Naukowcy stworzyli gaz o temperaturze poniżej zera absolutnego. Co to jest zero absolutne i czy można je osiągnąć w skali Kelvina?

Fizyczne pojęcie „temperatury zera absolutnego” jest bardzo ważne dla współczesnej nauki: jest ściśle powiązane z takim pojęciem jak nadprzewodnictwo, którego odkrycie wywołało prawdziwą sensację w drugiej połowie XX wieku.

Aby zrozumieć, czym jest zero absolutne, warto sięgnąć do prac takich znanych fizyków, jak G. Fahrenheit, A. Celsjusza, J. Gay-Lussac i W. Thomson. Odegrali kluczową rolę w stworzeniu głównych skal temperatury, które są nadal używane.

Pierwszym, który zaproponował swoją skalę temperatur, był niemiecki fizyk G. Fahrenheit w 1714 roku. Jednocześnie temperaturę mieszaniny zawierającej śnieg i amoniak przyjęto jako zero absolutne, czyli najniższy punkt tej skali. Kolejnym ważnym wskaźnikiem był współczynnik równy 1000. W związku z tym każdy podział tej skali nazwano „stopniem Fahrenheita”, a samą skalę nazwano „skalą Fahrenheita”.

30 lat później szwedzki astronom A. Celsjusza zaproponował własną skalę temperatur, w której głównymi punktami była temperatura topnienia lodu i wody. Skalę tę nazwano „skalą Celsjusza”; nadal jest ona popularna w większości krajów świata, w tym w Rosji.

W 1802 roku, przeprowadzając swoje słynne eksperymenty, francuski naukowiec J. Gay-Lussac odkrył, że objętość gazu pod stałym ciśnieniem zależy bezpośrednio od temperatury. Ale najciekawsze było to, że gdy temperatura zmieniła się o 10 stopni Celsjusza, objętość gazu wzrosła lub zmniejszyła się o tę samą ilość. Po dokonaniu niezbędnych obliczeń Gay-Lussac stwierdził, że wartość ta jest równa 1/273 objętości gazu w temperaturze 0°C.

Prawo to prowadzi do oczywistego wniosku: temperatura równa -2730C to najniższa temperatura, nawet jeśli się do niej zbliżysz, nie da się jej osiągnąć. Tę temperaturę nazywa się „temperaturą zera absolutnego”.

Co więcej, zero absolutne stało się punktem wyjścia do stworzenia absolutnej skali temperatury, w której aktywny udział wziął angielski fizyk W. Thomson, znany również jako Lord Kelvin.

Jego główne badania dotyczyły udowodnienia, że żadnego ciała w przyrodzie nie można schłodzić poniżej zera absolutnego. Jednocześnie aktywnie korzystał z drugiej, dlatego wprowadzoną przez niego w 1848 r. bezwzględną skalę temperatury zaczęto nazywać termodynamiczną lub „skalą Kelvina”.

W kolejnych latach i dziesięcioleciach doszło jedynie do numerycznego wyjaśnienia pojęcia „zera absolutnego”, które po licznych porozumieniach zaczęto uważać za równe -273,150C.

Warto też zaznaczyć, że bardzo ważną rolę odgrywa zero absolutne. Cała rzecz w tym, że w roku 1960 na kolejnej Generalnej Konferencji Miar i Wag jednostka temperatury termodynamicznej – kelwin – stała się jedną z sześciu podstawowych jednostek miary . Jednocześnie specjalnie zastrzeżono, że jeden stopień Kelvina jest liczbowo równy jeden, ale za punkt odniesienia „według Kelvina” zwykle uważa się zero absolutne, czyli -273,150C.

Główne fizyczne znaczenie zera absolutnego polega na tym, że zgodnie z podstawowymi prawami fizyki, w takiej temperaturze energia ruchu cząstek elementarnych, takich jak atomy i cząsteczki, wynosi zero i w tym przypadku każdy chaotyczny ruch tych samych cząstek powinien przerwać. W temperaturze równej zeru absolutnemu atomy i cząsteczki muszą zająć wyraźną pozycję w głównych punktach sieci krystalicznej, tworząc uporządkowany układ.

Obecnie, korzystając ze specjalnego sprzętu, naukowcom udało się uzyskać temperatury o zaledwie kilka części na milion powyżej zera absolutnego. Osiągnięcie tej wartości jest fizycznie niemożliwe ze względu na opisaną powyżej drugą zasadę termodynamiki.

Termin „temperatura” pojawił się w czasach, gdy fizycy uważali, że ciała ciepłe składają się z większej ilości określonej substancji – kalorycznej – niż te same ciała, ale zimne. Natomiast temperaturę interpretowano jako wartość odpowiadającą ilości kalorii w organizmie. Od tego czasu temperaturę każdego ciała mierzy się w stopniach. Ale tak naprawdę jest to miara energii kinetycznej poruszających się cząsteczek i na tej podstawie należy ją mierzyć w dżulach, zgodnie z Układem Jednostek C.

Pojęcie „temperatury zera absolutnego” wywodzi się z drugiej zasady termodynamiki. Według niej proces przenoszenia ciepła z ciała zimnego do gorącego jest niemożliwy. Koncepcję tę wprowadził angielski fizyk W. Thomson. Za osiągnięcia w fizyce nadano mu tytuł szlachecki „Lord” i tytuł „Baron Kelvin”. W 1848 roku W. Thomson (Kelvin) zaproponował zastosowanie skali temperatur, w której za punkt wyjścia przyjął temperaturę zera absolutnego, odpowiadającą skrajnemu zimnie, a za wartość podziału przyjął stopnie Celsjusza. Jednostką Kelvina jest 1/27316 temperatury punktu potrójnego wody (około 0 stopni C), tj. temperatura, w której czysta woda natychmiast występuje w trzech postaciach: lodu, wody w stanie ciekłym i pary. temperatura to najniższa możliwa niska temperatura, w której ruch cząsteczek zatrzymuje się i nie jest już możliwe wydobycie energii cieplnej z substancji. Od tego czasu jego imieniem nazwano bezwzględną skalę temperatury.

Temperaturę mierzy się różnymi skalami

Najczęściej stosowaną skalą temperatury nazywa się skalą Celsjusza. Opiera się na dwóch punktach: temperaturze przejścia fazowego wody z cieczy w parę i wody w lód. A. Celsjusz w 1742 roku zaproponował podzielenie odległości między punktami odniesienia na 100 przedziałów i przyjęcie wody za zero, przy temperaturze zamarzania wynoszącej 100 stopni. Jednak Szwed K. Linneusz zaproponował coś odwrotnego. Od tego czasu woda zamarzła w temperaturze zera stopni Celsjusza. Chociaż powinien wrzeć dokładnie w stopniach Celsjusza. Zero absolutne Celsjusza odpowiada minus 273,16 stopni Celsjusza.

Istnieje kilka innych skal temperatur: Fahrenheita, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. Mają różne ceny podziału. Na przykład skala Reaumur również jest zbudowana na punktach odniesienia wrzenia i zamarzania wody, ale ma 80 działek. Skala Fahrenheita, która pojawiła się w 1724 r., jest używana w życiu codziennym tylko w niektórych krajach świata, w tym w USA; jedna to temperatura mieszaniny wody, lodu i amoniaku, a druga to temperatura ciała ludzkiego. Skala podzielona jest na sto działów. Zero Celsjusza odpowiada 32. Przeliczenia stopni na Fahrenheita można dokonać korzystając ze wzoru: F = 1,8 C + 32. Odwrotna konwersja: C = (F - 32)/1,8, gdzie: F - stopnie Fahrenheita, C - stopnie Celsjusza. Jeśli jesteś zbyt leniwy, aby liczyć, skorzystaj z usługi online umożliwiającej przeliczenie stopni Celsjusza na Fahrenheita. W polu wprowadź liczbę stopni Celsjusza, kliknij „Oblicz”, wybierz „Fahrenheita” i kliknij „Start”. Wynik pojawi się natychmiast.

Nazwany na cześć angielskiego (a dokładniej szkockiego) fizyka Williama J. Rankina, współczesnego Kelvinowi i jednego z twórców termodynamiki technicznej. Na jego skali są trzy ważne punkty: początek to zero absolutne, temperatura zamarzania wody wynosi 491,67 stopnia Rankine’a, a temperatura wrzenia wody wynosi 671,67 stopnia. Liczba podziałów między zamarzaniem wody a jej wrzeniem zarówno dla stopnia Rankine’a, jak i Fahrenheita wynosi 180.

Większość z tych skal jest używana wyłącznie przez fizyków. A 40% ankietowanych dzisiaj amerykańskich uczniów szkół średnich stwierdziło, że nie wie, czym jest temperatura zera bezwzględnego.

Bezwzględna temperatura zero odpowiada 273,15 stopni Celsjusza poniżej zera, 459,67 poniżej zera Fahrenheita. W skali Kelvina sama ta temperatura jest punktem zerowym.

Istota temperatury zera absolutnego

Pojęcie zera absolutnego wywodzi się z samej istoty temperatury. Każde ciało ma energię, którą uwalnia do środowiska zewnętrznego podczas wymiany ciepła. Jednocześnie spada temperatura ciała, tj. pozostaje mniej energii. Teoretycznie proces ten może trwać do momentu, aż ilość energii osiągnie takie minimum, że organizm nie będzie już w stanie jej oddawać.
Dalekiego zwiastuna takiego pomysłu można już znaleźć u M.V. Wielki rosyjski naukowiec wyjaśnił ciepło ruchem „obrotowym”. W konsekwencji maksymalny stopień ochłodzenia oznacza całkowite zatrzymanie takiego ruchu.

Według współczesnych koncepcji temperatura zera absolutnego to stan materii, w którym cząsteczki mają najniższy możliwy poziom energii. Przy mniejszej energii, tj. w niższej temperaturze nie może istnieć żadne ciało fizyczne.

Teoria i praktyka

W takich temperaturach substancje zyskują niesamowite właściwości, których nie mogą mieć w normalnych okolicznościach. Rtęć, nazywana „żywym srebrem”, bo znajdująca się w stanie zbliżonym do cieczy, w tej temperaturze przybiera postać stałą – do tego stopnia, że można nią wbijać gwoździe. Niektóre metale stają się kruche, jak szkło. Guma staje się równie twarda i krucha. Jeśli uderzysz młotkiem w gumowy przedmiot o temperaturze bliskiej zera absolutnego, pęknie on jak szkło.

Ta zmiana właściwości jest również związana z naturą ciepła. Im wyższa temperatura ciała fizycznego, tym intensywniejsze i chaotyczne są ruchy cząsteczek. Wraz ze spadkiem temperatury ruch staje się mniej intensywny, a struktura staje się bardziej uporządkowana. Zatem gaz staje się cieczą, a ciecz ciałem stałym. Najwyższym poziomem porządku jest struktura krystaliczna. W bardzo niskich temperaturach przyswajają go nawet substancje, które normalnie pozostają amorficzne, takie jak guma.

Ciekawe zjawiska zachodzą także w przypadku metali. Atomy sieci krystalicznej wibrują z mniejszą amplitudą, zmniejsza się rozpraszanie elektronów, a co za tym idzie, spada opór elektryczny. Metal zyskuje nadprzewodnictwo, którego praktyczne zastosowanie wydaje się bardzo kuszące, choć trudne do osiągnięcia.

Każdy pomiar wymaga obecności punktu odniesienia. Temperatura nie jest wyjątkiem. W skali Fahrenheita ten znak zerowy to temperatura śniegu zmieszanego z solą kuchenną; w skali Celsjusza jest to temperatura zamarzania wody. Istnieje jednak specjalny punkt odniesienia temperatury - zero absolutne. Bezwzględna temperatura zero odpowiada 273,15 stopni Celsjusza poniżej zera, 459,67 poniżej zera Fahrenheita. W skali Kelvina sama ta temperatura jest punktem zerowym.

Istota temperatury zera absolutnego

Teoria i praktyka

Temperatura zera bezwzględnego to koncepcja teoretyczna; w praktyce nie da się jej osiągnąć w zasadzie nawet w laboratoriach naukowych wyposażonych w najbardziej wyrafinowany sprzęt. Jednak naukowcom udaje się schłodzić materię do bardzo niskich temperatur, bliskich zera absolutnego. W takich temperaturach substancje uzyskują niesamowite właściwości, których nie mogą mieć w normalnych warunkach. Rtęć, nazywana „żywym srebrem”, bo znajdująca się w stanie zbliżonym do cieczy, w tej temperaturze przybiera postać stałą – do tego stopnia, że można nią wbijać gwoździe. Niektóre metale stają się kruche, jak szkło. Guma staje się równie twarda i krucha. Jeśli uderzysz młotkiem w gumowy przedmiot o temperaturze bliskiej zera absolutnego, pęknie on jak szkło. Ta zmiana właściwości jest również związana z naturą ciepła. Im wyższa temperatura ciała fizycznego, tym intensywniejsze i chaotyczne są ruchy cząsteczek. Wraz ze spadkiem temperatury ruch staje się mniej intensywny, a struktura staje się bardziej uporządkowana. Zatem gaz staje się cieczą, a ciecz ciałem stałym. Najwyższym poziomem porządku jest struktura krystaliczna. W ultraniskich temperaturach nabywają go nawet substancje, które normalnie pozostają amorficzne, takie jak guma. Ciekawe zjawiska zachodzą również w przypadku metali. Atomy sieci krystalicznej wibrują z mniejszą amplitudą, zmniejsza się rozpraszanie elektronów, a co za tym idzie, spada opór elektryczny. Metal zyskuje nadprzewodnictwo, którego praktyczne zastosowanie wydaje się bardzo kuszące, choć trudne do osiągnięcia.

Zero absolutne odpowiada temperaturze -273,15 °C.

Uważa się, że zero absolutne jest w praktyce nieosiągalne. Jej istnienie i położenie na skali temperatury wynika z ekstrapolacji obserwowanych zjawisk fizycznych, a z takiej ekstrapolacji wynika, że przy zera absolutnym energia ruchu termicznego cząsteczek i atomów substancji powinna być równa zeru, czyli chaotycznego ruchu cząstek przystanki i tworzą uporządkowaną strukturę, zajmując wyraźne miejsce w węzłach sieci krystalicznej. Jednak w rzeczywistości nawet w temperaturze zera absolutnego regularne ruchy cząstek tworzących materię pozostaną. Pozostałe oscylacje, takie jak oscylacje punktu zerowego, wynikają z właściwości kwantowych cząstek i otaczającej je próżni fizycznej.

Obecnie w laboratoriach fizycznych udało się uzyskać temperatury przekraczające zero absolutne zaledwie o kilka milionowych stopnia; samo osiągnięcie tego, zgodnie z prawami termodynamiki, jest niemożliwe.

Notatki

Literatura

G. Burmina. Atak na zero absolutne. - M.: „Literatura dla dzieci”, 1983.

Zobacz także

Fundacja Wikimedia.

2010.:

Synonimy

Zobacz, co oznacza „zero absolutne” w innych słownikach: Temperatury, pochodzenie temperatury w termodynamicznej skali temperatur (patrz TERMODYNAMICZNA SKALA TEMPERATURY). Zero absolutne znajduje się 273,16 °C poniżej temperatury punktu potrójnego (patrz PUNKT POTRÓJNY) wody, dla której przyjmuje się ... ...

Słownik encyklopedyczny Temperatury, pochodzenie temperatury w termodynamicznej skali temperatur. Zero absolutne znajduje się 273,16°C poniżej temperatury punktu potrójnego wody (0,01°C). Zero absolutne jest w zasadzie nieosiągalne, temperatury prawie osiągnęły... ...

Nowoczesna encyklopedia Temperatury są punktem wyjścia dla temperatury w termodynamicznej skali temperatur. Zero absolutne znajduje się w temperaturze 273,16°C poniżej temperatury punktu potrójnego wody, dla której wartość wynosi 0,01°C. Zero absolutne jest zasadniczo nieosiągalne (patrz... ...

Wielki słownik encyklopedyczny Temperatura, wyrażająca brak ciepła, wynosi 218° C. Słownik słów obcych zawarty w języku rosyjskim. Pavlenkov F., 1907. Temperatura zera absolutnego (fizyczna) - najniższa możliwa temperatura (273,15°C). Wielki słownik... ...

Słownik obcych słów języka rosyjskiego absolutne zero - Ekstremalnie niska temperatura, w której zatrzymuje się ruch termiczny cząsteczek; w skali Kelvina zero absolutne (0°K) odpowiada –273,16±0,01°C...

Słownik geografii Rzeczownik, liczba synonimów: 15 okrągłych zer (8) mały człowiek (32) mały narybek ...

Słownik synonimów Ekstremalnie niska temperatura, w której zatrzymuje się ruch termiczny cząsteczek. Zgodnie z prawem Boyle’a-Mariotte’a ciśnienie i objętość gazu doskonałego stają się równe zeru, a za początek temperatury bezwzględnej w skali Kelvina przyjmuje się... ...

Słownik obcych słów języka rosyjskiego Słownik ekologiczny - - [A.S. Goldberg. Angielsko-rosyjski słownik energii. 2006] Ogólne tematy energetyczne EN punkt zerowy ...

Przewodnik tłumacza technicznego Początek bezwzględnego odniesienia temperatury. Odpowiada 273,16° C. Obecnie w laboratoriach fizycznych udało się uzyskać temperaturę przekraczającą zero absolutne zaledwie o kilka milionowych stopnia i osiągnąć ją, zgodnie z prawami... ...

Słownik obcych słów języka rosyjskiego- 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 temp. atitikmenys: pol.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Słownik obcych słów języka rosyjskiego- absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). atitikmenys: pol. absolutne zero rosyjski. absolutne zero... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas