Фізичне поняття "абсолютний нуль температури" має для сучасної науки дуже важливе значення: з ним тісно пов'язане таке поняття, як надпровідність, відкриття якої справило справжній фурор у другій половині ХХ століття.
Щоб зрозуміти, що таке абсолютний нуль, слід звернутися до робіт таких відомих фізиків, як Р. Фаренгейт, А. Цельсій, Ж. Гей-Люссак і У. Томсон. Саме вони відіграли ключову роль у створенні основних температурних шкал, що використовуються досі.
Першим свою температурну шкалу запропонував 1714 року німецький фізик Г. Фаренгейт. При цьому за абсолютний нуль, тобто за найнижчу точку цієї шкали, була прийнята температура суміші, яка включала сніг і нашатир. Наступним важливим показником стала яка дорівнювала 1000. Відповідно, кожен розподіл цієї шкали отримав назву «градус Фаренгейта», а сама шкала - «шкали Фаренгейта».
Через 30 років шведський астроном А. Цельсій запропонував свою температурну шкалу, де основними точками стали температура танення льоду та води. Ця шкала отримала назву «шкали Цельсія», вона й досі популярна у більшості країн світу, у тому числі й у Росії.
У 1802 році, проводячи свої знамениті досліди, французький вчений Ж. Гей-Люссак виявив, що обсяг маси газу при постійному тиску перебуває у прямій залежності від температури. Але найцікавіше полягало в тому, що при зміні температури на 10 за шкалою Цельсія обсяг газу збільшувався або зменшувався на одну і ту ж величину. Зробивши необхідні обчислення, Гей-Люссак встановив, що ця величина дорівнювала 1/273 від обсягу газу при температурі, що дорівнює 0С.
З цього закону випливав висновок, що напрошується: температура, рівна -2730С, є найменшою температурою, навіть підійшовши до якої впритул, досягти її неможливо. Саме ця температура отримала назву "абсолютний нуль температури".
Більш того, абсолютний нуль став відправною точкою для створення шкали абсолютної температури, активну участь в якій взяв англійський фізик У. Томсон, відомий також як лорд Кельвін.
Його основне дослідження стосувалося доказу того, що жодне тіло в природі не може бути охолодженим нижче, ніж абсолютний нуль. При цьому він активно використовував другий тому, введена ним в 1848 абсолютна шкала температур стала називатися термодинамічної або «шкалою Кельвіна».
У роки і десятиліття відбувалося лише числове уточнення поняття «абсолютний нуль», яке після численних узгоджень стало вважатися рівним -273,150С.
Варто також звернути увагу, що абсолютний нуль відіграє дуже важливу роль у цій справі в тому, що в 1960 році на черговій Генеральній конференції з мір і ваг одиниця термодинамічної температури - кельвін - стала однією з шести основних одиниць вимірювань. При цьому спеціально зазначалося, що один градус Кельвіна чисельно дорівнює одному тільки ось точкою відліку «за Кельвіном» прийнято вважати абсолютний нуль, тобто -273,150С.
Основний фізичний зміст абсолютного нуля полягає в тому, що, згідно з основними фізичними законами, при такій температурі енергія руху елементарних частинок, таких як атоми і молекули, дорівнює нулю, і в цьому випадку має припинитися будь-який хаотичний рух цих часток. При температурі, що дорівнює абсолютному нулю, атоми та молекули повинні зайняти чітке положення в основних пунктах кристалічних ґрат, утворюючи впорядковану систему.
В даний час, використовуючи спеціальне обладнання, вчені змогли отримати температуру, яка лише на кілька мільйонних часток перевищує абсолютний нуль. Досягти ж цієї величини фізично неможливо через описаного вище другого закону термодинаміки.
Коли у зведенні погоди пророкують температуру близько нуля, на ковзанку йти не варто: лід танутиме. Температура танення льоду прийнята за нуль градусів за шкалою Цельсія - найпоширенішою температурною шкалою.
Нам чудово знайомі негативні градуси шкали Цельсія - градуси<ниже
нуля>, градуси холоду. Найнижча температура Землі була зареєстрована Антарктиді: -88,3°Ц. Поза Землею можливі ще більш низькі температури: на поверхні Місяця в місячну північ буває до - 160°Ц.
Але ніде не можуть існувати скільки завгодно низькі температури. Гранично низька температура – абсолютний нуль – за шкалою Цельсія відповідає – 273,16°.
Від абсолютного нуля бере початок абсолютна температурна шкала, шкала Кельвіна. Лід тане при 273,16 ° Кельвіна, а вода кипить при 373,16 ° К. Таким чином, градус До дорівнює градусу Ц. Але за шкалою Кельвіна всі температури позитивні.
Чому ж 0 ° К - межа холоду?
Тепло - хаотичний рух атомів та молекул речовини. Коли речовину охолоджують, у неї забирають теплову енергію, і при цьому безладний рух частинок слабшає. Зрештою, при сильному охолодженні, теплова<пляска>частинок майже повністю припиняється. Цілком завмерли б атоми і молекули при температурі, яка і прийнята за абсолютний нуль. Згідно з принципами квантової механіки, при абсолютному нулі припинився б саме тепловий рух частинок, але самі частки не завмерли б, оскільки вони не можуть бути в спокої. Таким чином, при абсолютному нулі частинки все ж таки повинні зберігати якийсь рух, який називають нульовим.
Однак охолодити речовину до температури нижче абсолютного нуля - задум настільки ж безглуздий, як, скажімо, намір<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Більше того, навіть досягти точного абсолютного нуля практично також неможливо. До нього можна лише наблизитись. Тому що ніякими способами не можна відібрати у речовини абсолютно всю теплову енергію. Деяка частка теплової енергії залишається при найглибшому охолодженні.
Як досягають наднизьких температур?
Заморозити речовину складніше, аніж нагріти. Це видно хоча б із порівняння пристрою печі та холодильника.
У більшості побутових та промислових холодильників тепло віднімається завдяки випаровуванню особливої рідини - фреону, який циркулює по металевих трубках. Секрет у тому, що фреон може перебувати в рідкому стані лише за досить низької температури. У холодильній камері за рахунок тепла камери він нагрівається і кипить, перетворюючись на пару. Але пара стискається компресором, зріджується і надходить у випарник, заповнюючи спад фреону, що випаровується. Енергія витрачається працювати компресора.
В апаратах глибокого охолодження носієм холоду служить надхолодна рідина – рідкий гелій. Безбарвний, легкий (у 8 разів легший за воду), він кипить під атмосферним тиском при 4,2°К, а у вакуумі - при 0,7°К. Ще нижчу температуру дає легкий ізотоп гелію: 0,3 ° До.
Влаштувати гелієвий холодильник, що постійно діє, досить складно. Дослідження проводяться просто у ваннах з рідким гелієм. А щоб скрапити цей газ, фізики користуються різними прийомами. Наприклад, розширюють попередньо охолоджений і стислий гелій, випускаючи його через тонкий отвір у вакуумну камеру. При цьому температура ще знижується і деяка частина газу перетворюється на рідину. Ефективніше не лише розширювати охолоджений газ, а й змусити його виконувати роботу - рухати поршень.
Отриманий рідкий гелій зберігають у спеціальних термосах – судинах Дьюара. Вартість цієї холодної рідини (єдиної не замерзаючої у абсолютного нуля) виходить досить високою. Проте рідкий гелій у наші дні використовується дедалі ширше, як у науці, а й у різних технічних пристроях.
Найнижчих температур вдалося досягти іншим способом. Виявляється, молекули деяких солей, наприклад хромокалієвих галунів, можуть повертатися вздовж силових магнітних ліній. Таку сіль попередньо охолоджують рідким гелієм до 1°К і поміщають у сильне магнітне поле. При цьому молекули повертаються вздовж силових ліній, а тепло, що виділилося, відбирається рідким гелієм. Потім магнітне поле різко знімають, молекули знову повертаються в різні боки, а витрачена
на це робота веде до подальшого охолодження солі. Так отримали температуру 0,001° К. Подібним у принципі методом, застосовуючи інші речовини, можна отримати ще нижчу температуру.
Найнижча температура, отримана поки Землі, дорівнює 0,00001° До.
Речовина, заморожена до наднизьких температур у ваннах із рідким гелієм, помітно змінюється. Гума стає крихкою, свинець - твердим, як сталь, і пружним, багато сплавів збільшують міцність.
Своєрідно поводиться сам рідкий гелій. При температурі нижче 2,2° До він набуває небувале для звичайних рідин властивість - надплинність: деяка його частина повністю втрачає в'язкість і без будь-якого тертя протікає крізь вузькі щілини.
Явище це, відкрите 1937 р. радянським фізиком академіком П. JI. Капицею, потім було пояснено академіком JI. Д. Ландау.
Виявляється, при наднизьких температурах починають помітно позначатися квантові закони поведінки речовини. Як вимагає один із таких законів, від тіла до тіла енергія може передаватися лише цілком певними порціями-квантами. У рідкому гелії так мало квантів тепла, що на всі атоми їх не вистачає. Частина рідини, позбавлена квантів тепла, перебуває при абсолютному нулі температури, її атоми зовсім не беруть участь у безладному тепловому русі і не взаємодіють зі стінками судини. Ця частина (її назвали гелієм-Н) і має надплинність. Зі зниженням температури гелію-П стає все більше, і при абсолютному нулі весь гелій перетворився б на гелій-Н.
Надплинність зараз вивчена дуже докладно і навіть знайшла корисне практичне застосування: за її допомогою вдається розділяти ізотопи гелію.
Біля абсолютного нуля надзвичайно цікаві зміни відбуваються з електричними властивостями деяких матеріалів.
У 1911 р. голландський фізик Камерлінг-Оннес зробив несподіване відкриття: виявилося, що за температури 4,12° До ртуті повністю зникає електричний опір. Ртуть стає надпровідником. Електричний струм, наведений у надпровідному кільці, не згасає і може текти майже завжди.
Над таким кільцем надпровідна кулька паритиме в повітрі і не падатиме, ніби казкова<гроб Магомета>, тому що його вага компенсується магнітним відштовхуванням між кільцем і кулькою. Адже струм, що незагасає, в кільці створить магнітне поле, а воно, у свою чергу, наведе в кульці електричний струм і разом з ним протилежно спрямоване магнітне поле.
Крім ртуті, надпровідністю біля абсолютного нуля мають олово, свинець, цинк, алюміній. Ця властивість виявлена у 23 елементів та більше ста різних сплавів та інших хімічних сполук.
Температури появи надпровідності (критичні температури) становлять досить широкий інтервал - від 0,35 ° К (гафній) до 18 ° К (сплав ніобій-олово).
Явище надпровідності, як і понад-
плинності, докладно вивчено. Знайдено залежності критичних температур від внутрішньої структури матеріалів та зовнішнього магнітного поля. Розроблено глибоку теорію надпровідності (важливий внесок внесено радянським ученим академіком Н. Н. Боголюбовим).
Сутність цього парадоксального явища знову ж таки суто квантова. При наднизьких температурах електрони в
надпровіднику утворюють систему попарно зв'язаних частинок, які не можуть віддавати енергію кристалічних ґрат, витрачати кванти енергії на її нагрівання. Пари електронів рухаються, як би<танцуя>, між<прутьями решетки>- іонами та обходять їх без зіткнень та передачі енергії.
Надпровідність все ширше використовується у техніці.
Входять до практики, наприклад, надпровідні соленоїди - котушки з надпровідника, занурені в рідкий гелій. У них скільки завгодно довго може зберігатися одного разу наведений струм і, отже, магнітне поле. Воно може досягати гігантської величини – понад 100 ТОВ Ерстед. У майбутньому, безперечно, з'являться потужні промислові надпровідні пристрої - електродвигуни, електромагніти і т.д.
У радіоелектроніці чималу роль починають грати надчутливі підсилювачі та генератори електромагнітних хвиль, які особливо добре діють у ваннах з рідким гелієм, – там повністю зникають внутрішні<шумы>апаратури. В електронно-обчислювальній техніці блискуче майбутнє обіцяють малопотужним надпровідним перемикачам - кріотронам (див. ст.<Пути электроники>).
Неважко уявити собі, наскільки привабливо було б просунути дію подібних приладів в область вищих, доступніших температур. Останнім часом відкривається надія створення полімерних плівкових надпровідників. Своєрідний характер електропровідності в таких матеріалах обіцяє блискучу можливість зберегти надпровідність навіть за кімнатних температур. Вчені наполегливо шукають шляхи здійснення цієї надії.
А тепер заглянемо в царство найгарячішого, що є на світі, - у надра зірок. Туди, де температури сягають мільйонів градусів.
Безладний тепловий рух у зірках настільки інтенсивний, що цілі атоми там існувати не можуть: вони руйнуються у незліченних зіткненнях.
Така сильно розпечена речовина тому не може бути ні твердою, ні рідкою, ні газоподібною. Воно перебуває у стані плазми, тобто суміші електрично заряджених<осколков>атомів - атомних ядер та електронів.
Плазма – своєрідний стан речовини. Оскільки її частинки електрично заряджені, вони чуйно підкоряються електричним та магнітним силам. Тому близьке сусідство двох атомних ядер (вони несуть позитивний заряд) – явище рідкісне. Лише при високих щільностях і величезних температурах атомні ядра, що налітають один на одного, здатні зблизитися впритул. Тоді відбуваються термоядерні реакції - джерело енергії зірок.
Найближча до нас зірка – Сонце складається головним чином із водневої плазми, яка розпечена у надрах світила до 10 млн. градусів. За таких умов тісні зближення швидких водневих ядер – протонів хоч і рідко, але трапляються. Іноді протони, що зблизилися, вступають у взаємодію: подолавши електричне відштовхування, вони потрапляють у владу гігантських ядерних сил тяжіння, стрімко<падают>один на одного і зливаються. Тут відбувається миттєва перебудова: замість двох протонів з'являються дейтрон (ядро важкого ізотопу водню), позитрон та нейтрино. Звільняється енергія 0,46 млн. електрон-вольт (МЕВ).
Кожен окремий сонячний протон може вступити в таку реакцію в середньому один раз за 14 млрд. років. Але протонів у надрах світила так багато, що то тут, то там відбувається ця малоймовірна подія, – і горить наша зірка своїм рівним, сліпучим полум'ям.
Синтез дейтронів лише перший крок сонячних термоядерних перетворень. Новонароджений дейтрон дуже скоро (у середньому через 5,7 сек) з'єднується ще з одним протоном. Виникає ядро легкого гелію та гамма-квант електромагнітного випромінювання. Звільняється 5,48 МеВ енергії.
Нарешті, в середньому раз на мільйон років можуть зійтись і з'єднатися два ядра легкого гелію. Тоді утворюється ядро звичайного гелію (альфа-частка) і відщеплюються два протони. Виділяється 12,85 МеВ енергії.
Цей триступінчастий<конвейер>термоядерних реакцій не єдиний. Існує й інший ланцюжок ядерних перетворень, швидших. У ній беруть участь (не витрачаючись) атомні ядра вуглецю та азоту. Але в обох випадках з водневих ядер синтезуються альфа-частинки. Фігурально кажучи, воднева плазма Сонця<сгорает>, перетворюючись на<золу>- Плазму гелію. І у процесі синтезу кожного грама гелієвої плазми виділяється 175 тис. кВт-год енергії. Величезна кількість!
Щомиті Сонце випромінює 4 1033 ерг енергії, втрачаючи у вазі 4 1012 г (4 млн. т) речовини. Але повна маса Сонця 2 1027 т. Значить, за мільйон років завдяки випромінюванню Сонце<худеет>лише на одну десятимільйонну частину своєї маси. Ці цифри промовисто ілюструють ефективність термоядерних реакцій та гігантську калорійність сонячного.<горючего>- Водню.
Термоядерний синтез, мабуть, головне джерело енергії всіх зірок. За різних температур і щільностей зоряних надр здійснюються різні типи реакцій. Зокрема, сонячна<зола>-ядра гелію – при 100 млн. градусів сама стає термоядерним<горючим>. Тоді з альфа-часток можуть синтезуватися ще важчі атомні ядра - вуглецю і навіть кисню.
Як вважають багато вчених, вся наша Метагалактика в цілому також плід термоядерного синтезу, який проходив за температури в мільярд градусів (див. ст.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Надзвичайна калорійність термоядерного<горючего>спонукала вчених домагатися штучного здійснення реакцій ядерного синтезу.
<Горючего>- Ізотопів водню на нашій планеті чимало. Наприклад, надважкий водень тритій можна отримати з металу літію в ядерних реакторах. А важкий водень – дейтерій входить до складу важкої води, яку можна видобути із звичайної води.
Тяжкий водень, витягнутий із двох склянок звичайної води, дав би в термоядерному реакторі стільки енергії, скільки зараз дає спалювання бочки першосортного бензину.
Труднощі в тому, щоб попередньо нагріти<горючее>до температур, при яких воно здатне спалахнути могутнім термоядерним вогнем.
Вперше це завдання було вирішено у водневій бомбі. Ізотопи водню там підпалюються вибухом атомної бомби, що супроводжується нагріванням речовини до багатьох десятків мільйонів градусів. В одному з варіантів водневої бомби термоядерним пальним служить хімічне з'єднання важкого водню з легким літієм - дейтерид легкого л і т і я. Цей білий порошок, схожий на столову сіль,<воспламеняясь>від<спички>, Якою служить атомна бомба, миттєво вибухає і створює температуру в сотні мільйонів градусів.
Щоб порушити мирну термоядерну реакцію, треба насамперед навчитися без послуг атомної бомби розігрівати малі дози досить щільної плазми ізотопів водню до температур сотні мільйонів градусів. Ця проблема - одна з найважчих у сучасній прикладній фізиці. Над нею вже багато років працюють вчені з усього світу.
Ми вже говорили, що саме хаотичний рух частинок створює нагрітість тіл, причому середня енергія їхнього безладного руху відповідає температурі. Нагріти холодне тіло - означає будь-яким способом створити цей безлад.
Уявіть, що дві групи бігунів стрімко мчать назустріч один одному. Ось вони зіткнулися, перемішалися, почалася штовханина, плутанина. Чудовий безлад!
Приблизно так само фізики спочатку намагалися отримати високу температуру - шляхом зіштовхування газових струменів високого тиску. Газ нагрівався до 10 тисяч градусів. Свого часу це був рекорд: температура вища, ніж на поверхні Сонця.
Але при цьому способі подальший, досить повільний, не вибуховий нагрівання газу неможливий, так як тепловий безлад миттєво поширюється на всі боки, зігріваючи стінки експериментальної камери і навколишнє середовище. Отримане тепло швидко залишає систему і ізолювати її неможливо.
Якщо струменя газу замінити потоками плазми, проблема теплоізоляції залишається дуже важкою, але відкривається надія на її вирішення.
Щоправда, і плазму не можна захистити від втрат тепла судинами, виготовленими з речовини навіть найтугоплавкішого. Торкаючись твердих стінок, гаряча плазма негайно остигає. Зате можна спробувати втримати і розігріти плазму, створивши її скупчення у вакуумі так, щоб вона не торкалася стін камери, а висіла в порожнечі, ні до чого не торкаючись. Тут слід користуватися тим, що частки плазми не нейтральні, як атоми газу, а електрично заряджені. Тому у русі вони піддаються дії магнітних сил. Виникає завдання: влаштувати магнітне поле особливої конфігурації, в якому гаряча плазма висіла б як у мішку з невидимими стінками.
Найпростіший вид такого п.еля створюється автоматично, коли через плазму пропускають сильні імпульси електричного струму. Навколо плазмового шнура у своїй наводяться магнітні сили, які прагнуть стиснути шнур. Плазма відокремлюється від стінок розрядної трубки, і в осі шнура в товсті частинок температура піднімається до 2 млн. градусів.
У нашій країні такі експерименти були виконані ще 1950 р. під керівництвом академіків JI. А. Арцимовича та М. А. Леонтовича.
Інший напрямок дослідів - використання магнітної пляшки, запропонованої 1952 р. радянським фізиком Г. І. Буд-кером, нині академіком. Магнітна пляшка влаштовується в пробкотроні - циліндричної вакуумної камери, з зовнішньою обмоткою, яка згущується біля кінців камери. Струм, що протікає по обмотці, створює в камері магнітне поле. Його силові лінії в середній частині розташовуються паралельно утворюючим циліндра, а в кінці стискаються і утворюють магнітні пробки. Частинки плазми, впорхнутої в магнітну пляшку, в'ються навколо силових ліній, відбиваються від пробок. В результаті плазма деякий час утримується усередині пляшки. Якщо енергія введених у пляшку плазмових частинок досить велика і їх досить багато, вони вступають у складні силові взаємодії, їх спочатку упорядкований рух заплутується, стає безладним – температура водневих ядер піднімається до десятків мільйонів градусів.
Додаткове нагрівання досягається електромагнітними<ударами>по плазмі, стисненням магнітного поля тощо. буд. Зараз плазму ядер важкого водню розжарюють до сотень мільйонів градусів. Щоправда, це вдається зробити або на короткий час, або за малої щільності плазми.
Щоб порушити реакцію, що самопідтримується, належить далі підняти температуру і щільність плазми. Домогтися цього важко. Однак проблема, як переконані вчені, безперечно вирішувана.
Г.Б. Анфілов
Розміщення фотографій та цитування статей з нашого сайту на інших ресурсах дозволяється за умови вказівки посилання на першоджерело та фотографії.
Граничну температуру, коли обсяг ідеального газу стає рівним нулю, приймають за абсолютний нуль температури. Однак обсяг реальних газів за абсолютного нуля температури звертатися в нуль не може. Чи має сенс це граничне значення температури?
Гранична температура, існування якої випливає із закону Гей-Люссака, має сенс, тому що практично можна наблизити властивості реального газу до властивостей ідеального. Для цього треба брати більш розріджений газ, так щоб його щільність прагнула до нуля. У такого газу дійсно обсяг зі зниженням температури прагнутиме граничного, близького до нуля.
Знайдемо значення абсолютного нуля за шкалою Цельсія. Прирівнюючи обсяг Vвформулі (3.6.4) нулю та враховуючи, що
Звідси абсолютний нуль температури дорівнює
* Точніше значення абсолютного нуля: -273,15 °С.
Це гранична, найнижча температура у природі, той «найбільший чи останній ступінь холоду», існування якої передбачив Ломоносов.
Шкала Кельвіна
Кельвін Вільям (Томсон У.) (1824-1907) - видатний англійський фізик, один із засновників термодинаміки та молекулярно-кінетичної теорії газів.
Кельвін ввів абсолютну шкалу температур і дав одне з формулювань другого початку термодинаміки у формі неможливості повного перетворення теплоти на роботу. Він розрахував розміри молекул на основі вимірювання поверхневої енергії рідини. У зв'язку з прокладання трансатлантичного телеграфного кабелю Кельвін розробив теорію електромагнітних коливань і вивів формулу для періоду вільних коливань у контурі. За наукові нагороди У. Томсон отримав титул лорда Кельвіна.
Англійський учений У. Кельвін запровадив абсолютну шкалу температур. Нульова температура за шкалою Кельвіна відповідає абсолютному нулю, і одиниця температури за шкалою дорівнює градусу за шкалою Цельсія, тому абсолютна температура Тпов'язана з температурою за шкалою Цельсія формулою
(3.7.6)
На малюнку 3.11 для порівняння зображені абсолютна шкала та шкала Цельсія.
Одиниця абсолютної температури в СІ називається кельвіном (скорочено К). Отже, один градус за шкалою Цельсія дорівнює одному градусу за шкалою Кельвіна: 1°С = 1К.
Таким чином, абсолютна температура за визначенням, що дається формулою (3.7.6), є похідною величиною, яка залежить від температури Цельсія і від експериментально визначеного значення а. Однак вона має фундаментальне значення.
З погляду молекулярно-кінетичної теорії абсолютна температура пов'язана із середньою кінетичною енергією хаотичного руху атомів чи молекул. При Т =ОК тепловий рух молекул припиняється. Докладніше про це йтиметься у розділі 4.
Залежність об'єму від абсолютної температури
Застосовуючи шкалу Кельвіна, закон Гей-Люссака (3.6.4) можна записати у простішій формі. Бо
(3.7.7)
Об'єм газу даної маси при постійному тиску прямо пропорційний до абсолютної температури.
Звідси випливає, що відношення обсягів газу однієї і тієї ж маси в різних станах при тому самому тиску дорівнює відношенню абсолютних температур:
(3.7.8)
Існує мінімально можлива температура, коли обсяг (і тиск) ідеального газу перетворюються на нуль. Це абсолютний нуль температури:-273 °С. Зручно відлічувати температуру від абсолютного нуля. Так будується абсолютна шкала температури.
> Абсолютний нуль
Вивчіть, чому дорівнює абсолютний нуль температурита значення ентропії. Дізнайтеся, чому дорівнює температура абсолютного нуля за шкалою Цельсія та Кельвіна.
Абсолютний нуль- Мінімальна температура. Це позначка, коли він ентропія досягає найменшого значення.
Завдання навчання
- Розібратися в тому, чому абсолютний нуль є природним показником нульової точки.
Основні пункти
- Абсолютний нуль виступає універсальним, тобто вся матерія перебуває в основному стані при цьому показнику.
- До володіє квантово-механічною нульовою енергією. Але в інтерпретації кінетична енергія може бути нульовою, а теплова зникає.
- Максимально низька температура у лабораторних умовах досягла 10-12 К. Мінімальна природна – 1К (розширення газів у туманності Бумеранг).
Терміни
- Ентропія – міра того, як рівномірна енергія розташовується у системі.
- Термодинаміка – галузь у науці, що вивчає тепло та його співвідношення з енергією та роботою.
Абсолютний нуль – мінімальна температура, коли він ентропія досягає найменшого значення. Тобто це найменший показник, який можна спостерігати в системі. Це універсальне поняття та виступає нульовою точкою в системі одиниць температури.
Графік залежності тиску від температури для різних газів із постійним об'ємом. Зауважте, що всі графіки екстраполюються до нульового тиску за однієї температури
Система в абсолютному нулі все ще має квантово-механічну нульову енергію. Відповідно до принципу невизначеності, становище частинок не можна визначити з абсолютною точністю. Якщо частинка зміщується в абсолютному нулі, то все ще має мінімальний енергетичний запас. Але в класичній термодинаміці кінетична енергія може бути нульовою, а теплова зникає.
Нульова точка термодинамічної шкали на кшталт Кельвіна прирівнюється до абсолютного нуля. Міжнародна угода встановила, що температура абсолютного нуля досягає 0K за шкалою Кельвіна та -273.15°C за шкалою Цельсія. Речовина при мінімальних температурних показниках виявляє квантові ефекти, на кшталт надпровідності та надплинності. Найбільш низька температура у лабораторних умовах становила 10-12 K, а природному середовищі – 1K (швидке розширення газів у туманності Бумеранг).
Стрімке розширення газів призводить до мінімальної температури, що спостерігається.
Абсолютному нулю відповідає температура -273,15 °C.
Вважається, що абсолютний нуль практично недосяжний. Його існування і положення на температурній шкалі випливає з екстраполяції фізичних явищ, що спостерігаються, при цьому така екстраполяція показує, що при абсолютному нулі енергія теплового руху молекул і атомів речовини повинна дорівнювати нулю, тобто хаотичний рух частинок припиняється, і вони утворюють впорядковану структуру, займаючи точне положення у вузлах кристалічної решітки. Однак, насправді, навіть при абсолютному нулі температури регулярні рухи складових речовин частинок залишаться. Коливання, що залишилися, наприклад нульові коливання , обумовлені квантовими властивостями частинок і фізичного вакууму , їх навколишнього.
В даний час у фізичних лабораторіях вдалося отримати температуру, що перевищує абсолютний нуль всього на кілька мільйонів часток градуса; досягти його самого, згідно із законами термодинаміки, неможливо.
Примітки
Література
- Р. Бурмін. Штурм абсолютного нуля. - М: «Дитяча література», 1983.
також
Wikimedia Foundation. 2010 .
Синоніми:Дивитись що таке "Абсолютний нуль" в інших словниках:
Температури, початок відліку температури за термодинамічною температурною шкалою (див. ТЕРМОДИНАМІЧНА ТЕМПЕРАТУРНА ШКАЛА). Абсолютний нуль розташований на 273,16 °С нижче температури потрійної точки (див. ТРІЙНА ТОЧКА) води, для якої прийнято… … Енциклопедичний словник
Температури, початок відліку температури за термодинамічною температурною шкалою. Абсолютний нуль розташований на 273,16 шC нижче температури потрійної точки води (0,01 шC). Абсолютний нуль принципово недосяжний, практично досягнуті температури, … Сучасна енциклопедія
Температури почало відліку температури за термодинамічною температурною шкалою. Абсолютний нуль розташований на 273,16 .З нижче температури потрійної точки води, на яку прийнято значення 0,01 .С. Абсолютний нуль принципово недосяжний (див.… … Великий Енциклопедичний словник
Температура, що виражає відсутність теплоти, дорівнює 218 ° Ц. Словник іноземних слів, що увійшли до складу російської мови. Павленков Ф., 1907. абсолютний нуль температури (фіз.) - Найнижча можлива температура (273,15 ° C). Великий словник. Словник іноземних слів російської мови
абсолютний нуль- гранично низька температура, при якій припиняється тепловий рух молекул, у шкалі Кельвіна абсолютний нуль (0°К) відповідає –273,16±0,01°С. Словник з географії
Сущ., кіл у синонімів: 15 круглий нуль (8) невелика людина (32) дрібна сошка … Словник синонімів
Гранично низька температура, коли він припиняється тепловий рух молекул. Тиск та обсяг ідеального газу, згідно із законом Бойля Маріотта, стає рівним нулю, а за початок відліку абсолютної температури за шкалою Кельвіна приймається. Екологічний словник
абсолютний нуль- - [А.С.Гольдберг. Англо-російський енергетичний словник. 2006 р.] Тематики енергетика загалом EN zeropoint … Довідник технічного перекладача
Початок відліку абсолютної температури. Відповідає 273,16 ° С. В даний час у фізичних лабораторіях вдалося отримати температуру, що перевищує абсолютний нуль всього на кілька мільйонних часток градуса, досягти ж його, згідно законам ... Енциклопедія Кольєра
абсолютний нуль- absoliutusis 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: angl. Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
абсолютний нуль- absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). atitikmenys: англ. absolute zero rus. абсолютний нуль. Chemijos terminų aiškinamasis žodynas