भौतिकी में पूर्ण शून्य क्या है। पूर्ण शून्य और एक अरब डिग्री के बीच

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जानें क्या बराबर है पूर्ण शून्य तापमानऔर एन्ट्रापी मूल्य। पता करें कि सेल्सियस और केल्विन पैमाने पर परम शून्य का तापमान क्या है।

परम शून्य- न्यूनतम तापमान। यह वह निशान है जिस पर एंट्रॉपी अपने निम्नतम मूल्य तक पहुंचती है।

सीखने का कार्य

• समझें कि पूर्ण शून्य शून्य बिंदु का प्राकृतिक संकेतक क्यों है।

प्रमुख बिंदु

• पूर्ण शून्य सार्वभौमिक है, अर्थात इस सूचक के साथ सभी मामले जमीनी अवस्था में हैं।
• K में क्वांटम मैकेनिकल शून्य ऊर्जा है। लेकिन व्याख्या में गतिज ऊर्जा शून्य हो सकती है, और तापीय ऊर्जा गायब हो जाती है।
• प्रयोगशाला स्थितियों में न्यूनतम संभव तापमान 10-12 K तक पहुंच गया। न्यूनतम प्राकृतिक तापमान 1K (बुमेरांग नेबुला में गैसों का विस्तार) था।

शर्तें

• एन्ट्रॉपी एक माप है कि एक प्रणाली में समान ऊर्जा कैसे वितरित की जाती है।
• ऊष्मप्रवैगिकी विज्ञान की एक शाखा है जो ऊष्मा और ऊर्जा और कार्य के साथ इसके संबंध का अध्ययन करती है।

पूर्ण शून्य वह न्यूनतम तापमान है जिस पर एन्ट्रापी अपने निम्नतम मान तक पहुँच जाती है। यही है, यह सबसे छोटा संकेतक है जिसे सिस्टम में देखा जा सकता है। यह एक सार्वभौमिक अवधारणा है और तापमान इकाइयों की प्रणाली में शून्य बिंदु के रूप में कार्य करता है।

स्थिर आयतन वाली विभिन्न गैसों के लिए दबाव बनाम तापमान का ग्राफ। ध्यान दें कि सभी भूखंडों को एक तापमान पर शून्य दबाव में एक्सट्रपलेशन किया जाता है।

पूर्ण शून्य पर एक प्रणाली अभी भी क्वांटम मैकेनिकल शून्य ऊर्जा से संपन्न है। अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार, कणों की स्थिति पूर्ण सटीकता के साथ निर्धारित नहीं की जा सकती है। यदि किसी कण को ​​पूर्ण शून्य पर विस्थापित किया जाता है, तब भी उसके पास न्यूनतम ऊर्जा आरक्षित होती है। लेकिन शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी में, गतिज ऊर्जा शून्य हो सकती है, और तापीय ऊर्जा गायब हो जाती है।

थर्मोडायनामिक पैमाने का शून्य बिंदु, जैसे केल्विन, पूर्ण शून्य के बराबर होता है। एक अंतरराष्ट्रीय समझौते ने स्थापित किया है कि पूर्ण शून्य का तापमान केल्विन पैमाने पर 0K और सेल्सियस पैमाने पर -273.15 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाता है। न्यूनतम तापमान पर पदार्थ सुपरकंडक्टिविटी और सुपरफ्लुइडिटी जैसे क्वांटम प्रभाव प्रदर्शित करता है। प्रयोगशाला स्थितियों में सबसे कम तापमान 10-12 K था, और प्राकृतिक वातावरण में - 1 K (बुमेरांग नेबुला में गैसों का तेजी से विस्तार)।

गैसों का तीव्र विस्तार न्यूनतम प्रेक्षित तापमान की ओर ले जाता है

तापमान पैमाने के मुख्य बिंदुओं के रूप में बर्फ पिघलने और उबलते पानी के बिंदुओं का चुनाव पूरी तरह से मनमाना है। इस प्रकार प्राप्त तापमान पैमाना सैद्धांतिक अध्ययन के लिए असुविधाजनक निकला।

ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों के आधार पर, केल्विन तथाकथित निरपेक्ष तापमान पैमाने (इसे वर्तमान में थर्मोडायनामिक तापमान पैमाने या केल्विन पैमाने कहा जाता है) का निर्माण करने में कामयाब रहा, जो थर्मोमेट्रिक बॉडी या चुने हुए थर्मोमेट्रिक पैरामीटर की प्रकृति से पूरी तरह से स्वतंत्र है। . हालाँकि, इस तरह के पैमाने के निर्माण का सिद्धांत स्कूल के पाठ्यक्रम से परे है। हम अन्य विचारों का उपयोग करते हुए इस मुद्दे पर विचार करेंगे।

सूत्र (2) से तापमान पैमाने को स्थापित करने के दो संभावित तरीके हैं: एक स्थिर मात्रा में गैस की एक निश्चित मात्रा के दबाव में परिवर्तन का उपयोग करना, या एक स्थिर दबाव में आयतन को बदलना। यह पैमाना कहा जाता है आदर्श गैस तापमान पैमाने.

समीकरण (2) द्वारा परिभाषित तापमान कहलाता है निरपेक्ष तापमान. निरपेक्ष तापमान Τ नकारात्मक नहीं हो सकता, क्योंकि समानता में बाईं ओर (2) स्पष्ट रूप से सकारात्मक मूल्य हैं (अधिक सटीक रूप से, इसके अलग-अलग संकेत नहीं हो सकते हैं, यह या तो सकारात्मक या नकारात्मक हो सकता है। यह निरंतर के संकेत की पसंद पर निर्भर करता है क. चूंकि हम त्रिगुण बिंदु के तापमान को सकारात्मक मानने के लिए सहमत हुए हैं, पूर्ण तापमान केवल सकारात्मक हो सकता है)। इसलिए, सबसे कम संभव तापमान मान टी= 0 वह तापमान है जब दबाव या आयतन शून्य होता है।

सीमित तापमान जिस पर एक निश्चित आयतन पर एक आदर्श गैस का दबाव गायब हो जाता है या एक आदर्श गैस का आयतन शून्य हो जाता है (अर्थात, गैस, जैसा कि यह था, एक "बिंदु" तक संकुचित होना चाहिए) एक स्थिर दबाव पर, है बुलाया परम शून्य. यह प्रकृति में सबसे कम तापमान है।

समानता (3) से, \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) को ध्यान में रखते हुए, पूर्ण शून्य का भौतिक अर्थ इस प्रकार है: पूर्ण शून्य - वह तापमान जिस पर अणुओं की थर्मल ट्रांसलेशनल गति रुकनी चाहिए. पूर्ण शून्य अगम्य है।

इंटरनेशनल सिस्टम ऑफ़ यूनिट्स (SI) पूर्ण थर्मोडायनामिक तापमान पैमाने का उपयोग करता है। इस पैमाने पर परम शून्य को शून्य तापमान के रूप में लिया जाता है। दूसरा संदर्भ बिंदु वह तापमान है जिस पर पानी, बर्फ और संतृप्त भाप गतिशील संतुलन में हैं, तथाकथित ट्रिपल पॉइंट (सेल्सियस स्केल पर, ट्रिपल पॉइंट का तापमान 0.01 डिग्री सेल्सियस है)। पूर्ण तापमान की प्रत्येक इकाई, जिसे केल्विन (1 K के रूप में चिह्नित) कहा जाता है, एक डिग्री सेल्सियस के बराबर होती है।

गैस थर्मामीटर के फ्लास्क को पिघलने वाली बर्फ में और फिर सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर उबलते पानी में डुबोकर, हमने पाया कि दूसरे मामले में गैस का दबाव पहले की तुलना में 1.3661 गुना अधिक है। इसे ध्यान में रखते हुए और सूत्र (2) का उपयोग करके यह निर्धारित किया जा सकता है कि बर्फ पिघलने का तापमान क्या है टी 0 = 273.15 के.

दरअसल, हम तापमान के लिए समीकरण (2) लिखते हैं टी 0 बर्फ पिघलने और पानी क्वथनांक ( टी 0 + 100):

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

दूसरे समीकरण को पहले से विभाजित करने पर, हम प्राप्त करते हैं:

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

\(~T_0 = \frac(100)(\frac(p_2)(p_1) - 1) = \frac(100)(1.3661 - 1) = 273.15 K.\)

चित्रा 2 योजनाबद्ध रूप से सेल्सियस स्केल और थर्मोडायनामिक स्केल दिखाता है।

आपको क्या लगता है कि हमारे ब्रह्मांड में सबसे ठंडा स्थान कहाँ स्थित है? आज यह पृथ्वी है। उदाहरण के लिए, चंद्रमा की सतह का तापमान -227 डिग्री सेल्सियस है, और हमारे चारों ओर के निर्वात का तापमान शून्य से 265 डिग्री नीचे है। हालांकि, पृथ्वी पर एक प्रयोगशाला में, अल्ट्रा-निम्न तापमान में सामग्री के गुणों का अध्ययन करने के लिए एक व्यक्ति बहुत कम तापमान प्राप्त कर सकता है। सामग्री, अलग-अलग परमाणु और यहां तक ​​कि अत्यधिक शीतलन के अधीन प्रकाश भी असामान्य गुणों को प्रदर्शित करना शुरू कर देता है।

इस तरह का पहला प्रयोग 20वीं शताब्दी की शुरुआत में भौतिकविदों द्वारा किया गया था जिन्होंने पारा के विद्युत गुणों का अध्ययन अल्ट्रालो तापमान पर किया था। -262 डिग्री सेल्सियस पर, पारा अतिचालकता के गुणों को प्रदर्शित करना शुरू कर देता है, जिससे विद्युत प्रवाह का प्रतिरोध लगभग शून्य हो जाता है। आगे के प्रयोगों ने सुपरफ्लूडिटी सहित ठंडी सामग्री के अन्य दिलचस्प गुणों का भी खुलासा किया, जो ठोस विभाजन के माध्यम से और बंद कंटेनरों से पदार्थ के "रिसाव" में व्यक्त किया गया है।

विज्ञान ने न्यूनतम प्राप्य तापमान - शून्य से 273.15 डिग्री सेल्सियस निर्धारित किया है, लेकिन व्यावहारिक रूप से ऐसा तापमान अप्राप्य है। व्यवहार में, तापमान किसी वस्तु में निहित ऊर्जा का एक अनुमानित माप है, इसलिए पूर्ण शून्य इंगित करता है कि शरीर कुछ भी विकीर्ण नहीं करता है, और इस वस्तु से कोई ऊर्जा नहीं निकाली जा सकती है। लेकिन इसके बावजूद, वैज्ञानिक यथासंभव पूर्ण शून्य तापमान के करीब पहुंचने की कोशिश कर रहे हैं, वर्तमान रिकॉर्ड 2003 में मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी की प्रयोगशाला में स्थापित किया गया था। वैज्ञानिक पूर्ण शून्य से केवल 810 बिलियन डिग्री कम थे। उन्होंने एक शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र द्वारा जगह में रखे सोडियम परमाणुओं के एक बादल को ठंडा किया।

ऐसा प्रतीत होता है - ऐसे प्रयोगों का व्यावहारिक अर्थ क्या है? यह पता चला है कि शोधकर्ता बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट जैसी अवधारणा में रुचि रखते हैं, जो पदार्थ की एक विशेष अवस्था है - गैस, ठोस या तरल नहीं, बल्कि समान क्वांटम स्थिति वाले परमाणुओं का एक बादल। 1925 में आइंस्टीन और भारतीय भौतिक विज्ञानी सत्येंद्र बोस द्वारा पदार्थ के इस रूप की भविष्यवाणी की गई थी, और केवल 70 साल बाद प्राप्त की गई थी। पदार्थ की इस स्थिति को प्राप्त करने वाले वैज्ञानिकों में से एक वोल्फगैंग केटरल हैं, जिन्हें उनकी खोज के लिए भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला था।

बोस-आइंस्टीन कंडेनसेट (बीईसी) के उल्लेखनीय गुणों में से एक प्रकाश किरणों की गति को नियंत्रित करने की क्षमता है। एक निर्वात में, प्रकाश 300,000 किमी प्रति सेकंड की गति से यात्रा करता है, जो ब्रह्मांड में प्राप्त की जाने वाली सबसे तेज़ गति है। लेकिन प्रकाश अधिक धीरे-धीरे फैल सकता है यदि यह निर्वात में नहीं, बल्कि पदार्थ में फैलता है। बीईसी की मदद से, प्रकाश की गति को कम गति पर धीमा करना संभव है, और यहां तक ​​कि इसे रोकना भी संभव है। घनीभूत के तापमान और घनत्व के कारण, प्रकाश उत्सर्जन धीमा हो जाता है और इसे "कब्जा" किया जा सकता है और सीधे विद्युत प्रवाह में परिवर्तित किया जा सकता है। इस करंट को दूसरे BEC क्लाउड में स्थानांतरित किया जा सकता है और वापस प्रकाश विकिरण में परिवर्तित किया जा सकता है। यह सुविधा दूरसंचार और कंप्यूटिंग के लिए काफी मांग में है। यहाँ मुझे कुछ समझ में नहीं आया - आखिरकार, पहले से ही ऐसे उपकरण हैं जो प्रकाश तरंगों को बिजली में परिवर्तित करते हैं और इसके विपरीत ... जाहिर है, बीईसी का उपयोग इस रूपांतरण को तेजी से और अधिक सटीक रूप से करने की अनुमति देता है।

एक कारण है कि वैज्ञानिक एक पूर्ण शून्य प्राप्त करने के लिए इतने उत्सुक हैं कि यह समझने का प्रयास है कि हमारे ब्रह्मांड में क्या हो रहा है और क्या हुआ है, इसमें थर्मोडायनामिक कानून क्या काम करते हैं। इसी समय, शोधकर्ता समझते हैं कि परमाणु से अंतिम तक सारी ऊर्जा निकालना व्यावहारिक रूप से अप्राप्य है।

ब्रह्मांड में सभी वस्तुओं सहित किसी भी भौतिक शरीर का एक न्यूनतम तापमान सूचकांक या उसकी सीमा होती है। किसी भी तापमान पैमाने के संदर्भ बिंदु के लिए, पूर्ण शून्य तापमान के मान पर विचार करना प्रथागत है। लेकिन यह केवल सिद्धांत रूप में है। इस समय अपनी ऊर्जा देने वाले परमाणुओं और अणुओं की अराजक गति को व्यवहार में अभी तक रोका नहीं गया है।

यही मुख्य कारण है कि पूर्ण शून्य तापमान तक नहीं पहुंचा जा सकता है। इस प्रक्रिया के परिणामों के बारे में अभी भी विवाद हैं। ऊष्मप्रवैगिकी के दृष्टिकोण से, यह सीमा अप्राप्य है, क्योंकि परमाणुओं और अणुओं की तापीय गति पूरी तरह से बंद हो जाती है, और एक क्रिस्टल जाली बनती है।

क्वांटम भौतिकी के प्रतिनिधि पूर्ण शून्य तापमान पर न्यूनतम शून्य-बिंदु दोलनों की उपस्थिति प्रदान करते हैं।

परम शून्य ताप का मान क्या होता है और उस तक क्यों नहीं पहुँचा जा सकता

वजन और माप पर सामान्य सम्मेलन में, पहली बार तापमान संकेतकों को निर्धारित करने वाले उपकरणों को मापने के लिए एक संदर्भ या संदर्भ बिंदु स्थापित किया गया था।

वर्तमान में, इकाइयों की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली में, सेल्सियस पैमाने के लिए संदर्भ बिंदु ठंड के दौरान 0 ° C और उबलने की प्रक्रिया के दौरान 100 ° C होता है, पूर्ण शून्य तापमान का मान -273.15 ° C के बराबर होता है।

उसी अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली की इकाइयों के अनुसार केल्विन पैमाने में तापमान मूल्यों का उपयोग करते हुए, उबलते पानी 99.975 डिग्री सेल्सियस के संदर्भ मूल्य पर होगा, पूर्ण शून्य 0 के बराबर होता है। पैमाने पर फ़ारेनहाइट -459.67 डिग्री से मेल खाता है।

लेकिन, अगर ये आंकड़े प्राप्त होते हैं, तो व्यवहार में पूर्ण शून्य तापमान हासिल करना असंभव क्यों है। तुलना के लिए, हम सभी को ज्ञात प्रकाश की गति ले सकते हैं, जो 1,079,252,848.8 किमी/घंटा के निरंतर भौतिक मान के बराबर है।

हालाँकि, यह मान व्यवहार में प्राप्त नहीं किया जा सकता है। यह ट्रांसमिशन वेवलेंथ, और शर्तों पर और कणों द्वारा बड़ी मात्रा में ऊर्जा के आवश्यक अवशोषण पर निर्भर करता है। पूर्ण शून्य तापमान का मान प्राप्त करने के लिए, ऊर्जा की एक बड़ी वापसी आवश्यक है और इसके स्रोतों की अनुपस्थिति इसे परमाणुओं और अणुओं में प्रवेश करने से रोकती है।

लेकिन पूर्ण निर्वात की स्थिति में भी वैज्ञानिकों को न तो प्रकाश की गति और न ही पूर्ण शून्य तापमान प्राप्त हुआ।

लगभग शून्य तापमान तक पहुंचना क्यों संभव है, लेकिन निरपेक्ष नहीं

क्या होगा जब विज्ञान पूर्ण शून्य के बेहद कम तापमान को प्राप्त करने के करीब आ सकता है, अभी तक केवल ऊष्मप्रवैगिकी और क्वांटम भौतिकी के सिद्धांत में ही बना हुआ है। क्या कारण है कि व्यवहार में पूर्ण शून्य तापमान तक पहुंचना असंभव है।

अधिकतम ऊर्जा हानि के कारण पदार्थ को सबसे कम सीमा सीमा तक ठंडा करने के सभी ज्ञात प्रयासों ने इस तथ्य को जन्म दिया है कि पदार्थ की ताप क्षमता का मूल्य भी न्यूनतम मूल्य तक पहुंच गया है। अणु शेष ऊर्जा देने में सक्षम नहीं थे। नतीजतन, शीतलन प्रक्रिया पूर्ण शून्य तक पहुंचने से पहले ही रुक गई।

पूर्ण शून्य तापमान के मान के करीब की स्थितियों में धातुओं के व्यवहार का अध्ययन करते समय, वैज्ञानिकों ने पाया है कि तापमान में अधिकतम कमी से प्रतिरोध में कमी आनी चाहिए।

लेकिन परमाणुओं और अणुओं के संचलन की समाप्ति से केवल एक क्रिस्टल जाली का निर्माण हुआ, जिसके माध्यम से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों ने अपनी ऊर्जा का हिस्सा स्थिर परमाणुओं में स्थानांतरित कर दिया। यह फिर से पूर्ण शून्य तक पहुँचने में विफल रहा।

2003 में, पूर्ण शून्य से 1°C का केवल आधा अरबवां भाग गायब था। नासा के शोधकर्ताओं ने प्रयोग करने के लिए Na अणु का उपयोग किया, जो हमेशा एक चुंबकीय क्षेत्र में होता था और अपनी ऊर्जा देता था।

निकटतम येल विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों की उपलब्धि थी, जिसने 2014 में 0.0025 केल्विन का संकेतक हासिल किया था। परिणामी यौगिक स्ट्रोंटियम मोनोफ्लोराइड (SrF) केवल 2.5 सेकंड के लिए मौजूद था। और अंत में, यह फिर भी परमाणुओं में बिखर गया।