Sıcaklığın ne kadar düşük olabileceğini hiç düşündünüz mü? Mutlak sıfır nedir? İnsanlık bunu başarabilecek mi ve böyle bir keşiften sonra hangi fırsatlar açılacak? Bu ve benzeri sorular uzun zamandır birçok fizikçinin ve meraklı insanın aklını meşgul ediyor.
Mutlak sıfır nedir
Çocukluğunuzdan beri fiziği sevmemiş olsanız bile muhtemelen sıcaklık kavramına aşinasınızdır. Moleküler kinetik teori sayesinde artık onunla moleküllerin ve atomların hareketleri arasında belirli bir statik bağlantı olduğunu biliyoruz: Herhangi bir fiziksel cismin sıcaklığı ne kadar yüksekse, atomları o kadar hızlı hareket eder ve bunun tersi de geçerlidir. Şu soru ortaya çıkıyor: "Temel parçacıkların yerinde donacağı bir alt sınır var mı?" Bilim insanları bunun teorik olarak mümkün olduğuna inanıyor; termometre -273,15 santigrat derece olacak. Bu değere mutlak sıfır denir. Başka bir deyişle bu, fiziksel bir bedenin soğutulabileceği mümkün olan minimum sınırdır. Mutlak sıfırın referans noktası olduğu ve ölçeğin bir bölümünün bir dereceye eşit olduğu bir mutlak sıcaklık ölçeği (Kelvin ölçeği) bile vardır. Dünyanın dört bir yanındaki bilim insanları, insanlık için çok büyük umutlar vaat eden bu değere ulaşmak için çalışmayı bırakmıyor.
Bu neden bu kadar önemli?
Aşırı düşük ve aşırı yüksek sıcaklıklar, süperakışkanlık ve süperiletkenlik kavramlarıyla yakından ilişkilidir. Süperiletkenlerde elektriksel direncin ortadan kalkması, hayal edilemeyecek verim değerlerine ulaşılmasını ve her türlü enerji kaybının ortadan kaldırılmasını mümkün kılacaktır. Eğer “mutlak sıfır” değerine özgürce ulaşmamızı sağlayacak bir yol bulabilirsek, insanlığın birçok sorunu çözülmüş olacaktır. Rayların üzerinde uçan trenler, daha hafif ve daha küçük motorlar, transformatörler ve jeneratörler, yüksek hassasiyetli manyetoensefalografi, yüksek hassasiyetli saatler; bunlar süperiletkenliğin hayatımıza neler getirebileceğinin sadece birkaç örneğidir.
En Son Bilimsel Gelişmeler
Eylül 2003'te MIT ve NASA'dan araştırmacılar sodyum gazını rekor düşük bir seviyeye kadar soğutmayı başardılar. Deney sırasında, bitiş işaretine (mutlak sıfır) yalnızca yarım milyarda biri kadar yakındılar. Testler sırasında sodyum sürekli olarak manyetik bir alan içerisindeydi ve bu da onun kabın duvarlarına temas etmesini engelliyordu. Sıcaklık bariyerinin üstesinden gelmek mümkün olsaydı, gazdaki moleküler hareket tamamen dururdu çünkü bu tür bir soğutma, sodyumun tüm enerjisini çekerdi. Araştırmacılar, yazarı (Wolfgang Ketterle) 2001 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü alan bir teknik kullandılar. Testlerdeki kilit nokta Bose-Einstein yoğunlaşmasının gaz süreçleriydi. Bu arada, mutlak sıfırın yalnızca aşılmaz değil aynı zamanda ulaşılamaz bir değer olduğunu söyleyen termodinamiğin üçüncü yasasını henüz kimse iptal etmedi. Ayrıca Heisenberg'in belirsizlik ilkesi geçerlidir ve atomlar oldukları yerde duramazlar. Bu nedenle, bilim adamları buna ihmal edilebilir bir mesafeye yaklaşabilmiş olsalar da, mutlak sıfır sıcaklık şimdilik bilim için ulaşılamaz durumda.
Evrendeki tüm nesneler de dahil olmak üzere herhangi bir fiziksel bedenin bir minimum sıcaklığı veya sınırı vardır. Herhangi bir sıcaklık ölçeğinin başlangıç noktası mutlak sıfır sıcaklığının değeri olarak kabul edilir. Ancak bu sadece teoride. Bu sırada enerjisini kaybeden atom ve moleküllerin kaotik hareketi pratikte henüz durdurulmuş değil.
Mutlak sıfır sıcaklıklara ulaşılamamasının ana nedeni budur. Bu sürecin sonuçlarına ilişkin tartışmalar halen devam etmektedir. Termodinamik açısından bakıldığında bu sınıra ulaşılamaz çünkü atomların ve moleküllerin termal hareketi tamamen durur ve bir kristal kafes oluşur.
Kuantum fiziğinin temsilcileri, mutlak sıfır sıcaklıklarda minimum sıfır salınımın varlığını öngörüyor.
Mutlak sıfır sıcaklığın değeri nedir ve neden elde edilemiyor?
Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı'nda sıcaklık göstergelerini belirleyen ölçü aletleri için ilk kez bir referans veya referans noktası oluşturuldu.
Şu anda Uluslararası Birim Sisteminde Santigrat ölçeğinin referans noktası donma için 0°C, kaynama için 100°C olup, mutlak sıfır sıcaklıkların değeri -273,15°C'ye eşittir.
Aynı Uluslararası Birim Sistemine göre Kelvin ölçeğindeki sıcaklık değerleri kullanıldığında, suyun kaynaması 99.975 ° C referans değerinde meydana gelecektir, mutlak sıfır 0'a eşittir. Fahrenheit ölçeğinde gösterge -459.67 dereceye karşılık gelir. .
Ancak bu veriler elde edilirse pratikte mutlak sıfır sıcaklıklara ulaşmak neden imkansızdır? Karşılaştırma için, 1.079.252.848,8 km/saatlik sabit fiziksel değere eşit olan, iyi bilinen ışık hızını alabiliriz.
Ancak pratikte bu değere ulaşmak mümkün değildir. Bu, iletim dalga boyuna, koşullara ve parçacıklar tarafından büyük miktarda enerjinin gerekli emilimine bağlıdır. Mutlak sıfır sıcaklık değerini elde etmek için büyük miktarda enerji çıkışı gerekir ve bu enerjinin atomlara ve moleküllere girmesini önleyecek kaynakların bulunmaması gerekir.
Ancak tam boşluk koşullarında bile bilim adamları ne ışık hızını ne de mutlak sıfır sıcaklıkları elde edemediler.
Neden yaklaşık olarak sıfır sıcaklıklara ulaşmak mümkün ama mutlak sıfıra ulaşmak mümkün değil?
Bilim, mutlak sıfırın son derece düşük sıcaklığına ulaşmaya yaklaştığında ne olacağı yalnızca termodinamik ve kuantum fiziği teorisinde kalır. Pratikte mutlak sıfır sıcaklıklara ulaşılamamasının nedeni nedir?
Bir maddeyi maksimum enerji kaybı nedeniyle en düşük sınıra kadar soğutmaya yönelik bilinen tüm girişimler, maddenin ısı kapasitesinin de minimum bir değere ulaşmasıyla sonuçlanmıştır. Moleküller artık kalan enerjiden vazgeçemiyorlardı. Sonuç olarak soğutma işlemi mutlak sıfıra ulaşmadan durdu.
Bilim adamları, mutlak sıfır sıcaklıklara yakın koşullar altında metallerin davranışlarını incelerken, sıcaklıktaki maksimum azalmanın direnç kaybına neden olması gerektiğini buldular.
Ancak atomların ve moleküllerin hareketinin durması, yalnızca içinden geçen elektronların enerjilerinin bir kısmını sabit atomlara aktardığı bir kristal kafesin oluşumuna yol açtı. Mutlak sıfıra ulaşmak yine imkansızdı.
2003 yılında sıcaklık, mutlak sıfırın yalnızca 1°C'nin milyarda biri kadar eksikti. NASA araştırmacıları, deneyler yapmak için her zaman manyetik alanda bulunan ve enerjisinden vazgeçen bir Na molekülü kullandılar.
En yakın başarı, 2014 yılında 0,0025 Kelvin rakamına ulaşan Yale Üniversitesi'ndeki bilim adamları tarafından elde edildi. Ortaya çıkan bileşik, stronsiyum monoflorür (SrF), yalnızca 2,5 saniye sürdü. Ve sonunda yine de atomlara bölündü.
Sıcaklık ölçeğinin ana noktaları olarak buzun erimesi ve suyun kaynama noktalarının seçimi tamamen keyfidir. Bu şekilde elde edilen sıcaklık ölçeğinin teorik çalışmalara sakıncalı olduğu ortaya çıktı.
Kelvin, termodinamik yasalarına dayanarak, termometrik cismin doğasından veya seçilen termometrik parametreden tamamen bağımsız olarak, mutlak sıcaklık ölçeği (şu anda termodinamik sıcaklık ölçeği veya Kelvin ölçeği olarak adlandırılmaktadır) olarak adlandırılan ölçeği oluşturmayı başardı. Ancak böyle bir ölçeğin oluşturulması ilkesi okul müfredatının ötesine geçmektedir. Bu konuyu başka değerlendirmeleri kullanarak ele alacağız.
Formül (2), bir sıcaklık ölçeği oluşturmanın iki olası yolunu ima eder: sabit bir hacimde belirli bir miktarda gazın basıncındaki bir değişikliğin kullanılması veya sabit bir basınçta hacimdeki bir değişikliğin kullanılması. Bu ölçeğe denir ideal gaz sıcaklık ölçeği.
Eşitlik (2) ile belirlenen sıcaklığa denir mutlak sıcaklık. Mutlak sıcaklık Τ negatif olamaz, çünkü eşitliğin sol tarafında açıkça pozitif nicelikler vardır (2) (daha doğrusu farklı işaretlere sahip olamaz; pozitif veya negatif olabilir. Bu, sabitin işaretinin seçimine bağlıdır) k. Üçlü noktanın sıcaklığının pozitif kabul edilmesi gerektiği konusunda anlaşmaya varıldığı için mutlak sıcaklık yalnızca pozitif olabilir). Bu nedenle mümkün olan en düşük sıcaklık değeri T= 0, basınç veya hacmin sıfır olduğu sıcaklıktır.
İdeal bir gazın basıncının sabit bir hacimde kaybolduğu veya ideal bir gazın hacminin sabit bir basınçta sıfıra yaklaştığı (yani gazın bir "nokta" halinde sıkıştırılması gerektiği) sınırlayıcı sıcaklığa denir. mutlak sıfır. Bu doğadaki en düşük sıcaklıktır.
Eşitlik (3)'ten, \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) dikkate alındığında, mutlak sıfırın fiziksel anlamı şu şekildedir: mutlak sıfır - moleküllerin termal öteleme hareketinin durması gereken sıcaklık. Mutlak sıfıra ulaşılamaz.
Uluslararası Birim Sistemi (SI) mutlak bir termodinamik sıcaklık ölçeği kullanır. Bu ölçekte mutlak sıfır sıfır sıcaklık olarak alınır. İkinci referans noktası su, buz ve doymuş buharın dinamik dengede olduğu sıcaklıktır; üçlü nokta olarak adlandırılır (Celcius ölçeğinde üçlü noktanın sıcaklığı 0,01 °C'dir). Kelvin (1 K ile sembolize edilir) adı verilen mutlak sıcaklığın her birimi, bir Santigrat derecesine eşittir.
Bir gaz termometresinin şişesini eriyen buza ve ardından normal atmosfer basıncındaki kaynar suya daldırarak, ikinci durumdaki gaz basıncının ilkinden 1,3661 kat daha yüksek olduğunu buldular. Bunu dikkate alarak ve formül (2)'yi kullanarak buzun erime sıcaklığının şu olduğunu belirleyebiliriz: T 0 = 273,15 K.
Aslında sıcaklık için denklem (2)'yi yazalım. T 0 buz erime ve su kaynama sıcaklığı ( T 0 + 100):
\(~\frac(p_1V)(N) = kT_0 ;\) \(~\frac(p_2V)(N) = k(T_0 + 100) .\)
İkinci denklemi birinciye bölerek şunu elde ederiz:
\(~\frac(p_2)(p_1) = \frac(T_0 + 100)(T_0) .\)
\(~T_0 = \frac(100)(\frac(p_2)(p_1) - 1) = \frac(100)(1,3661 - 1) = 273,15 K.\)
Şekil 2 Celsius ölçeğinin ve termodinamik ölçeğin şematik diyagramını göstermektedir.
> Mutlak sıfır
Neye eşit olduğunu öğrenin mutlak sıfır sıcaklık ve entropinin değeri. Celsius ve Kelvin ölçeklerinde mutlak sıfırın sıcaklığının ne olduğunu öğrenin.
Mutlak sıfır– minimum sıcaklık. Bu, entropinin en düşük değerine ulaştığı noktadır.
Öğrenme Hedefi
- Mutlak sıfırın neden sıfır noktasının doğal bir göstergesi olduğunu anlayın.
Ana noktalar
- Mutlak sıfır evrenseldir, yani bu göstergede tüm madde temel durumdadır.
- K kuantum mekaniksel sıfır enerjiye sahiptir. Ancak yorumda kinetik enerji sıfır olabilir ve termal enerji kaybolur.
- Laboratuvar koşullarındaki en düşük sıcaklık 10-12 K'ye ulaştı. Minimum doğal sıcaklık 1 K idi (Bumerang Bulutsusu'ndaki gazların genişlemesi).
Şartlar
- Entropi, bir sistemde enerjinin ne kadar düzgün dağıldığının bir ölçüsüdür.
- Termodinamik, ısıyı ve onun enerji ve iş ile ilişkisini inceleyen bir bilim dalıdır.
Mutlak sıfır, entropinin en düşük değerine ulaştığı minimum sıcaklıktır. Yani sistemde gözlemlenebilecek en küçük göstergedir. Bu evrensel bir kavramdır ve sıcaklık birimleri sisteminde sıfır noktası görevi görür.
Sabit hacimli farklı gazlar için basınç-sıcaklık grafiği. Tüm grafiklerin tek sıcaklıkta sıfır basınca göre tahmin edildiğine dikkat edin.
Mutlak sıfırdaki bir sistem hâlâ kuantum mekaniksel sıfır noktası enerjisine sahiptir. Belirsizlik ilkesine göre parçacıkların konumu mutlak doğrulukla belirlenemez. Bir parçacık mutlak sıfırda yer değiştirirse hâlâ minimum enerji rezervine sahiptir. Ancak klasik termodinamikte kinetik enerji sıfır olabilir ve termal enerji ortadan kaybolur.
Kelvin gibi bir termodinamik ölçeğin sıfır noktası mutlak sıfıra eşittir. Uluslararası anlaşma, mutlak sıfır sıcaklığının Kelvin ölçeğinde 0K'ye ve Santigrat ölçeğinde -273,15°C'ye ulaştığını tespit etmiştir. Madde minimum sıcaklıklarda süperiletkenlik ve süperakışkanlık gibi kuantum etkileri sergiliyor. Laboratuvar koşullarında en düşük sıcaklık 10-12 K ve doğal ortamda - 1 K (Bomerang Bulutsusu'ndaki gazların hızlı genleşmesi) idi.
Gazların hızlı genleşmesi minimum gözlemlenen sıcaklığa yol açar
Mutlak sıfır -273,15 °C sıcaklığa karşılık gelir.
Pratikte mutlak sıfıra ulaşılamayacağına inanılıyor. Sıcaklık ölçeğindeki varlığı ve konumu, gözlemlenen fiziksel olayların ekstrapolasyonundan kaynaklanır ve bu tür bir ekstrapolasyon, mutlak sıfırda, bir maddenin moleküllerinin ve atomlarının termal hareketinin enerjisinin, yani parçacıkların kaotik hareketinin sıfıra eşit olması gerektiğini gösterir. durur ve kristal kafesin düğümlerinde açık bir konum işgal ederek düzenli bir yapı oluştururlar. Ancak gerçekte mutlak sıfır sıcaklıkta bile maddeyi oluşturan parçacıkların düzenli hareketleri devam edecektir. Sıfır noktası salınımları gibi geri kalan salınımlar, parçacıkların kuantum özelliklerinden ve onları çevreleyen fiziksel boşluktan kaynaklanmaktadır.
Şu anda, fiziksel laboratuvarlarda mutlak sıfırı derecenin yalnızca birkaç milyonda biri kadar aşan sıcaklıkları elde etmek mümkün; termodinamik yasalarına göre bunu başarmak imkansızdır.
Notlar
Edebiyat
- G. Burmin. Mutlak sıfıra saldırı. - M.: “Çocuk Edebiyatı”, 1983.
Ayrıca bakınız
Wikimedia Vakfı.
2010.:Eş anlamlılar
Sıcaklıklar, termodinamik sıcaklık ölçeğinde sıcaklığın kökeni (bkz. TERMODİNAMİK SICAKLIK ÖLÇEĞİ). Mutlak sıfır, kabul edildiği suyun üçlü noktasının (bkz. ÜÇLÜ NOKTA) sıcaklığının 273,16 °C altındadır ... ... Ansiklopedik Sözlük
Sıcaklıklar, termodinamik sıcaklık ölçeğinde sıcaklığın kökeni. Mutlak sıfır, suyun üçlü nokta sıcaklığının (0,01°C) 273,16°C altındadır. Mutlak sıfıra temelde ulaşılamaz, sıcaklıklara neredeyse ulaşıldı... ... Modern ansiklopedi
Sıcaklıklar, termodinamik sıcaklık ölçeğinde sıcaklığın başlangıç noktasıdır. Mutlak sıfır, değeri 0.01.C olan suyun üçlü noktasının sıcaklığının 273.16.C altında bulunur. Mutlak sıfır temelde ulaşılamaz (bkz.... ... Büyük Ansiklopedik Sözlük
Isının yokluğunu ifade eden sıcaklık 218° C'ye eşittir. Rus dilinde yer alan yabancı kelimeler sözlüğü. Pavlenkov F., 1907. Mutlak sıfır sıcaklığı (fiziksel) - mümkün olan en düşük sıcaklık (273,15°C). Büyük sözlük... ... Rus dilinin yabancı kelimeler sözlüğü
mutlak sıfır- Moleküllerin termal hareketinin durduğu son derece düşük sıcaklık; Kelvin ölçeğinde mutlak sıfır (0°K), –273,16±0,01°C'ye karşılık gelir... Coğrafya Sözlüğü
İsim, eşanlamlıların sayısı: 15 yuvarlak sıfır (8) küçük adam (32) küçük kızartma... Eşanlamlılar sözlüğü
Moleküllerin termal hareketinin durduğu son derece düşük sıcaklık. Boyle-Mariotte yasasına göre ideal bir gazın basıncı ve hacmi sıfıra eşit olur ve Kelvin ölçeğinde mutlak sıcaklığın başlangıcı ... ... Ekolojik sözlük
mutlak sıfır- - [A.S. İngilizce-Rusça enerji sözlüğü. 2006] Genel olarak enerji konuları EN sıfır noktası ... Teknik Çevirmen Kılavuzu
Mutlak sıcaklık referansının başlangıcı. 273,16° C'ye karşılık gelir. Şu anda fiziksel laboratuvarlarda mutlak sıfırı derecenin yalnızca birkaç milyonda biri kadar aşan bir sıcaklık elde etmek ve bunu başarmak yasalara uygun olarak mümkün olmuştur... ... Collier Ansiklopedisi
mutlak sıfır- T sritis standart ve metroloji uygulamalarının mutlak durumu Termodinamik sıcaklıklar, en yüksek değerde 273.16 K üç değere sahiptir. Tai 273,16 °C, 459,69 °F 0 K sıcaklığa sahiptir. atitikmenys: türkçe.… … Metrologijos terminų žodynas'ın kullanımı
mutlak sıfır- absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). atitikmenys: ingilizce. mutlak sıfır rus. mutlak sıfır... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas