Τι είναι το απόλυτο μηδέν στη φυσική. Μεταξύ απόλυτου μηδέν και δισεκατομμυρίου μοιρών

> Απόλυτο μηδέν

Μάθετε με τι ισούται θερμοκρασία απόλυτου μηδένκαι την τιμή της εντροπίας. Μάθετε ποια είναι η θερμοκρασία του απόλυτου μηδέν στις κλίμακες Κελσίου και Κέλβιν.

Απόλυτο μηδενικό– ελάχιστη θερμοκρασία. Αυτό είναι το σημείο στο οποίο η εντροπία φτάνει στη χαμηλότερη τιμή της.

Στόχος της μάθησης

• Κατανοήστε γιατί το απόλυτο μηδέν είναι ένας φυσικός δείκτης του σημείου μηδέν.

Κύρια σημεία

• Το απόλυτο μηδέν είναι καθολικό, δηλαδή όλη η ύλη βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση σε αυτόν τον δείκτη.
• Το Κ έχει μηδενική κβαντομηχανική ενέργεια. Αλλά στην ερμηνεία, η κινητική ενέργεια μπορεί να είναι μηδενική και η θερμική ενέργεια εξαφανίζεται.
• Η χαμηλότερη θερμοκρασία σε εργαστηριακές συνθήκες έφτασε τους 10-12 Κ. Η ελάχιστη φυσική θερμοκρασία ήταν 1 Κ (διαστολή αερίων στο Νεφέλωμα Μπούμερανγκ).

Οροι

• Η εντροπία είναι ένα μέτρο του τρόπου με τον οποίο η ενέργεια κατανέμεται ομοιόμορφα σε ένα σύστημα.
• Η Θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της επιστήμης που μελετά τη θερμότητα και τη σχέση της με την ενέργεια και το έργο.

Το απόλυτο μηδέν είναι η ελάχιστη θερμοκρασία στην οποία η εντροπία φτάνει στη χαμηλότερη τιμή της. Δηλαδή, αυτός είναι ο μικρότερος δείκτης που μπορεί να παρατηρηθεί στο σύστημα. Αυτή είναι μια καθολική έννοια και λειτουργεί ως το σημείο μηδέν στο σύστημα των μονάδων θερμοκρασίας.

Γράφημα πίεσης έναντι θερμοκρασίας για διαφορετικά αέρια με σταθερό όγκο. Σημειώστε ότι όλα τα γραφήματα προεκτείνονται σε μηδενική πίεση σε μία θερμοκρασία

Ένα σύστημα στο απόλυτο μηδέν εξακολουθεί να είναι προικισμένο με κβαντομηχανική ενέργεια μηδενικού σημείου. Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, η θέση των σωματιδίων δεν μπορεί να προσδιοριστεί με απόλυτη ακρίβεια. Εάν ένα σωματίδιο μετατοπιστεί στο απόλυτο μηδέν, εξακολουθεί να έχει ένα ελάχιστο απόθεμα ενέργειας. Αλλά στην κλασική θερμοδυναμική, η κινητική ενέργεια μπορεί να είναι μηδενική και η θερμική ενέργεια εξαφανίζεται.

Το σημείο μηδέν μιας θερμοδυναμικής κλίμακας, όπως το Kelvin, είναι ίσο με απόλυτο μηδέν. Η διεθνής συμφωνία έχει καθορίσει ότι η θερμοκρασία του απόλυτου μηδέν φτάνει τους 0 Κ στην κλίμακα Κέλβιν και τους -273,15°C στην κλίμακα Κελσίου. Η ουσία παρουσιάζει κβαντικά αποτελέσματα σε ελάχιστες θερμοκρασίες, όπως υπεραγωγιμότητα και υπερρευστότητα. Η χαμηλότερη θερμοκρασία σε εργαστηριακές συνθήκες ήταν 10-12 Κ και στο φυσικό περιβάλλον - 1 Κ (ταχεία διαστολή αερίων στο νεφέλωμα Μπούμερανγκ).

Η ταχεία διαστολή των αερίων οδηγεί στην ελάχιστη παρατηρούμενη θερμοκρασία

Η επιλογή των σημείων τήξης του πάγου και του βρασμού του νερού ως κύρια σημεία της κλίμακας θερμοκρασίας είναι εντελώς αυθαίρετη. Η κλίμακα θερμοκρασίας που λήφθηκε με αυτόν τον τρόπο αποδείχθηκε ότι δεν ήταν βολική για θεωρητικές μελέτες.

Με βάση τους νόμους της θερμοδυναμικής, ο Kelvin κατάφερε να κατασκευάσει τη λεγόμενη κλίμακα απόλυτης θερμοκρασίας (σήμερα ονομάζεται θερμοδυναμική κλίμακα θερμοκρασίας ή κλίμακα Kelvin), εντελώς ανεξάρτητη είτε από τη φύση του θερμομετρικού σώματος είτε από την επιλεγμένη θερμομετρική παράμετρο. Ωστόσο, η αρχή της κατασκευής μιας τέτοιας κλίμακας υπερβαίνει το σχολικό πρόγραμμα σπουδών. Θα εξετάσουμε αυτό το ζήτημα χρησιμοποιώντας άλλες σκέψεις.

Ο τύπος (2) υπονοεί δύο πιθανούς τρόπους για τον καθορισμό μιας κλίμακας θερμοκρασίας: χρησιμοποιώντας μια αλλαγή στην πίεση μιας ορισμένης ποσότητας αερίου σε σταθερό όγκο ή μια αλλαγή στον όγκο σε μια σταθερή πίεση. Αυτή η κλίμακα ονομάζεται κλίμακα ιδανικής θερμοκρασίας αερίου.

Η θερμοκρασία που καθορίζεται από την ισότητα (2) ονομάζεται απόλυτη θερμοκρασία. Απόλυτη θερμοκρασία Τ δεν μπορεί να είναι αρνητικό, αφού υπάρχουν προφανώς θετικά μεγέθη στην αριστερή πλευρά της ισότητας (2) (ακριβέστερα, δεν μπορεί να έχει διαφορετικά πρόσημα, μπορεί να είναι είτε θετικό είτε αρνητικό. Αυτό εξαρτάται από την επιλογή του πρόσημου της σταθεράς κ. Εφόσον συμφωνήθηκε ότι η θερμοκρασία του τριπλού σημείου πρέπει να θεωρείται θετική, η απόλυτη θερμοκρασία μπορεί να είναι μόνο θετική). Επομένως, η χαμηλότερη δυνατή τιμή θερμοκρασίας Τ= 0 είναι η θερμοκρασία όταν η πίεση ή ο όγκος είναι μηδέν.

Η οριακή θερμοκρασία στην οποία η πίεση ενός ιδανικού αερίου εξαφανίζεται σε σταθερό όγκο ή ο όγκος ενός ιδανικού αερίου τείνει στο μηδέν (δηλαδή, το αέριο πρέπει να συμπιεστεί σε ένα "σημείο") σε σταθερή πίεση ονομάζεται απόλυτο μηδενικό. Αυτή είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία στη φύση.

Από την ισότητα (3), λαμβάνοντας υπόψη ότι \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) , η φυσική έννοια του απόλυτου μηδέν ακολουθεί: απόλυτο μηδέν - η θερμοκρασία στην οποία πρέπει να σταματήσει η θερμική μεταφορική κίνηση των μορίων. Το απόλυτο μηδέν είναι ακατόρθωτο.

Το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) χρησιμοποιεί μια απόλυτη θερμοδυναμική κλίμακα θερμοκρασίας. Το απόλυτο μηδέν λαμβάνεται ως μηδενική θερμοκρασία σε αυτήν την κλίμακα. Το δεύτερο σημείο αναφοράς είναι η θερμοκρασία στην οποία το νερό, ο πάγος και ο κορεσμένος ατμός βρίσκονται σε δυναμική ισορροπία, το λεγόμενο τριπλό σημείο (στην κλίμακα Κελσίου, η θερμοκρασία του τριπλού σημείου είναι 0,01 °C). Κάθε μονάδα απόλυτης θερμοκρασίας, που ονομάζεται Kelvin (συμβολίζεται με 1 K), είναι ίση με ένα βαθμό Κελσίου.

Βυθίζοντας τη φιάλη ενός θερμομέτρου αερίου σε λιώσιμο πάγου και στη συνέχεια σε βραστό νερό σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση, διαπίστωσαν ότι η πίεση του αερίου στη δεύτερη περίπτωση ήταν 1,3661 φορές μεγαλύτερη από την πρώτη. Λαμβάνοντας αυτό υπόψη και χρησιμοποιώντας τον τύπο (2), μπορούμε να προσδιορίσουμε ότι η θερμοκρασία τήξης του πάγου Τ 0 = 273,15 Κ.

Πράγματι, ας γράψουμε την εξίσωση (2) για τη θερμοκρασία Τ 0 τήξη πάγου και θερμοκρασία βρασμού νερού ( Τ 0 + 100):

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

Διαιρώντας τη δεύτερη εξίσωση με την πρώτη, παίρνουμε:

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

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

Το σχήμα 2 δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα της κλίμακας Κελσίου και της θερμοδυναμικής κλίμακας.

Πού πιστεύετε ότι είναι το πιο κρύο μέρος στο Σύμπαν μας; Σήμερα αυτή είναι η Γη. Για παράδειγμα, η θερμοκρασία της επιφάνειας της Σελήνης είναι -227 βαθμοί Κελσίου και η θερμοκρασία του κενού που μας περιβάλλει είναι 265 βαθμούς κάτω από το μηδέν. Ωστόσο, σε ένα εργαστήριο στη Γη, ένα άτομο μπορεί να επιτύχει θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες για να μελετήσει τις ιδιότητες των υλικών σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Τα υλικά, τα μεμονωμένα άτομα, ακόμη και το φως, που υποβάλλονται σε ακραία ψύξη, αρχίζουν να παρουσιάζουν ασυνήθιστες ιδιότητες.

Το πρώτο πείραμα αυτού του είδους πραγματοποιήθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα από φυσικούς που μελέτησαν τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υδραργύρου σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Στους -262 βαθμούς Κελσίου, ο υδράργυρος αρχίζει να εμφανίζει υπεραγώγιμες ιδιότητες, μειώνοντας την αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα σχεδόν στο μηδέν. Περαιτέρω πειράματα αποκάλυψαν επίσης άλλες ενδιαφέρουσες ιδιότητες ψυχόμενων υλικών, συμπεριλαμβανομένης της υπερρευστότητας, η οποία εκφράζεται στη «διαρροή» της ύλης μέσω στερεών χωρισμάτων και από κλειστά δοχεία.

Η επιστήμη έχει καθορίσει τη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία - μείον 273,15 βαθμούς Κελσίου, αλλά πρακτικά μια τέτοια θερμοκρασία είναι ανέφικτη. Στην πράξη, η θερμοκρασία είναι ένα κατά προσέγγιση μέτρο της ενέργειας που περιέχεται σε ένα αντικείμενο, επομένως το απόλυτο μηδέν δείχνει ότι το σώμα δεν εκπέμπει τίποτα και ότι δεν μπορεί να εξαχθεί ενέργεια από αυτό το αντικείμενο. Ωστόσο, παρά το γεγονός αυτό, οι επιστήμονες προσπαθούν να φτάσουν όσο το δυνατόν πιο κοντά στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδέν· το τρέχον ρεκόρ σημειώθηκε το 2003 στο εργαστήριο του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Οι επιστήμονες απέχουν μόλις 810 δισεκατομμυριοστά του βαθμού από το απόλυτο μηδέν. Ψύξανε ένα σύννεφο ατόμων νατρίου, που συγκρατούνταν στη θέση τους από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο.

Φαίνεται - ποιο είναι το πρακτικό νόημα τέτοιων πειραμάτων; Αποδεικνύεται ότι οι ερευνητές ενδιαφέρονται για μια τέτοια έννοια όπως το συμπύκνωμα Bose-Einstein, το οποίο είναι μια ειδική κατάσταση της ύλης - όχι αέριο, στερεό ή υγρό, αλλά απλώς ένα νέφος ατόμων με την ίδια κβαντική κατάσταση. Αυτή η μορφή της ουσίας είχε προβλεφθεί από τον Αϊνστάιν και τον Ινδό φυσικό Satyendra Bose το 1925 και ελήφθη μόλις 70 χρόνια αργότερα. Ένας από τους επιστήμονες που πέτυχαν αυτή την κατάσταση της ύλης είναι ο Wolfgang Ketterle, ο οποίος έλαβε το Νόμπελ Φυσικής για την ανακάλυψή του.

Μία από τις αξιοσημείωτες ιδιότητες των συμπυκνωμάτων Bose-Einstein (BEC) είναι η ικανότητα ελέγχου της κίνησης των ακτίνων φωτός. Στο κενό, το φως ταξιδεύει με ταχύτητα 300.000 km το δευτερόλεπτο, και αυτή είναι η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να επιτευχθεί στο Σύμπαν. Αλλά το φως μπορεί να ταξιδέψει πιο αργά εάν ταξιδεύει μέσα από την ύλη και όχι στο κενό. Με τη βοήθεια του KBE, μπορείτε να επιβραδύνετε την κίνηση του φωτός σε χαμηλές ταχύτητες, ακόμη και να το σταματήσετε. Λόγω της θερμοκρασίας και της πυκνότητας του συμπυκνώματος, η εκπομπή φωτός επιβραδύνεται και μπορεί να «συλληφθεί» και να μετατραπεί απευθείας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό το ρεύμα μπορεί να μεταφερθεί σε άλλο νέφος CBE και να μετατραπεί ξανά σε ακτινοβολία φωτός. Αυτή η δυνατότητα είναι σε μεγάλη ζήτηση στις τηλεπικοινωνίες και στους υπολογιστές. Εδώ δεν καταλαβαίνω λίγο - άλλωστε συσκευές που μετατρέπουν τα φωτεινά κύματα σε ηλεκτρισμό και το αντίστροφο υπάρχουν ΗΔΗ... Προφανώς, η χρήση του CBE επιτρέπει αυτή τη μετατροπή να πραγματοποιηθεί πιο γρήγορα και με μεγαλύτερη ακρίβεια.

Ένας από τους λόγους για τους οποίους οι επιστήμονες είναι τόσο πρόθυμοι να λάβουν το απόλυτο μηδέν είναι μια προσπάθεια να καταλάβουν τι συμβαίνει και έχει συμβεί στο Σύμπαν μας, ποιοι θερμοδυναμικοί νόμοι ισχύουν σε αυτό. Ταυτόχρονα, οι ερευνητές κατανοούν ότι η εξαγωγή όλης της ενέργειας μέχρι το τέλος από ένα άτομο είναι πρακτικά ανέφικτη.

Οποιοδήποτε φυσικό σώμα, συμπεριλαμβανομένων όλων των αντικειμένων στο Σύμπαν, έχει μια ελάχιστη θερμοκρασία ή το όριο της. Το σημείο εκκίνησης οποιασδήποτε κλίμακας θερμοκρασίας θεωρείται η τιμή της θερμοκρασίας απόλυτου μηδέν. Αλλά αυτό είναι μόνο στη θεωρία. Η χαοτική κίνηση των ατόμων και των μορίων, που εγκαταλείπουν την ενέργειά τους αυτή τη στιγμή, δεν έχει ακόμη σταματήσει στην πράξη.

Αυτός είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο δεν μπορούν να επιτευχθούν θερμοκρασίες απόλυτο μηδέν. Υπάρχουν ακόμη συζητήσεις για τις συνέπειες αυτής της διαδικασίας. Από την άποψη της θερμοδυναμικής, αυτό το όριο είναι ανέφικτο, αφού η θερμική κίνηση των ατόμων και των μορίων σταματά εντελώς και σχηματίζεται ένα κρυσταλλικό πλέγμα.

Οι εκπρόσωποι της κβαντικής φυσικής οραματίζονται την παρουσία ελάχιστων μηδενικών ταλαντώσεων σε απόλυτες μηδενικές θερμοκρασίες.

Ποια είναι η τιμή της θερμοκρασίας απόλυτου μηδέν και γιατί δεν μπορεί να επιτευχθεί

Στη Γενική Διάσκεψη για τα Βάρη και τα Μέτρα, καθιερώθηκε για πρώτη φορά ένα σημείο αναφοράς ή αναφοράς για όργανα μέτρησης που καθορίζουν δείκτες θερμοκρασίας.

Επί του παρόντος, στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων, το σημείο αναφοράς για την κλίμακα Κελσίου είναι 0°C για την κατάψυξη και 100°C για βρασμό, η τιμή των απόλυτων μηδενικών θερμοκρασιών είναι ίση με -273,15°C.

Χρησιμοποιώντας τιμές θερμοκρασίας στην κλίμακα Kelvin σύμφωνα με το ίδιο Διεθνές Σύστημα Μονάδων, ο βρασμός του νερού θα συμβεί στην τιμή αναφοράς των 99,975 ° C, το απόλυτο μηδέν είναι ίσο με 0. Στην κλίμακα Φαρενάιτ ο δείκτης αντιστοιχεί σε -459,67 μοίρες .

Αλλά, εάν ληφθούν αυτά τα δεδομένα, γιατί τότε είναι αδύνατο να επιτευχθούν στην πράξη απόλυτες θερμοκρασίες; Για σύγκριση, μπορούμε να πάρουμε τη γνωστή ταχύτητα του φωτός, η οποία ισούται με τη σταθερή φυσική τιμή των 1.079.252.848,8 km/h.

Ωστόσο, αυτή η τιμή δεν μπορεί να επιτευχθεί στην πράξη. Εξαρτάται από το μήκος κύματος μετάδοσης, τις συνθήκες και την απαιτούμενη απορρόφηση μεγάλης ποσότητας ενέργειας από τα σωματίδια. Για να ληφθεί η τιμή των απόλυτων μηδενικών θερμοκρασιών, απαιτείται μεγάλη παραγωγή ενέργειας και η απουσία των πηγών της για την αποτροπή της εισόδου της σε άτομα και μόρια.

Αλλά ακόμη και σε συνθήκες πλήρους κενού, οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να λάβουν ούτε την ταχύτητα του φωτός ούτε τις απόλυτες μηδενικές θερμοκρασίες.

Γιατί είναι δυνατόν να φτάσουμε περίπου στο μηδέν θερμοκρασίες, αλλά όχι στο απόλυτο μηδέν;

Το τι θα συμβεί όταν η επιστήμη φτάσει κοντά στην επίτευξη της εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας του απόλυτου μηδέν παραμένει μόνο στη θεωρία της θερμοδυναμικής και της κβαντικής φυσικής. Ποιος είναι ο λόγος που δεν μπορούν να επιτευχθούν στην πράξη οι απόλυτες θερμοκρασίες.

Όλες οι γνωστές προσπάθειες ψύξης μιας ουσίας στο χαμηλότερο όριο λόγω της μέγιστης απώλειας ενέργειας οδήγησαν στο γεγονός ότι η θερμική ικανότητα της ουσίας έφτασε επίσης μια ελάχιστη τιμή. Τα μόρια απλά δεν ήταν πλέον σε θέση να εγκαταλείψουν την υπόλοιπη ενέργεια. Ως αποτέλεσμα, η διαδικασία ψύξης σταμάτησε χωρίς να φτάσει το απόλυτο μηδέν.

Κατά τη μελέτη της συμπεριφοράς των μετάλλων σε συνθήκες κοντά σε θερμοκρασίες απόλυτο μηδέν, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η μέγιστη μείωση της θερμοκρασίας θα πρέπει να προκαλέσει απώλεια αντίστασης.

Αλλά η διακοπή της κίνησης των ατόμων και των μορίων οδήγησε μόνο στον σχηματισμό ενός κρυσταλλικού πλέγματος, μέσω του οποίου τα ηλεκτρόνια που περνούσαν μετέφεραν μέρος της ενέργειάς τους σε ακίνητα άτομα. Και πάλι δεν ήταν δυνατό να φτάσουμε στο απόλυτο μηδέν.

Το 2003, η θερμοκρασία ήταν μόλις το μισό δισεκατομμυριοστό του 1°C λιγότερο από το απόλυτο μηδέν. Οι ερευνητές της NASA χρησιμοποίησαν ένα μόριο Na για τη διεξαγωγή πειραμάτων, το οποίο βρισκόταν πάντα σε μαγνητικό πεδίο και εγκατέλειψε την ενέργειά του.

Το πλησιέστερο επίτευγμα πέτυχαν επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Γέιλ, οι οποίοι το 2014 πέτυχαν ποσοστό 0,0025 Kelvin. Η προκύπτουσα ένωση, μονοφθοριούχο στρόντιο (SrF), διήρκεσε μόνο 2,5 δευτερόλεπτα. Και στο τέλος εξακολουθούσε να διαλύεται σε άτομα.