Скільки градусів за цельсієм становить абсолютний нуль. Абсолютний нуль 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.

(1 оцінок, середнє: 5,00 із 5)

Навколоземний астероїд Бенну цікавить дослідників за рахунок своєї природи. Справа в тому, що він здатний розкрити минуле Сонячної системи або ру...

Сонячне затемнення на Марсі! Як супутникові вдається... Сонячні затемнення – все ще цікава, але звична подія для землян. У цей період земний супутник перекриває собою світло зірки. Проте затьмари...

Що таке абсолютний нуль (частіше нуль)? Чи дійсно ця температура існує десь у Всесвіті? Чи можемо ми охолодити будь-що до абсолютного нуля в реальному житті? Якщо вам цікаво, чи можна обігнати хвилю холоду, давайте досліджуємо найдальші межі холодної температури.

Навіть якщо ви не фізик, ви, мабуть, знайомі з поняттям температури. Температура – це міра виміру кількості внутрішньої випадкової енергії матеріалу. Слово «внутрішньої» дуже важливе. Киньте сніжок, і хоча основний рух буде досить швидким, снігова куля залишиться досить холодною. З іншого боку, якщо ви подивитеся на молекули повітря, що літають по кімнаті, звичайна молекула кисню смажить зі швидкістю тисяч кілометрів на годину.

Ми зазвичай замовкаємо, коли йдеться про технічні деталі, тому спеціально для експертів зазначимо, що температура трохи складніша, ніж ми сказали. Справжнє визначення температури передбачає те, скільки енергії потрібно витратити на кожну одиницю ентропії (безладу, якщо хочете зрозуміліше слово). Але давайте опустимо тонкощі і просто зупинимося на тому, що випадкові молекули повітря або води в товщі льоду будуть рухатися або вібрувати все повільніше і повільніше в міру зниження температури.

Абсолютний нуль - це температура -273,15 градусів Цельсія, -459,67 за Фаренгейтом і просто 0 за Кельвіном. Це точка, де тепловий рух повністю зупиняється.

Чи все зупиняється?

У класичному розгляді питання при абсолютному нулі зупиняється все, але саме в цей момент з-за рогу виглядає страшна морда квантової механіки. Одним із передбачень квантової механіки, яке зіпсувало кров чималій кількості фізиків, є те, що ви ніколи не можете виміряти точне положення або імпульс частинки з досконалою визначеністю. Це як принцип невизначеності Гейзенберга.

Якби ви могли охолодити герметичну кімнату до абсолютного нуля, відбулися б дивні речі (про це трохи згодом). Тиск повітря впав би практично до нуля, і оскільки тиск повітря зазвичай протистоїть гравітації, повітря сколапсує дуже тонкий шар на підлозі.

Але навіть у тому випадку, якщо ви зможете виміряти окремі молекули, ви виявите щось цікаве: вони вібрують і обертаються, зовсім небагато — квантова невизначеність у роботі. Щоб поставити крапки над i: якщо ви виміряєте обертання молекул вуглекислого газу за абсолютного нулі, ви виявите, що атоми кисню облітають вуглець зі швидкістю кілька кілометрів на годину — набагато швидше, ніж ви припускали.

Розмова заходить у глухий кут. Коли ми говоримо про квантовий світ, рух втрачає сенс. У таких масштабах все визначається невизначеністю, тому не те щоб частинки були нерухомими, ви просто ніколи не зможете виміряти їх так, наче вони нерухомі.

Як низько можна впасти?

Прагнення абсолютному нулю по суті зустрічається з тими самими проблемами, як і прагнення швидкості світла. Щоб набрати швидкість світла, знадобиться нескінченна кількість енергії, а досягнення абсолютного нуля вимагає отримання нескінченної кількості тепла. Обидва ці процеси неможливі, якщо що.

Незважаючи на те, що ми поки не досягли фактичного стану абсолютного нуля, ми дуже близькі до цього (хоча «дуже» в цьому випадку поняття дуже розтяжне; як дитяча лічилка: два, три, чотири, чотири з половиною, чотири на ниточці, чотири на волосині, п'ять). Найнижча температура, колись зареєстрована на Землі, була зафіксована в Антарктиді в 1983 році, на позначці -89,15 градусів за Цельсієм (184K).

Звичайно, якщо ви хочете охолонути не по-дитячому, вам потрібно пірнути в глибини космосу. Весь всесвіт залитий залишками випромінювання від Великого Вибуху, в найпорожніших регіонах космосу — 2,73 градуси за Кельвіном, що трохи холодніше, ніж температура рідкого гелію, який ми змогли отримати на Землі століття тому.

Але фізики-низькотемпературники використовують заморожуючі промені, щоб вивести технологію на новий рівень. Вас може здивувати те, що промені, що заморожують, набувають форми лазерів. Але як? Лазери мають спалювати.

Все правильно, але у лазерів є одна особливість - можна навіть сказати, ультимативна: весь світ випромінюється на одній частоті. Звичайні нейтральні атоми взагалі взаємодіють зі світлом, якщо частота не налаштована влучним чином. Якщо атом летить до джерела світла, світло отримує доплеровський зсув і виходить на більш високу частоту. Атом поглинає меншу енергію фотона, ніж міг би. Так що якщо налаштувати лазер нижче, швидкорухаючі атоми поглинатимуть світло, а випромінюючи фотон у випадковому напрямку, втрачатимуть трохи енергії в середньому. Якщо повторювати процес, ви можете охолодити газ до температури менше одного наноКельвіна, мільярдної частки градуса.

Все набуває більш екстремального забарвлення. Світовий рекорд найнижчої температури становить менше однієї десятої мільярда градуса вище за абсолютного нуля. Пристрої, які цього домагаються, захоплюють атоми в магнітні поля. «Температура» залежить не так від самих атомів, як від спина атомних ядер.

Тепер для відновлення справедливості нам потрібно трохи пофантазувати. Коли ми зазвичай уявляємо собі щось, заморожене до однієї мільярдної частки градуса, вам напевно малюється картинка, як навіть молекули повітря замерзають на місці. Можна навіть уявити руйнівний апокаліптичний пристрій, що заморожує спини атомів.

Зрештою, якщо ви дійсно хочете випробувати низьку температуру, все, що вам потрібно, це чекати. Через приблизно 17 мільярдів років радіаційне тло у Всесвіті охолоне до 1К. Через 95 мільярдів років температура становитиме приблизно 0,01К. Через 400 мільярдів років глибокий космос буде таким же холодним, як найхолодніший експеримент на Землі, і після цього ще холодніше.

Якщо вам цікаво, чому всесвіт остигає так швидко, скажіть спасибі нашим старим друзям: ентропії та темної енергії. Всесвіт перебуває в режимі акселерації, вступаючи в період експоненційного зростання, який триватиме вічно. Речі замерзатиму дуже швидко.

Яка нам справа?

Все це, звісно, чудово, та й рекорди побивати теж приємно. Але в чому сенс? Що ж, є безліч вагомих причин розбиратися в низинах температури, і не лише на правах переможця.

Хороші хлопці з Національного інституту стандартів та технологій, наприклад, просто хотіли б зробити класний годинник. Стандарти часу ґрунтуються на таких речах, як частота атома цезію. Якщо атом цезію рухається занадто багато, з'являється невизначеність у вимірах, що, зрештою, призведе до збою годинника.

Але що важливіше, особливо з погляду науки, матеріали поводяться шалено на екстремально низьких температурах. Наприклад, як лазер складається з фотонів, які синхронізуються один з одним - на одній частоті та фазі - так і матеріал, відомий як конденсат Бозе-Ейнштейна, може бути створений. У ньому всі атоми перебувають у тому самому стані. Або уявіть собі амальгаму, в якій кожен атом втрачає свою індивідуальність, і вся маса реагує як один нуль-супер-атом.

При дуже низьких температурах багато матеріалів стають надплинними, що означає, що вони можуть зовсім не мати в'язкості, укладатися надтонкими шарами і навіть кидати виклик гравітації в досягненні мінімуму енергії. Також за низьких температур багато матеріалів стають надпровідними, що означає відсутність будь-якого електричного опору.

Надпровідники здатні реагувати на зовнішні магнітні поля таким чином, щоб повністю скасовувати їх усередині металу. В результаті ви можете об'єднати холодну температуру і магніт і отримати щось типу левітації.

Чому є абсолютний нуль, але немає абсолютного максимуму?

Погляньмо на іншу крайність. Якщо температура - це просто міра енергії, то можна просто уявити атоми, які підбираються ближче та ближче до швидкості світла. Не може ж це продовжуватись нескінченно?

Є коротка відповідь: ми не знаємо. Цілком можливо, що буквально існує така річ, як нескінченна температура, але якщо є абсолютна межа, юний всесвіт надає досить цікаві підказки щодо того, що це таке. Найвища температура, яка будь-коли існувала (як мінімум у нашому всесвіті), ймовірно, трапилася в так званий час Планка.

Це була мить довжиною в 10-43 секунд після Великого Вибуху, коли гравітація відокремилася від квантової механіки і фізика стала саме такою, якою є зараз. Температура в той час була приблизно 10^32 K. Це в септилліон раз гарячіше, ніж нутро нашого Сонця.

Знову ж таки, ми зовсім не впевнені, чи це найгарячіша температура з усіх, що могли бути. Оскільки у нас навіть немає великої моделі всесвіту в час Планка, ми навіть не впевнені, що Всесвіт кип'ятився до такого стану. У будь-якому випадку, до абсолютного нуля ми набагато ближче, ніж до абсолютної спеки.

Як ви думаєте, де знаходиться найхолодніше місце у нашому Всесвіті? Сьогодні це Земля. Наприклад, температура поверхні Місяця -227 градусів за шкалою Цельсія, а температура вакууму, що оточує нас, становить 265 градусів нижче за нуль. Однак у лабораторії Землі людина може досягти температури набагато нижче, вивчення властивостей матеріалів за умов наднизьких температур. Матеріали, окремі атоми і навіть світло, піддані екстремальному охолодженню, починають виявляти незвичні властивості.

Перший експеримент такого роду було поставлено на початку 20 століття фізиками, які вивчали електричні властивості ртуті при наднизькій температурі. При -262 градуси за Цельсієм ртуть починає виявляти властивості надпровідності, зменшуючи опір електричного струму практично до нуля. Подальші експерименти також виявили інші цікаві властивості охолоджених матеріалів, включаючи надплинність, яка виражається в "просочуванні" речовини крізь тверді перегородки та із закритих ємностей.

Наукою визначено найнижчу досяжну температуру - мінус 273.15 градусів Цельсія, але практично така температура недосяжна. Практично температура є приблизною мірою енергії, укладеної в об'єкті, тому абсолютний нуль показує, що тіло нічого не випромінює, і жодної енергії з цього об'єкта витягти не можна. Але незважаючи на це, вчені намагаються підібратися якомога ближче до абсолютного нуля температури, актуальний рекорд було поставлено у 2003 році в лабораторії Массачусетського інституту технології. Вченим недотягнули до абсолютного нуля лише 810 мільярдних часток градуса. Охолоджували вони хмару атомів натрію, утримуване дома за допомогою потужного магнітного поля.

Здавалося б - у чому прикладний сенс таких дослідів? Виявляється, дослідників цікавить таке поняття як конденсат Бозе-Ейнштейна, яке є особливим станом речовини - не газ, тверде або рідке, а просто хмара атомів з однаковим квантовим станом. Така форма речовини була передбачена Ейнштейном та індійським фізиком Satyendra Bose у 1925 році, а отримана лише через 70 років. Один із учених, який досяг такого стану речовини - Wolfgang Ketterle, який отримав за своє відкриття Нобелівську премію в галузі фізики.

Одна з чудових властивостей конденсату Бозе-Ейнштейна (КБЕ) – можливість управління рухом світлових променів. У вакуумі світло переміщається зі швидкістю 300 000 км в секунду, і це максимальна швидкість, досяжна у Всесвіті. Але світло може поширюватися повільніше, якщо поширюватиметься не у вакуумі, а в речовині. За допомогою КБЕ можна уповільнити рух світла до малих швидкостей і навіть зупинити його. Через температуру і щільність конденсату світлове випромінювання сповільнюється і може бути "схоплено" і перетворено безпосередньо в електричний струм. Цей струм може бути передано в іншу хмару КБЕ і перетворено назад на світлове випромінювання. Ця можливість дуже потрібна для телекомунікації та обчислювальної техніки. Тут я трохи не розумію - адже пристрої, що перетворюють світлові хвилі в електрику і назад вже є... Мабуть, використання КБЕ дозволяє робити це перетворення швидше і точніше.

Однією з причин, чому вчені настільки прагнуть отримати абсолютний нуль - спроба зрозуміти, що відбувається і відбувалося з нашого Всесвіту, які термодинамічні закони в ньому діють. При цьому дослідники розуміють, що вилучення всієї енергії до останнього з атома практично недосяжне.

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. Так як

(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 відраховувати температуру від абсолютного нуля. Так будується абсолютна шкала температури.

Абсолютний нуль температури

Граничну температуру, при якій обсяг ідеального газу стає рівним нулю, приймають за абсолютний нуль температури.

Знайдемо значення абсолютного нуля за шкалою Цельсія.
Прирівнюючи обсяг Vу формулі (3.1) нулю та враховуючи, що

Звідси абсолютний нуль температури дорівнює

t= -273 °С. 2

Найбільші температури Землі – сотні мільйонів градусів – отримані під час вибухів термоядерних бомб. Ще більш високі температури характерні внутрішніх областей деяких зірок.

2Точніше значення абсолютного нуля: –273,15 °С.

Шкала Кельвіна

Англійський учений У. Кельвін запровадив абсолютну шкалутемператур. 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

Т = t + 273. (3.2)

На рис. 3.2 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:

Таким чином, абсолютна температура за визначенням, що дається формулою (3.2), є похідною величиною, яка залежить від температури Цельсія і від значення, що експериментально визначається a.

Читач:А яке фізичне значення має абсолютна температура?

Запишемо вираз (3.1) у вигляді

Зважаючи на те, що температура за шкалою Кельвіна пов'язана з температурою за шкалою Цельсія співвідношенням Т = t + 273, отримаємо

де Т 0 = 273 К, або

Оскільки це співвідношення справедливе для довільної температури Т, то закон Гей-Люссака можна сформулювати так:

Для цієї маси газу при р = const виконується співвідношення

Завдання 3.1.При температурі Т 1 = 300 К обсяг газу V 1 = 5,0 л. Визначте об'єм газу при тому ж тиску і температурі Т= 400 К.

СТОП! Розв'яжіть самостійно: А1, В6, С2.

Завдання 3.2.При ізобаричному нагріванні обсяг повітря збільшився на 1%. На скільки відсотків зросла абсолютна температура?

= 0,01.

Відповідь: 1 %.

Запам'ятаємо отриману формулу

СТОП! Розв'яжіть самостійно: А2, А3, В1, В5.

Закон Шарля

Французький вчений Шарль експериментально встановив, що якщо нагрівати газ так, щоб його обсяг залишався постійним, тиск газу збільшуватиметься. Залежність тиску від температури має вигляд:

р(t) = p 0 (1 + b t), (3.6)

де р(t) – тиск при температурі t°З; р 0 - тиск при 0 ° С; b – температурний коефіцієнт тиску, однаковий всім газів: 1/К.

Читач:Дивно, що температурний коефіцієнт тиску b точно дорівнює температурному коефіцієнту об'ємного розширення a!

Візьмемо певну масу газу обсягом V 0 при температурі Т 0 та тиску р 0 . Вперше, підтримуючи тиск газу постійним, нагріємо його до температури Т 1 . Тоді газ матиме обсяг V 1 = V 0 (1 + a t) та тиск р 0 .

Вдруге, підтримуючи об'єм газу постійним, нагріємо його до тієї ж температури Т 1 . Тоді газ матиме тиск р 1 = р 0 (1 + b t) та обсяг V 0 .

Оскільки в обох випадках температура газу однакова, то справедливий закон Бойля-Маріотта:

p 0 V 1 = p 1 V 0 Þ р 0 V 0 (1 + a t) = р 0 (1 + b t)V 0 Þ

Þ 1 + a t = 1 + b tÞ a = b.

Отже, нічого дивного в тому, що a = b, ні!

Перепишемо закон Шарля у вигляді

Враховуючи що Т = t°С + 273 °С, Т 0 = 273 ° С, отримаємо