidilt muudele ressurssidele on lubatud tingimusel, et esitatakse link allikale ja fotodele.
Piirtemperatuur, mille juures ideaalse gaasi ruumala võrdub nulliga, loetakse absoluutseks nulltemperatuuriks. Kuid tegelike gaaside maht absoluutse nulltemperatuuri juures ei saa kaduda. Kas sellel temperatuuripiirangul on siis mõtet?
Piirav temperatuur, mille olemasolu tuleneb Gay-Lussaci seadusest, on mõttekas, kuna reaalse gaasi omadusi on praktiliselt võimalik lähendada ideaalse gaasi omadustele. Selleks peate võtma üha haruldasemat gaasi, nii et selle tihedus kipub nulli. Tõepoolest, kui temperatuur langeb, kipub sellise gaasi maht piirini, nulli lähedale.
Leiame absoluutse nulli väärtuse Celsiuse skaalal. Mahu võrdsustamine VV valem (3.6.4) null ja seda arvesse võttes
Seega on absoluutne nulltemperatuur
* Täpsem absoluutse nulli väärtus: -273,15 °C.
See on äärmuslik, madalaim temperatuur looduses, see "külma suurim või viimane aste", mille olemasolu ennustas Lomonosov.
Kelvini skaala
Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - silmapaistev inglise füüsik, üks termodünaamika ja gaaside molekulaarkineetilise teooria rajajaid.
Kelvin tutvustas absoluutse temperatuuri skaalat ja andis ühe termodünaamika teise seaduse sõnastusest soojuse täieliku tööks muutmise võimatuse kujul. Ta arvutas molekulide suuruse vedeliku pinnaenergia mõõtmise põhjal. Seoses Atlandi-ülese telegraafi kaabli paigaldamisega töötas Kelvin välja elektromagnetiliste võnkumiste teooria ja tuletas valemi ahelas vabade võnkumiste perioodi kohta. Teaduslike saavutuste eest sai W. Thomson lord Kelvini tiitli.
Inglise teadlane W. Kelvin võttis kasutusele absoluutse temperatuuriskaala. Nulltemperatuur Kelvini skaalal vastab absoluutsele nullile ja selle skaala temperatuuriühik on võrdne kraadiga Celsiuse skaalal, seega absoluutne temperatuur T on seotud temperatuuriga Celsiuse skaalal valemiga
(3.7.6)
Joonisel 3.11 on toodud võrdluseks absoluutskaala ja Celsiuse skaala.
Absoluutse temperatuuri SI ühikut nimetatakse kelviniks (lühendatult K). Seetõttu võrdub üks kraad Celsiuse skaalal ühe kraadiga Kelvini skaalal: 1 °C = 1 K.
Seega on absoluutne temperatuur valemiga (3.7.6) antud definitsiooni kohaselt tuletatud suurus, mis sõltub Celsiuse temperatuurist ja katseliselt määratud a väärtusest. See on aga põhimõttelise tähtsusega.
Molekulaarkineetilise teooria seisukohalt on absoluutne temperatuur seotud aatomite või molekulide kaootilise liikumise keskmise kineetilise energiaga. Kell T = O K molekulide soojusliikumine peatub. Sellest tuleb täpsemalt juttu 4. peatükis.
Mahu sõltuvus absoluutsest temperatuurist
Kelvini skaalat kasutades saab Gay-Lussaci seaduse (3.6.4) kirjutada lihtsamal kujul. Sest
(3.7.7)
Teatud massiga gaasi maht konstantsel rõhul on otseselt võrdeline absoluutse temperatuuriga.
Sellest järeldub, et sama massiga gaasi mahtude suhe erinevates olekutes samal rõhul on võrdne absoluutsete temperatuuride suhtega:
(3.7.8)
On olemas minimaalne võimalik temperatuur, mille juures ideaalse gaasi maht (ja rõhk) kaob. See on absoluutne nulltemperatuur:-273 °C. Mugav on lugeda temperatuuri absoluutsest nullist. Nii konstrueeritakse absoluutne temperatuuriskaala.
> Absoluutne null
Õppige, millega see võrdub absoluutne nulltemperatuur ja entroopia väärtus. Uurige, milline on absoluutse nulli temperatuur Celsiuse ja Kelvini skaalal.
Absoluutne null- minimaalne temperatuur. See on punkt, kus entroopia saavutab oma madalaima väärtuse.
Õppeeesmärk
- Saage aru, miks absoluutne null on nullpunkti loomulik näitaja.
Põhipunktid
- Absoluutne null on universaalne, see tähendab, et kogu aine on sellel indikaatoril põhiolekus.
- K-l on kvantmehaaniline nullenergia. Kuid tõlgendamisel võib kineetiline energia olla null ja soojusenergia kaob.
- Madalaim temperatuur laboritingimustes ulatus 10-12 K. Minimaalne looduslik temperatuur oli 1 K (gaaside paisumine Bumerangi udukogus).
Tingimused
- Entroopia on mõõt, kuidas energia ühtlaselt jaotub süsteemis.
- Termodünaamika on teadusharu, mis uurib soojust ja selle seost energia ja tööga.
Absoluutne null on minimaalne temperatuur, mille juures entroopia saavutab oma madalaima väärtuse. See tähendab, et see on väikseim näitaja, mida süsteemis saab jälgida. See on universaalne kontseptsioon ja toimib temperatuuriühikute süsteemis nullpunktina.
Erinevate konstantse mahuga gaaside rõhu ja temperatuuri graafik. Pange tähele, et kõik graafikud ekstrapoleeruvad nullrõhule ühel temperatuuril
Absoluutses nullpunktis olev süsteem on endiselt varustatud kvantmehaanilise nullpunkti energiaga. Määramatuse printsiibi järgi ei saa osakeste asukohta absoluutse täpsusega määrata. Kui osake nihutatakse absoluutses nullis, on sellel siiski minimaalne energiavaru. Kuid klassikalises termodünaamikas võib kineetiline energia olla null ja soojusenergia kaob.
Termodünaamilise skaala, näiteks Kelvini nullpunkt on võrdne absoluutse nulliga. Rahvusvaheline kokkulepe on kindlaks teinud, et absoluutse nulli temperatuur ulatub 0K Kelvini skaalal ja -273,15 °C Celsiuse skaalal. Aine avaldab minimaalsetel temperatuuridel kvantefekte, nagu ülijuhtivus ja ülivoolavus. Madalaim temperatuur laboritingimustes oli 10-12 K ja looduskeskkonnas - 1 K (gaaside kiire paisumine Bumerangi udukogus).
Gaaside kiire paisumine viib minimaalse vaadeldava temperatuurini
Absoluutne null vastab temperatuurile –273,15 °C.
Arvatakse, et absoluutne null on praktikas saavutamatu. Selle olemasolu ja asukoht temperatuuriskaalal tuleneb vaadeldud füüsikaliste nähtuste ekstrapoleerimisest ja selline ekstrapoleerimine näitab, et absoluutse nulli juures peaks aine molekulide ja aatomite soojusliikumise energia olema võrdne nulliga, see tähendab osakeste kaootilise liikumisega. peatub ja nad moodustavad korrastatud struktuuri, hõivates kristallvõre sõlmedes selge positsiooni. Kuid tegelikult säilivad isegi absoluutse nulltemperatuuri korral aine moodustavate osakeste korrapärased liikumised. Ülejäänud võnkumised, näiteks nullpunkti võnkumised, on tingitud osakeste kvantomadustest ja neid ümbritsevast füüsikalisest vaakumist.
Praegu on füüsikalistes laborites olnud võimalik saavutada absoluutset nulli ületavaid temperatuure vaid mõne miljondik kraadi võrra; seda ise saavutada termodünaamika seaduste järgi on võimatu.
Märkmed
Kirjandus
- G. Burmin. Rünnak absoluutsele nullile. - M.: "Lastekirjandus", 1983.
Vaata ka
Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.
Sünonüümid:Vaadake, mis on "absoluutne null" teistes sõnaraamatutes:
Temperatuurid, temperatuuri lähtekoht termodünaamilisel temperatuuriskaalal (vt TERMODÜNAAMILINE TEMPERATUURIKAALA). Absoluutne null asub 273,16 °C allpool vee kolmikpunkti (vt KOLMEPUNKTI) temperatuuri, mille puhul see on aktsepteeritud ... ... entsüklopeediline sõnaraamat
Temperatuurid, temperatuuri päritolu termodünaamilisel temperatuuriskaalal. Absoluutne nullpunkt asub 273,16 °C allpool vee kolmikpunkti temperatuuri (0,01 °C). Absoluutne null on põhimõtteliselt kättesaamatu, temperatuurid on peaaegu saavutatud... ... Kaasaegne entsüklopeedia
Temperatuurid on termodünaamilise temperatuuriskaala temperatuuri lähtepunkt. Absoluutne null asub 273,16.C allpool vee kolmikpunkti temperatuuri, mille väärtus on 0,01,C. Absoluutne null on põhimõtteliselt kättesaamatu (vt... ... Suur entsüklopeediline sõnaraamat
Temperatuur, mis väljendab soojuse puudumist, on 218° C. Vene keele võõrsõnade sõnastik. Pavlenkov F., 1907. absoluutne nulltemperatuur (füüsiline) - madalaim võimalik temperatuur (273,15°C). Suur sõnaraamat...... Vene keele võõrsõnade sõnastik
absoluutne null- Äärmiselt madal temperatuur, mille juures molekulide termiline liikumine Kelvini skaalal, absoluutne null (0°K) vastab –273,16±0,01°C... Geograafia sõnaraamat
Nimisõna, sünonüümide arv: 15 ümmargune null (8) väike mees (32) väike prae ... Sünonüümide sõnastik
Äärmiselt madal temperatuur, mille juures molekulide termiline liikumine peatub. Ideaalse gaasi rõhk ja ruumala Boyle-Mariotte'i seaduse kohaselt võrdub nulliga ning absoluutse temperatuuri alguseks Kelvini skaalal võetakse... ... Ökoloogiline sõnastik
absoluutne null- - [A.S. Goldberg. Inglise-vene energiasõnastik. 2006] Energeetika teemad üldiselt EN nullpunkt ... Tehniline tõlkija juhend
Absoluutse temperatuuri referentsi algus. Vastab 273,16° C. Praegu on füüsikalistes laborites suudetud saavutada absoluutset nulli ületavat temperatuuri vaid mõne miljondik kraadi võrra ning seda seaduste järgi saavutada... ... Collieri entsüklopeedia
absoluutne null- absoliutusis nulis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. Või 273,16 °C, 459,69 °F või 0 K temperatuur. vastavusmenys: engl.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
absoluutne null- absoliutusis nulis statusas T ala chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). vastavusmenys: engl. absoluutne null rus. absoluutne null... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas