Umewahi kufikiria jinsi joto linaweza kuwa chini? Sufuri kabisa ni nini? Je, ubinadamu utaweza kulifanikisha na ni fursa gani zitafunguliwa baada ya ugunduzi huo? Maswali haya na mengine yanayofanana kwa muda mrefu yamechukua mawazo ya wanafizikia wengi na watu wanaotamani sana.
Sufuri kabisa ni nini
Hata kama haukupenda fizikia tangu utoto, labda unajua wazo la hali ya joto. Shukrani kwa nadharia ya kinetiki ya molekuli, sasa tunajua kwamba kuna uhusiano fulani wa tuli kati yake na mienendo ya molekuli na atomi: joto la juu la mwili wowote wa kimwili, kasi ya atomi zake husonga, na kinyume chake. Swali linatokea: "Je, kuna kikomo cha chini sana ambacho chembe za msingi zitaganda?" Wanasayansi wanaamini kwamba hii inawezekana kinadharia; kipimajoto kitakuwa katika nyuzi joto -273.15 Celsius. Thamani hii inaitwa sufuri kabisa. Kwa maneno mengine, hii ni kikomo cha chini kinachowezekana ambacho mwili wa kimwili unaweza kupozwa. Kuna hata kiwango cha joto kabisa (kiwango cha Kelvin), ambacho sifuri kabisa ni hatua ya kumbukumbu, na mgawanyiko wa kitengo cha kiwango ni sawa na shahada moja. Wanasayansi kote ulimwenguni hawaachi kufanya kazi ili kufikia thamani hii, kwani hii inaahidi matarajio makubwa kwa wanadamu.
Kwa nini hii ni muhimu sana
Halijoto ya chini sana na ya juu sana inahusiana kwa karibu na dhana ya utelezi na upitishaji hewa. Kutoweka kwa upinzani wa umeme katika superconductors itafanya iwezekanavyo kufikia maadili ya ufanisi isiyofikiriwa na kuondoa upotezaji wowote wa nishati. Ikiwa tunaweza kupata njia ambayo ingeturuhusu kufikia kwa uhuru thamani ya "sifuri kabisa," shida nyingi za wanadamu zingetatuliwa. Treni zinazozunguka juu ya reli, injini nyepesi na ndogo, transfoma na jenereta, magnetoencephalography ya usahihi wa hali ya juu, saa za usahihi wa hali ya juu - hii ni mifano michache tu ya kile ambacho superconductivity inaweza kuleta katika maisha yetu.
Maendeleo ya hivi karibuni ya kisayansi
Mnamo Septemba 2003, watafiti kutoka MIT na NASA waliweza kupoza gesi ya sodiamu hadi rekodi ya chini. Wakati wa jaribio, walikuwa nusu tu ya bilioni ya digrii fupi ya mstari wa kumaliza (sifuri kabisa). Wakati wa vipimo, sodiamu ilikuwa mara kwa mara kwenye uwanja wa magnetic, ambao uliizuia kugusa kuta za chombo. Iwapo ingewezekana kuondokana na kizuizi cha joto, mwendo wa Masi katika gesi ungeacha kabisa, kwa sababu baridi hiyo ingeondoa nishati yote kutoka kwa sodiamu. Watafiti walitumia mbinu ambayo mwandishi wake (Wolfgang Ketterle) alipokea Tuzo ya Nobel ya Fizikia mwaka wa 2001. Jambo kuu katika vipimo lilikuwa michakato ya gesi ya Bose-Einstein condensation. Wakati huo huo, hakuna mtu bado ameghairi sheria ya tatu ya thermodynamics, kulingana na ambayo sifuri kabisa sio tu isiyoweza kushindwa, lakini pia thamani isiyoweza kupatikana. Kwa kuongezea, kanuni ya kutokuwa na uhakika ya Heisenberg inatumika, na atomi haziwezi kuacha kufa kwenye nyimbo zao. Kwa hivyo, kwa sasa, halijoto ya sifuri kabisa bado haiwezi kupatikana kwa sayansi, ingawa wanasayansi wameweza kuikaribia kwa umbali usio na maana.
Mwili wowote wa kimwili, ikiwa ni pamoja na vitu vyote katika Ulimwengu, una kiwango cha chini cha joto au kikomo chake. Hatua ya mwanzo ya kiwango chochote cha joto inachukuliwa kuwa thamani ya joto la sifuri kabisa. Lakini hii ni katika nadharia tu. Harakati ya machafuko ya atomi na molekuli, ambayo hutoa nishati yao kwa wakati huu, bado haijasimamishwa katika mazoezi.
Hii ndiyo sababu kuu kwa nini halijoto ya sifuri kabisa haiwezi kufikiwa. Bado kuna mijadala kuhusu matokeo ya mchakato huu. Kutoka kwa mtazamo wa thermodynamics, kikomo hiki haipatikani, kwani harakati ya joto ya atomi na molekuli huacha kabisa, na latiti ya kioo huundwa.
Wawakilishi wa fizikia ya quantum wanafikiria uwepo wa oscillations ya chini ya sifuri kwa joto la sifuri kabisa.
Ni thamani gani ya joto la sifuri kabisa na kwa nini haiwezi kupatikana
Katika Mkutano Mkuu wa Uzito na Vipimo, rejeleo au sehemu ya marejeleo ilianzishwa kwa mara ya kwanza kwa vyombo vya kupimia vinavyoamua viashiria vya joto.
Hivi sasa, katika Mfumo wa Kimataifa wa Vitengo, hatua ya kumbukumbu ya kiwango cha Celsius ni 0 ° C kwa kufungia na 100 ° C kwa kuchemsha, thamani ya joto la sifuri kabisa ni sawa na -273.15 ° C.
Kutumia viwango vya joto kwenye kiwango cha Kelvin kulingana na Mfumo huo wa Kimataifa wa Vitengo, kuchemsha kwa maji kutatokea kwa thamani ya kumbukumbu ya 99.975 ° C, sifuri kabisa ni sawa na 0. Kwa kiwango cha Fahrenheit kiashiria kinalingana na digrii -459.67. .
Lakini, ikiwa data hizi zinapatikana, kwa nini basi haiwezekani kufikia joto la sifuri kabisa katika mazoezi? Kwa kulinganisha, tunaweza kuchukua kasi inayojulikana ya mwanga, ambayo ni sawa na thamani ya kimwili ya mara kwa mara ya 1,079,252,848.8 km / h.
Hata hivyo, thamani hii haiwezi kupatikana katika mazoezi. Inategemea urefu wa wimbi la maambukizi, hali, na unyonyaji unaohitajika wa kiasi kikubwa cha nishati na chembe. Ili kupata thamani ya joto la sifuri kabisa, pato kubwa la nishati inahitajika na kutokuwepo kwa vyanzo vyake ili kuizuia kuingia kwenye atomi na molekuli.
Lakini hata katika hali ya utupu kamili, wanasayansi hawakuweza kupata kasi ya mwanga au joto la sifuri kabisa.
Kwa nini inawezekana kufikia takriban joto la sifuri, lakini si sifuri kabisa?
Nini kitatokea wakati sayansi inaweza kuja karibu na kufikia joto la chini sana la sifuri kabisa inabaki tu katika nadharia ya thermodynamics na fizikia ya quantum. Ni sababu gani kwa nini joto la sifuri kabisa haliwezi kupatikana katika mazoezi.
Majaribio yote yanayojulikana ya kupoza dutu hadi kikomo cha chini kabisa kutokana na upotezaji wa juu wa nishati ilisababisha ukweli kwamba uwezo wa joto wa dutu hii pia ulifikia thamani ya chini. Molekuli hazikuweza tena kutoa nishati iliyobaki. Matokeo yake, mchakato wa baridi ulisimama bila kufikia sifuri kabisa.
Wakati wa kusoma tabia ya metali chini ya hali karibu na joto la sifuri kabisa, wanasayansi waligundua kuwa kupungua kwa kiwango cha joto kunapaswa kusababisha upotezaji wa upinzani.
Lakini kusitishwa kwa harakati za atomi na molekuli kulisababisha tu kuundwa kwa kimiani ya kioo, ambayo elektroni zinazopita zilihamisha sehemu ya nishati yao kwa atomi za stationary. Tena, haikuwezekana kufikia sifuri kabisa.
Mnamo 2003, halijoto ilikuwa nusu bilioni tu ya 1 ° C fupi ya sifuri kabisa. Watafiti wa NASA walitumia molekuli ya Na kufanya majaribio, ambayo mara zote ilikuwa kwenye uwanja wa sumaku na ilitoa nishati yake.
Mafanikio ya karibu yalipatikana na wanasayansi katika Chuo Kikuu cha Yale, ambao mwaka 2014 walipata takwimu ya 0.0025 Kelvin. Mchanganyiko unaosababishwa, strontium monofluoride (SrF), ilidumu sekunde 2.5 tu. Na mwisho bado iligawanyika katika atomi.
Uchaguzi wa pointi za barafu inayoyeyuka na maji ya moto kama pointi kuu za kiwango cha joto ni ya kiholela kabisa. Kiwango cha joto kilichopatikana kwa njia hii kiligeuka kuwa kisichofaa kwa masomo ya kinadharia.
Kulingana na sheria za thermodynamics, Kelvin aliweza kuunda kile kinachojulikana kama kiwango cha joto kabisa (kwa sasa kinaitwa kiwango cha joto cha thermodynamic au kiwango cha Kelvin), bila kujitegemea kabisa asili ya mwili wa thermometric au parameter iliyochaguliwa ya thermometric. Walakini, kanuni ya kuunda kiwango kama hicho huenda zaidi ya mtaala wa shule. Tutaliangalia suala hili kwa kutumia mazingatio mengine.
Mfumo (2) unamaanisha njia mbili zinazowezekana za kuanzisha kiwango cha joto: kutumia mabadiliko ya shinikizo la kiasi fulani cha gesi kwa kiasi cha mara kwa mara au mabadiliko ya kiasi kwa shinikizo la mara kwa mara. Kiwango hiki kinaitwa kiwango bora cha joto la gesi.
Joto lililoamuliwa na usawa (2) linaitwa joto kabisa. Hali ya joto kabisa Τ haiwezi kuwa mbaya, kwa kuwa kuna idadi chanya kwa upande wa kushoto wa usawa (2) (kwa usahihi zaidi, haiwezi kuwa na ishara tofauti, inaweza kuwa chanya au hasi. Hii inategemea uchaguzi wa ishara ya mara kwa mara. k. Kwa kuwa ilikubaliwa kuwa hali ya joto ya hatua tatu inapaswa kuchukuliwa kuwa chanya, joto kabisa linaweza kuwa chanya tu). Kwa hiyo, thamani ya chini ya joto iwezekanavyo T= 0 ni halijoto wakati shinikizo au kiasi ni sifuri.
Joto la kuzuia ambapo shinikizo la gesi bora hupotea kwa kiasi kisichobadilika au kiasi cha gesi bora huelekea sifuri (yaani, gesi inapaswa kukandamizwa kuwa "point") kwa shinikizo la mara kwa mara huitwa. sifuri kabisa. Hii ni joto la chini kabisa katika asili.
Kutoka kwa usawa (3), kwa kuzingatia kwamba \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) , maana ya kimwili ya sufuri kabisa ifuatavyo: sifuri kabisa - halijoto ambayo mwendo wa utafsiri wa joto wa molekuli unapaswa kukoma. Sufuri kabisa haipatikani.
Mfumo wa Kimataifa wa Vitengo (SI) hutumia kipimo kamili cha halijoto ya thermodynamic. Sufuri kabisa inachukuliwa kama halijoto ya sifuri kwenye kipimo hiki. Sehemu ya pili ya kumbukumbu ni hali ya joto ambayo maji, barafu na mvuke iliyojaa iko katika usawa wa nguvu, kinachojulikana kama hatua tatu (kwa kiwango cha Celsius, joto la hatua tatu ni 0.01 ° C). Kila kitengo cha halijoto kamili, kinachoitwa Kelvin (kilichofananishwa na 1 K), ni sawa na digrii Selsiasi.
Kwa kuzamisha chupa ya kipimajoto cha gesi kwenye barafu inayoyeyuka na kisha katika maji yanayochemka kwa shinikizo la kawaida la anga, waligundua kuwa shinikizo la gesi katika kesi ya pili lilikuwa kubwa mara 1.3661 kuliko ile ya kwanza. Kuzingatia hili na kutumia formula (2), tunaweza kuamua kwamba joto ya barafu T 0 = 273.15 K.
Kwa kweli, wacha tuandike equation (2) kwa hali ya joto T 0 kuyeyuka kwa barafu na joto la kuchemsha la maji ( T 0 + 100):
\(~\frac(p_1V)(N) = kT_0 ;\) \(~\frac(p_2V)(N) = k(T_0 + 100) .\)
Kugawanya equation ya pili na ya kwanza, tunapata:
\(~\frac(p_2)(p_1) = \frac(T_0 + 100)(T_0) .\)
\(~T_0 = \frac(100)(\frac(p_2)(p_1) - 1) = \frac(100)(1.3661 - 1) = 273.15 K.\)
Mchoro wa 2 unaonyesha mchoro wa mpangilio wa mizani ya Selsiasi na kipimo cha thermodynamic.
> Sufuri kabisa
Jifunze ni sawa na nini joto la sifuri kabisa na thamani ya entropy. Jua halijoto ya sifuri kabisa iko kwenye mizani ya Selsiasi na Kelvin.
Sufuri kabisa- kiwango cha chini cha joto. Hii ndio hatua ambayo entropy inafikia thamani yake ya chini.
Lengo la Kujifunza
- Kuelewa kwa nini sifuri kabisa ni kiashiria cha asili cha uhakika wa sifuri.
Pointi kuu
- Sufuri kabisa ni ya ulimwengu wote, ambayo ni kwamba, maada yote iko katika hali ya chini kwenye kiashiria hiki.
- K ina quantum mechanical zero nishati. Lakini kwa tafsiri, nishati ya kinetic inaweza kuwa sifuri, na nishati ya joto hupotea.
- Joto la chini kabisa katika hali ya maabara lilifikia 10-12 K. Kiwango cha chini cha joto cha asili kilikuwa 1 K (upanuzi wa gesi katika Boomerang Nebula).
Masharti
- Entropy ni kipimo cha jinsi nishati sare inasambazwa katika mfumo.
- Thermodynamics ni tawi la sayansi ambalo husoma joto na uhusiano wake na nishati na kazi.
Sufuri kabisa ni joto la chini kabisa ambalo entropy hufikia thamani yake ya chini. Hiyo ni, hii ni kiashiria kidogo zaidi ambacho kinaweza kuzingatiwa katika mfumo. Hii ni dhana ya ulimwengu wote na hufanya kama hatua ya sifuri katika mfumo wa vitengo vya joto.
Grafu ya shinikizo dhidi ya joto kwa gesi tofauti na kiasi cha mara kwa mara. Kumbuka kwamba grafu zote hutoka kwa shinikizo la sifuri kwa joto moja
Mfumo ulio katika sifuri kabisa bado umejaliwa kuwa na nishati ya kimitambo ya quantum yenye pointi sifuri. Kwa mujibu wa kanuni ya kutokuwa na uhakika, nafasi ya chembe haiwezi kuamua kwa usahihi kabisa. Ikiwa chembe itahamishwa kwa sifuri kabisa, bado ina akiba ya chini ya nishati. Lakini katika thermodynamics ya classical, nishati ya kinetic inaweza kuwa sifuri, na nishati ya joto hupotea.
Nukta sifuri ya kipimo cha thermodynamic, kama vile Kelvin, ni sawa na sufuri kabisa. Makubaliano ya kimataifa yamebainisha kuwa halijoto ya sufuri kabisa hufikia 0K kwenye mizani ya Kelvin na -273.15°C kwenye kipimo cha Selsiasi. Dutu hii huonyesha athari za quantum kwa viwango vya chini vya joto, kama vile upitishaji hewa na unyevu kupita kiasi. Joto la chini kabisa katika hali ya maabara lilikuwa 10-12 K, na katika mazingira ya asili - 1 K (upanuzi wa haraka wa gesi katika Nebula ya Boomerang).
Upanuzi wa haraka wa gesi husababisha kiwango cha chini cha joto kinachozingatiwa
Sufuri kabisa inalingana na halijoto ya -273.15 °C.
Inaaminika kuwa sifuri kabisa haipatikani katika mazoezi. Uwepo wake na msimamo wake kwenye kiwango cha joto hufuata kutoka kwa uboreshaji wa hali ya mwili inayozingatiwa, na utaftaji kama huo unaonyesha kuwa kwa sifuri kabisa nishati ya mwendo wa joto wa molekuli na atomi za dutu inapaswa kuwa sawa na sifuri, ambayo ni, harakati ya machafuko ya chembe. huacha, na huunda muundo ulioamuru, unachukua nafasi wazi katika nodi za kimiani za kioo. Hata hivyo, kwa kweli, hata kwa joto la sifuri kabisa, harakati za mara kwa mara za chembe zinazounda jambo zitabaki. Oscillations iliyobaki, kama vile oscillations ya sifuri, inatokana na sifa za quantum za chembe na utupu wa kimwili unaowazunguka.
Kwa sasa, katika maabara ya kimwili imewezekana kupata joto linalozidi sifuri kabisa kwa milioni chache tu za digrii; kuifanikisha yenyewe, kulingana na sheria za thermodynamics, haiwezekani.
Vidokezo
Fasihi
- G. Burmin. Shambulio dhidi ya sifuri kabisa. - M.: "Fasihi ya Watoto", 1983.
Angalia pia
Wikimedia Foundation. 2010.
Visawe:Tazama "sifuri kabisa" ni nini katika kamusi zingine:
Halijoto, asili ya halijoto kwenye mizani ya halijoto ya thermodynamic (ona THERMODYNAMIC TEMPERATURE SCALE). Sufuri kabisa iko 273.16 °C chini ya halijoto ya sehemu tatu (angalia TRIPLE POINT) ya maji, ambayo inakubaliwa ... ... Kamusi ya encyclopedic
Joto, asili ya joto kwenye kiwango cha joto la thermodynamic. Sufuri kabisa iko 273.16 ° C chini ya kiwango cha joto cha uhakika cha tatu cha maji (0.01 ° C). Sufuri kabisa haipatikani kimsingi, halijoto imekaribia kufikiwa... ... Ensaiklopidia ya kisasa
Halijoto ni mahali pa kuanzia kwa halijoto kwenye mizani ya halijoto ya thermodynamic. Sufuri kabisa iko kwenye 273.16.C chini ya joto la hatua tatu ya maji, ambayo thamani yake ni 0.01.C. Sufuri kabisa haipatikani kimsingi (tazama... ... Kamusi kubwa ya Encyclopedic
Joto, ambalo linaonyesha kutokuwepo kwa joto, ni sawa na 218 ° C. Kamusi ya maneno ya kigeni iliyojumuishwa katika lugha ya Kirusi. Pavlenkov F., 1907. joto la sifuri kabisa (kimwili) - joto la chini kabisa (273.15 ° C). Kamusi kubwa...... Kamusi ya maneno ya kigeni ya lugha ya Kirusi
sifuri kabisa- Halijoto ya chini sana ambapo mwendo wa joto wa molekuli husimama; kwenye mizani ya Kelvin, sufuri kabisa (0°K) inalingana na -273.16±0.01°C... Kamusi ya Jiografia
Nomino, idadi ya visawe: 15 duru sifuri (8) mtu mdogo (32) kaanga ndogo ... Kamusi ya visawe
Joto la chini sana ambalo mwendo wa joto wa molekuli huacha. Shinikizo na kiasi cha gesi bora, kulingana na sheria ya Boyle-Mariotte, inakuwa sawa na sifuri, na mwanzo wa halijoto kamili kwenye mizani ya Kelvin inachukuliwa kuwa ... ... Kamusi ya kiikolojia
sifuri kabisa- [A.S. Goldberg. Kamusi ya nishati ya Kiingereza-Kirusi. 2006] Mada za nishati kwa ujumla EN zeropoint ... Mwongozo wa Mtafsiri wa Kiufundi
Mwanzo wa kumbukumbu ya joto kabisa. Inalingana na 273.16° C. Hivi sasa, katika maabara ya kimwili imewezekana kupata halijoto inayozidi sifuri kabisa kwa milioni chache tu za digrii, na kuifanikisha, kwa mujibu wa sheria... ... Encyclopedia ya Collier
sifuri kabisa- absoliutosis nulis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. Tai 273.16 °C, 459.69 °F arba 0 K temperatūra. atitikmenys: engl.…… Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
sifuri kabisa- absoliutosis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273.16 °C). atitikmenys: engl. zero kabisa. sifuri kabisa... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas