Что такое абсолютный ноль в физике. Между абсолютным нулем и миллиардом градусов

> Абсолютный ноль

Изучите, чему равен абсолютный ноль температуры и значение энтропии. Узнайте, чему равна температура абсолютного ноля по шкале Цельсия и Кельвина.

Абсолютный ноль – минимальная температура. Это отметка, при которой энтропия достигает наименьшего значения.

Задача обучения

• Разобраться в том, почему абсолютный ноль выступает естественным показателем нулевой точки.

Основные пункты

• Абсолютный ноль выступает универсальным, то есть, вся материя пребывает в основном состоянии при этом показателе.
• К обладает квантово-механической нулевой энергией. Но в интерпретации кинетическая энергия может быть нулевой, а тепловая исчезает.
• Максимально низкая температура в лабораторных условиях достигла 10-12 К. Минимальная естественная – 1К (расширение газов в туманности Бумеранг).

Термины

• Энтропия – мера того, как равномерная энергия располагается в системе.
• Термодинамика – отрасль в науке, изучающая тепло и его соотношение с энергией и работой.

Абсолютный ноль – минимальная температура, при которой энтропия достигает наименьшего значения. То есть, это самый маленький показатель, который можно наблюдать в системе. Это универсальное понятие и выступает нулевой точкой в системе единиц температуры.

График зависимости давления от температуры для разных газов с постоянным объемом. Заметьте, что все графики экстраполируются к нулевому давлению при одной температуре

Система в абсолютном нуле все еще наделена квантово-механической нулевой энергией. Согласно принципу неопределенности, положение частичек нельзя определить с абсолютной точностью. Если частичка смещается в абсолютном нуле, то все еще обладает минимальным энергетическим запасом. Но в классической термодинамике кинетическая энергия способна быть нулевой, а тепловая исчезает.

Нулевая точка термодинамической шкалы, вроде Кельвина, приравнивается к абсолютному нулю. Международное соглашение установило, что температура абсолютного ноля достигает 0K по шкале Кельвина и -273.15°C по шкале Цельсия. Вещество при минимальных температурных показателях проявляет квантовые эффекты, вроде сверхпроводимости и сверхтекучести. Наиболее низкая температура в лабораторных условиях составляла 10-12 K, а в естественной среде – 1K (быстрое расширение газов в туманности Бумеранг).

Стремительное расширение газов приводит к минимальной наблюдаемой температуре

Выбор в качестве основных точек температурной шкалы точек таяния льда и кипения воды совершенно произволен. Полученная таким образом температурная шкала оказалась неудобной для теоретических исследований.

Опираясь на законы термодинамики, Кельвину удалось построить так называемую абсолютную температурную шкалу (ее в настоящее время называют термодинамической шкалой температур или шкалой Кельвина), совершенно не зависящую ни от природы термометрического тела, ни от избранного термометрического параметра. Однако принцип построения такой шкалы выходит за пределы школьной программы. Мы рассмотрим этот вопрос, используя другие соображения.

Из формулы (2) вытекают два возможных способа установления температурной шкалы: использование изменения давления определенного количества газа при постоянном объеме или изменение объема при постоянном давлении. Такую шкалу называют идеальной газовой шкалой температуры .

Температура, определяемая равенством (2), называется абсолютной температурой . Абсолютная температура Τ не может быть отрицательной, так как слева в равенстве (2) стоят заведомо положительные величины (точнее, она не может быть разных знаков, она может быть либо положительной, либо отрицательной. Это зависит от выбора знака постоянной k . Так как условились температуру тройной точки считать положительной, то абсолютная температура может быть только положительной). Следовательно, наименьшее возможное значение температуры Т = 0 есть температура, когда давление или объем равны нулю.

Предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю (т.е. газ как бы должен сжаться в "точку") при неизменном давлении, называется абсолютным нулем . Это самая низкая температура в природе.

Из равенства (3), учитывая, что \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac{m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i}{2}\) , вытекает физический смысл абсолютного нуля: абсолютный нуль - температура, при которой должно прекратиться тепловое поступательное движение молекул . Абсолютный нуль недостижим.

В Международной системе единиц (СИ) используют абсолютную термодинамическую шкалу температур. За нулевую температуру по этой шкале принят абсолютный нуль. В качестве второй опорной точки принята температура, при которой находятся в динамическом равновесии вода, лед и насыщенный пар, так называемая тройная точка (по шкале Цельсия температура тройной точки равна 0,01 °С). Каждая единица абсолютной температуры, называемая Кельвином (обозначается 1 К), равна градусу Цельсия.

Погружая колбу газового термометра в тающий лед, а затем в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, обнаружили, что давление газа во втором случае в 1,3661 раза больше, чем в первом. Учитывая это и пользуясь формулой (2), можно определить, что температура таяния льда T 0 = 273,15 К.

Действительно, запишем уравнение (2) для температуры T 0 таяния льда и температуры кипения воды (T 0 + 100):

\(~\frac{p_1V}{N} = kT_0 ;\) \(~\frac{p_2V}{N} = k(T_0 + 100) .\)

Разделим второе уравнение на первое, получим:

\(~\frac{p_2}{p_1} = \frac{T_0 + 100}{T_0} .\)

\(~T_0 = \frac{100}{\frac{p_2}{p_1} - 1} = \frac{100}{1,3661 - 1} = 273,15 K.\)

На рисунке 2 схематически показаны шкала Цельсия и термодинамическая шкала.

Как вы думаете, где находится самое холодное место в нашей Вселенной? На сегодняшний день это Земля. К примеру, температура поверхности Луны -227 градусов по шкале Цельсия, а температура вакуума, окружающего нас, составляет 265 градусов ниже нуля. Однако в лаборатории на Земле человек может добиться температуры гораздо ниже, для изучения свойств материалов в условиях сверхнизких температур. Материалы, отдельные атомы и даже свет, подвергнутые экстремальному охлаждению, начинают проявлять непривычные свойства.

Первый эксперимент такого рода был поставлен в начале 20 века физиками, которые изучали электрические свойства ртути при сверхнизкой температуре. При -262 градуса по Цельсию ртуть начинает проявлять свойства сверхпроводимости, уменьшая сопротивление электрическому току практически до нуля. Дальнейшие эксперименты также выявили другие интересные свойства охлажденных материалов, включая сверхтекучесть, которая выражается в "просачивании" вещества сквозь твердые перегородки и из закрытых емкостей.

Наукой определена самая низкая достижимая температура - минус 273.15 градусов Цельсия, но практически такая температура недостижима. Практически, температура является приблизительной мерой энергии, заключенной в объекте, поэтому абсолютный ноль показывает, что тело ничего не излучает, и никакой энергии из этого объекта извлечь нельзя. Но несмотря на это, ученые пытаются подобраться как можно ближе к абсолютному нулю температуры, актуальный рекорд был поставлен в 2003 году в лаборатории Массачусетского института технологии. Ученым недотянули до абсолютного нуля всего 810 миллиардных долей градуса. Охлаждали они облако атомов натрия, удерживаемое на месте с помощью мощного магнитного поля.

Казалось бы - в чем прикладной смысл таких опытов? Оказывается, исследователей интересует такое понятие как конденсат Бозе-Эйнштейна, которое представляет собой особое состояние вещества - не газ, твердое или жидкое, а просто облако атомов с одинаковым квантовым состоянием. Такая форма вещества была предсказана Эйнштейном и индийским физиком Satyendra Bose в 1925 году, а получена только через 70 лет. Один из ученых, который добился такого состояния вещества - Wolfgang Ketterle, который получил за свое открытие Нобелевскую премию в области физики.

Одно из замечательных свойств конденсата Бозе-Эйнштейна (КБЭ) - возможность управления движением световых лучей. В вакууме свет перемещается со скоростью 300000 км в секунду, и это максимальная скорость, достижимая во Вселенной. Но свет может распространяться медленнее, если будет распространяться не в вакууме, а в веществе. С помощью КБЭ можно замедлить движение света до малых скоростей, и даже остановить его. Из-за температуры и плотности конденсата световое излучение замедляется и может быть "схвачено" и преобразовано напрямую в электрический ток. Этот ток может быть передан в другое облако КБЭ и преобразовано обратно в световое излучение. Эта возможность очень востребована для телекоммуникации и вычислительной техники. Тут я немного не понимаю - ведь устройства, преобразующие световые волны в электричество и обратно УЖЕ есть... Видимо, использование КБЭ позволяет производить это преобразование быстрее и точнее.

Одной из причин, почему ученые настолько стремятся получить абсолютный ноль - попытка понять, что происходит и происходило с нашей Вселенной, какие термодинамические законы в ней действуют. При этом исследователи понимают, что извлечение всей энергии до последнего из атома практически недостижимо.

Любое физическое тело, включая все объекты во Вселенной, имеет минимальный показатель температуры или ее предел. За точку отсчета любой температурной шкалы и принято считать значение абсолютного нуля температур. Но это только в теории. Хаотичное движение атомов и молекул, которые отдают в это время свою энергию, остановить пока на практике не удалось.

Это и есть основная причина, почему нельзя достичь абсолютного нуля температур. До сих пор ведутся споры и о последствиях этого процесса. С точки зрения термодинамики этот предел недостижим, так как тепловое движение атомов и молекул прекращается полностью, образуется кристаллическая решетка.

Представители квантовой физики предусматривают наличие при абсолютном нуле температур минимальных нулевых колебаний.

Какое значение абсолютного нуля температур и почему его нельзя достичь

На генеральной конференции по мерам и весам была установлена впервые реперная или точка отсчета для измерительных приборов, определяющих показатели температуры.

В настоящее время в Международной системе единиц реперная точка для шкалы Цельсия составляет 0°C при замерзании и 100°C в процессе кипения, значение абсолютного нуля температур приравнивается к −273,15°C.

Используя температурные значения по шкале Кельвина по той же Международный системе измерения единиц, кипение воды будет происходить при реперном значении 99,975°C, абсолютный нуль приравнивается к 0. По Фаренгейту на шкале соответствует показателю -459,67 градусов.

Но, если эти данные получены, почему тогда нельзя на практике достичь абсолютного нуля температур. Для сравнения можно взять известную всем скорость света, которая равна постоянному физическому значению 1 079 252 848,8 км/ч.

Однако эту величину достичь не удается на практике. Она зависит и от длины волны передачи, и от условий, и от необходимого поглощения большого количества энергии частицами. Чтобы получить значение абсолютного нуля температур, необходима большая отдача энергии и отсутствие ее источников для предотвращения попадания ее в атомы и молекулы.

Но даже в условиях полного вакуума ни скорости света, ни абсолютного нуля температур ученым получить так и не удалось.

Почему можно достичь приблизительного нуля температур, но нельзя абсолютного

Что же будет происходить, когда наука сможет вплотную приблизиться к достижению предельно низкого показателя температуры абсолютного нуля, пока остается только в теории термодинамики и квантовой физики. В чем причина, почему нельзя достичь абсолютного нуля температур на практике.

Все известные попытки охладить вещество до самой низкой предельной границы за счет максимальной потери энергии приводили к тому, что значение теплоемкости вещества так же достигало минимального значения. Отдавать оставшуюся часть энергии молекулы уже были просто не в состоянии. В результате процесс охлаждения прекращался, так и не достигнув абсолютного нуля.

При изучении поведения металлов в условиях, приближенных к значению абсолютного нуля температур, ученые установили, что максимальное понижение температуры должно спровоцировать потерю сопротивления.

Но прекращение движения атомов и молекул привело только к образованию кристаллической решетки, через которую проходящие электроны передавали часть своей энергии неподвижным атомам. Достичь абсолютного нуля опять не удалось.

В 2003 году до температуры абсолютного нуля не хватило всего лишь половины миллиардной доли 1°C. Исследователи «NASA» использовали для проведения опытов молекулу Na, которая все время находилась в магнитном поле и отдавала свою энергию.

Ближе всех стало достижение ученых Йельского университета, которое в 2014 году добилась показателя в 0,0025 Кельвинов. Полученное соединение монофторид стронция (SrF) существовало всего лишь 2,5 секунды. И в итоге все равно распалось на атомы.