Значення абсолютного нуля. Яке значення абсолютного нуля температур і чому його не можна досягти

Будь-яке фізичне тіло, включаючи всі об'єкти у Всесвіті, має мінімальний показник температури або її межу. За точку відліку будь-якої температурної шкали прийнято вважати значення абсолютного нуля температур. Але це лише теоретично. Хаотичний рух атомів і молекул, які віддають у цей час свою енергію, зупинити поки що на практиці не вдалося.

Це і є основною причиною, чому не можна досягти абсолютного нуля температур. Досі точаться суперечки і про наслідки цього процесу. З погляду термодинаміки ця межа недосяжна, оскільки тепловий рух атомів і молекул припиняється повністю, утворюється кристалічна решітка.

Представники квантової фізики передбачають наявність за абсолютного нуля температур мінімальних нульових коливань.

Яке значення абсолютного нуля температур і чому його не можна досягти

На генеральній конференції з мір і ваг було встановлено вперше реперну або точку відліку для вимірювальних приладів, що визначають показники температури.

В даний час у Міжнародній системі одиниць реперна точка для шкали Цельсія становить 0°C при замерзанні та 100°C в процесі кипіння, значення абсолютного нуля температур дорівнює -273,15°C.

Використовуючи температурні значення за шкалою Кельвіна за тією ж Міжнародною системою вимірювання одиниць, кипіння води відбуватиметься при реперному значенні 99,975°C, абсолютний нуль дорівнює 0. Фаренгейт на шкалі відповідає показнику -459,67 градусів.

Але якщо ці дані отримані, чому тоді не можна на практиці досягти абсолютного нуля температур. Для порівняння можна взяти відому всім швидкість світла, яка дорівнює постійному фізичному значенню 1079252848,8 км/год.

Однак цієї величини досягти не вдається на практиці. Вона залежить і від довжини хвилі передачі, і від умов і від необхідного поглинання великої кількості енергії частинками. Щоб отримати значення абсолютного нуля температур, необхідна велика віддача енергії та відсутність її джерел для запобігання потраплянню її в атоми та молекули.

Але навіть за умов повного вакууму ні швидкості світла, ні абсолютного нуля температур вченим отримати так і не вдалося.

Чому можна досягти приблизного нуля температур, але не можна абсолютного

Що ж відбуватиметься, коли наука зможе наблизитися до досягнення гранично низького показника температури абсолютного нуля, поки залишається тільки в теорії термодинаміки і квантової фізики. У чому причина, чому не можна досягти абсолютного нуля температур практично.

Всі відомі спроби охолодити речовину до найнижчої межі за рахунок максимальної втрати енергії призводили до того, що значення теплоємності речовини досягало мінімального значення. Віддавати решту енергії молекули вже були просто не в змозі. В результаті процес охолодження припинявся, так і не досягнувши абсолютного нуля.

Під час вивчення поведінки металів за умов, наближених до значення абсолютного нуля температур, вчені встановили, що максимальне зниження температури має спровокувати втрату опору.

Але припинення руху атомів і молекул призвело тільки до утворення кристалічної решітки, через яку електрони, що проходять, передавали частину своєї енергії нерухомим атомам. Досягти абсолютного нуля знову не вдалось.

У 2003 році до температури абсолютного нуля не вистачило лише половини мільярдної частки 1°C. Дослідники NASA використовували для проведення дослідів молекулу Na, яка весь час знаходилася в магнітному полі і віддавала свою енергію.

Найближчим стало досягнення вчених Єльського університету, яке в 2014 році досягло показника в 0,0025 Кельвінів. Отримане з'єднання монофторид стронцію (SrF) існувало лише 2,5 секунди. І в результаті все одно розпалося на атоми.

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.

Async: true)); )); t = d.getElementsByTagName("script"); s = d.createElement("script"); s.type = "text/javascript"; s.src = "//an.yandex.ru/system/context.js"; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); ))(this, this.document, "yandexContextAsyncCallbacks");

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.

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

Це гранична, найнижча температура у природі, той «найбільший чи останній ступінь холоду», існування якої передбачив Ломоносов.

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

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.

Див. також

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Абсолютний Нуль" в інших словниках:

АБСОЛЮТНИЙ НУЛЬ, температура, при якій всі компоненти системи мають найменшу кількість енергії, допустиму за законами КВАНТОВОЇ МЕХАНІКИ; нуль на шкалі температур за Кельвіном, або 273,15 ° С (459,67 ° за Фаренгейтом). При цій температурі … Науково-технічний енциклопедичний словник

Температури - це мінімальна межа температури, яку може мати фізичне тіло. Абсолютний нуль є початком відліку абсолютної температурної шкали, наприклад, шкали Кельвіна. За шкалою Цельсія абсолютному нулю відповідає температура -273 … Вікіпедія

АБСОЛЮТНИЙ НУЛЬ ТЕМПЕРАТУРИ- Початок відліку термодинамічної шкали температури; розташований на 273,16 К (Кельвін) нижче води, тобто. дорівнює 273,16 ° С (Цельсія). Абсолютний нуль гранично низька температура, в природі і практично недосяжна. Велика політехнічна енциклопедія

Це мінімальна межа температури, що може мати фізичне тіло. Абсолютний нуль є початком відліку абсолютної температурної шкали, наприклад, шкали Кельвіна. За шкалою Цельсія абсолютному нулю відповідає температура −273,15 °C.

Абсолютний нуль температури – це мінімальна межа температури, яку може мати фізичне тіло. Абсолютний нуль є початком відліку абсолютної температурної шкали, наприклад, шкали Кельвіна. За шкалою Цельсія абсолютному нулю відповідає ... Вікіпедія

Розг. Пренебр. Незначна, незначна людина. ФСРЯ, 288; БТС, 24; ЗС 1996, 33 …

нуль- абсолютний нуль … Словник російської ідіоматики

Нуль і нуль сущ., м., упот. порівняння. часто Морфологія: (ні) чого? нуля і нуля, чому? нулю та нулю, (бачу) що? нуль та нуль, чим? нулем і нулем, про що? про нуль, нуль; мн. що? нулі та нулі, (ні) чого? нулів і нулів, чому? нулям і нулям, (бачу)… … Тлумачний словник Дмитрієва

Абсолютний нуль (нуль). Розг. Пренебр. Незначна, незначна людина. ФСРЯ, 288; БТС, 24; ЗС 1996, 33 У нуль. 1. Жарг. мовляв. Жарт. іронії. Про сильне сп'яніння. Юганови, 471; Вахітів 2003, 22. 2. Жарг. муз. Точно, у повній відповідності до… … Великий словник російських приказок

абсолютний- абсолютний абсурд абсолютний авторитет абсолютний бездоганність абсолютний безлад абсолютний вигадка абсолютний імунітет абсолютний лідер абсолютний мінімум абсолютний монарх абсолютний мораль абсолютний нуль … … Словник російської ідіоматики

Книги

Абсолютний нуль, Абсолют Павло. Життя всіх творінь божевільного вченого раси несів дуже коротке. Але в чергового експерименту з'являється шанс існування. Що ж чекає на нього попереду?

Абсолютний нуль температур

Абсолютний нуль температури- це мінімальна межа температури, яку може мати фізичне тіло. Абсолютний нуль служить початком відліку абсолютної температурної шкали, наприклад, шкали Кельвіна. За шкалою Цельсія абсолютному нулю відповідає температура –273,15 °C.

Примітки

Література

Р. Бурмін. Штурм абсолютного нуля. - М: «Дитяча література», 1983.

Див. також

Wikimedia Foundation. 2010 .

Абсолютний нуль температури
Абсолютний нуль температур

Дивитись що таке "Абсолютний нуль температур" в інших словниках:

Абсолютний нуль температур- Абсолютний нуль температури – це мінімальна межа температури, яку може мати фізичне тіло. Абсолютний нуль є початком відліку абсолютної температурної шкали, наприклад, шкали Кельвіна. За шкалою Цельсія абсолютному нулю відповідає ... Вікіпедія

АБСОЛЮТНИЙ НУЛЬ- АБСОЛЮТНИЙ НУЛЬ, температура, при якій всі компоненти системи мають найменшу кількість енергії, допустиму за законами КВАНТОВОЇ МЕХАНІКИ; нуль на шкалі температур за Кельвіном, або 273,15 ° С (459,67 ° за Фаренгейтом). При цій температурі … Науково-технічний енциклопедичний словник

Абсолютна шкала температур

Абсолютна термодинамічна температура- Хаотичне теплове рух на площині частинок газу таких як атоми та молекули Існує два визначення температури. Одне з молекулярно-кінетичної точки зору, інше з термодинамічної. Температура (від лат. temperatura належне… … Вікіпедія

Абсолютна температурна шкала- Хаотичне теплове рух на площині частинок газу таких як атоми та молекули Існує два визначення температури. Одне з молекулярно-кінетичної точки зору, інше з термодинамічної. Температура (від лат. temperatura належне… … Вікіпедія