Mi az abszolút nulla a fizikában. Az abszolút nulla és egymilliárd fok között

> Abszolút nulla

Tanuld meg, mivel egyenlő abszolút nulla hőmérsékletés az entrópia értéke. Tudja meg, mi az abszolút nulla hőmérséklete a Celsius- és Kelvin-skálán.

Abszolút nulla- minimális hőmérséklet. Ez az a pont, ahol az entrópia eléri legalacsonyabb értékét.

Tanulási cél

• Értsd meg, hogy az abszolút nulla miért természetes mutatója a nullapontnak.

Főbb pontok

• Az abszolút nulla univerzális, vagyis ennél a mutatónál minden anyag alapállapotban van.
• K kvantummechanikai nulla energiája. De az értelmezés szerint a kinetikus energia nulla lehet, és a hőenergia eltűnik.
• A legalacsonyabb hőmérséklet laboratóriumi körülmények között elérte a 10-12 K-t. A minimális természetes hőmérséklet 1 K volt (a gázok tágulása a Bumeráng-ködben).

Feltételek

• Az entrópia az energia egyenletes eloszlásának mértéke a rendszerben.
• A termodinamika egy olyan tudományág, amely a hőt és annak kapcsolatát az energiával és a munkával vizsgálja.

Az abszolút nulla az a minimális hőmérséklet, amelyen az entrópia eléri legalacsonyabb értékét. Vagyis ez a legkisebb mutató, ami a rendszerben megfigyelhető. Ez egy univerzális fogalom, és nulla pontként működik a hőmérsékleti mértékegységek rendszerében.

Különböző állandó térfogatú gázok nyomásának és hőmérsékletének grafikonja. Vegye figyelembe, hogy minden grafikon nulla nyomásra extrapolál egy hőmérsékleten

Az abszolút nullán lévő rendszer még mindig kvantummechanikai nullponti energiával rendelkezik. A bizonytalansági elv szerint a részecskék helyzete nem határozható meg abszolút pontossággal. Ha egy részecskét az abszolút nullánál eltolunk, akkor is rendelkezik minimális energiatartalékkal. De a klasszikus termodinamikában a kinetikus energia nulla lehet, és a hőenergia eltűnik.

A termodinamikai skála, például a Kelvin nullpontja egyenlő az abszolút nullával. Egy nemzetközi megállapodás megállapította, hogy az abszolút nulla hőmérséklete eléri a 0K-t a Kelvin-skálán és a -273,15 °C-ot a Celsius-skálán. Az anyag minimális hőmérsékleten kvantumhatásokat fejt ki, például szupravezetést és szuperfolyékonyságot. A legalacsonyabb hőmérséklet laboratóriumi körülmények között 10-12 K volt, a természetes környezetben pedig 1 K (a gázok gyors tágulása a Bumeráng-ködben).

A gázok gyors expanziója a minimális megfigyelt hőmérséklethez vezet

A jégolvadás és a forrásban lévő víz pontjainak megválasztása a hőmérsékleti skála fő pontjaként teljesen önkényes. Az így kapott hőmérsékleti skála az elméleti vizsgálatok számára kényelmetlennek bizonyult.

A termodinamika törvényei alapján Kelvinnek sikerült megszerkesztenie az úgynevezett abszolút hőmérsékleti skálát (jelenleg termodinamikai hőmérsékleti skálának vagy Kelvin-skálának hívják), teljesen függetlenül akár a hőmérő test természetétől, akár a kiválasztott hőmérős paramétertől. Az ilyen skála felépítésének elve azonban túlmutat az iskolai tananyagon. Ezt a kérdést más szempontok alapján fogjuk megvizsgálni.

A (2) képlet két lehetséges módot tartalmaz a hőmérsékleti skála létrehozására: egy bizonyos mennyiségű gáz nyomásának változását állandó térfogat mellett vagy térfogatváltozást állandó nyomáson. Ezt a skálát ún ideális gázhőmérséklet skála.

A (2) egyenlőséggel meghatározott hőmérsékletet ún abszolút hőmérséklet. Abszolút hőmérséklet Τ nem lehet negatív, mivel a (2) egyenlőség bal oldalán nyilvánvalóan pozitív mennyiségek vannak (pontosabban nem lehet különböző előjelű, lehet pozitív vagy negatív. Ez a konstans előjelének megválasztásától függ k. Mivel megegyeztek, hogy a hármaspont hőmérsékletét pozitívnak kell tekinteni, az abszolút hőmérséklet csak pozitív lehet). Ezért a lehető legalacsonyabb hőmérsékleti érték T= 0 az a hőmérséklet, amikor a nyomás vagy a térfogat nulla.

Azt a határhőmérsékletet, amelynél az ideális gáz nyomása meghatározott térfogaton eltűnik, vagy az ideális gáz térfogata nullára hajlik (vagyis a gázt egy „pontba” kell sűríteni) állandó nyomáson ún. abszolút nulla. Ez a legalacsonyabb hőmérséklet a természetben.

A (3) egyenlőségből, figyelembe véve, hogy \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) , az abszolút nulla fizikai jelentése a következő: abszolút nulla - az a hőmérséklet, amelyen a molekulák termikus transzlációs mozgásának meg kell szűnnie. Az abszolút nulla elérhetetlen.

A Nemzetközi Mértékegységrendszer (SI) abszolút termodinamikai hőmérsékleti skálát használ. Ezen a skálán az abszolút nulla nulla hőmérsékletnek számít. A második referenciapont az a hőmérséklet, amelyen a víz, a jég és a telített gőz dinamikus egyensúlyban van, az úgynevezett hármaspont (a Celsius-skálán a hármaspont hőmérséklete 0,01 °C). Az abszolút hőmérséklet minden egysége, amelyet Kelvinnek neveznek (jelképez 1 K), egyenlő egy Celsius-fokkal.

A gázhőmérő lombikját olvadó jégbe, majd normál légköri nyomású forrásban lévő vízbe merítve megállapították, hogy a gáznyomás a második esetben 1,3661-szer nagyobb, mint az elsőben. Ezt figyelembe véve és a (2) képlet segítségével meghatározhatjuk, hogy a jég olvadáspontja T 0 = 273,15 K.

Valóban, írjuk fel a (2) egyenletet a hőmérsékletre T 0 jégolvadás és víz forráspontja ( T 0 + 100):

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

A második egyenletet elosztva az elsővel, a következőt kapjuk:

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

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

A 2. ábra a Celsius-skála és a termodinamikai skála sematikus diagramját mutatja.

Szerinted hol van a világegyetem leghidegebb helye? Ma ez a Föld. Például a Hold felszíni hőmérséklete -227 Celsius-fok, a minket körülvevő vákuum hőmérséklete pedig 265 fokos nulla alatt van. Egy földi laboratóriumban azonban az ember sokkal alacsonyabb hőmérsékletet érhet el, hogy tanulmányozza az anyagok tulajdonságait ultraalacsony hőmérsékleten. Az anyagok, az egyes atomok és még a fény is extrém hűtésnek van kitéve, szokatlan tulajdonságokat mutatnak.

Az első ilyen jellegű kísérletet a 20. század elején végezték fizikusok, akik a higany elektromos tulajdonságait vizsgálták ultraalacsony hőmérsékleten. -262 Celsius fokon a higany szupravezető tulajdonságokat kezd mutatni, így az elektromos árammal szembeni ellenállás szinte nullára csökken. A további kísérletek a hűtött anyagok egyéb érdekes tulajdonságait is feltárták, köztük a szuperfolyékonyságot, amely az anyag szilárd válaszfalakon és zárt tartályokból történő „szivárgásában” fejeződik ki.

A tudomány meghatározta a legalacsonyabb elérhető hőmérsékletet - mínusz 273,15 Celsius fokot, de gyakorlatilag ez a hőmérséklet elérhetetlen. A gyakorlatban a hőmérséklet az objektumban lévő energia hozzávetőleges mértéke, tehát az abszolút nulla azt jelzi, hogy a test nem bocsát ki semmit, és az adott tárgyból nem lehet energiát kinyerni. Ennek ellenére a tudósok igyekeznek minél közelebb kerülni az abszolút nulla hőmérséklethez; a jelenlegi rekordot 2003-ban állították fel a Massachusetts Institute of Technology laboratóriumában. A tudósoknak mindössze 810 milliárdod foknyi hiánya van az abszolút nullához. Lehűtötték a nátriumatomok felhőjét, amelyet erős mágneses tér tartott a helyén.

Úgy tűnik - mi a gyakorlati értelme az ilyen kísérleteknek? Kiderült, hogy a kutatókat egy olyan koncepció érdekli, mint a Bose-Einstein kondenzátum, amely az anyag különleges állapota - nem gáz, szilárd vagy folyékony halmazállapotú, hanem egyszerűen azonos kvantumállapotú atomfelhő. Az anyag ezen formáját Einstein és Satyendra Bose indiai fizikus jósolta meg 1925-ben, és csak 70 évvel később szerezték meg. Az egyik tudós, aki elérte ezt az állapotot, Wolfgang Ketterle, aki felfedezéséért fizikai Nobel-díjat kapott.

A Bose-Einstein kondenzátumok (BEC) egyik figyelemre méltó tulajdonsága a fénysugarak mozgásának szabályozása. Vákuumban a fény 300 000 km/s sebességgel halad, és ez az Univerzumban elérhető maximális sebesség. De a fény lassabban tud haladni, ha az anyagon keresztül halad, nem pedig vákuumban. A KBE segítségével alacsony sebességre lassíthatja a fény mozgását, sőt meg is állíthatja. A kondenzátum hőmérséklete és sűrűsége miatt a fénykibocsátás lelassul, „befogható” és közvetlenül elektromos árammá alakítható. Ezt az áramot át lehet vinni egy másik CBE felhőbe, és vissza lehet alakítani fénysugárzássá. Erre a képességre nagy az igény a távközlésben és a számítástechnikában. Itt egy kicsit nem értek - elvégre MÁR Léteznek olyan eszközök, amelyek a fényhullámokat elektromos árammá alakítják és fordítva... Úgy tűnik, a CBE használata lehetővé teszi, hogy ez az átalakítás gyorsabban és pontosabban történjen.

Az egyik ok, amiért a tudósok annyira vágynak az abszolút nulla elérésére, az, hogy megpróbálják megérteni, mi történik és mi történt univerzumunkkal, és milyen termodinamikai törvények érvényesülnek benne. Ugyanakkor a kutatók megértik, hogy egy atomból gyakorlatilag elérhetetlen az energia végső kinyerése.

Minden fizikai testnek, beleértve az Univerzum minden objektumát, van egy minimális hőmérséklete vagy határa. Bármely hőmérsékleti skála kiindulópontja az abszolút nulla hőmérséklet értéke. De ez csak elméletben van. Az energiájukat ilyenkor feladó atomok és molekulák kaotikus mozgását a gyakorlatban még nem sikerült megállítani.

Ez a fő oka annak, hogy az abszolút nulla hőmérsékletet nem lehet elérni. Még mindig vita folyik ennek a folyamatnak a következményeiről. Termodinamikai szempontból ez a határ elérhetetlen, hiszen az atomok, molekulák hőmozgása teljesen leáll, kristályrács keletkezik.

A kvantumfizika képviselői a minimális nulla rezgések jelenlétét képzelik el abszolút nulla hőmérsékleten.

Mi az abszolút nulla hőmérséklet értéke és miért nem érhető el

Az Általános Súly- és Mértékkonferencián először állítottak fel referencia- vagy referenciapontot a hőmérsékleti mutatókat meghatározó mérőeszközök számára.

Jelenleg a Nemzetközi Mértékegységrendszerben a Celsius-skála referenciapontja 0°C fagynál és 100°C forrásnál, az abszolút nulla hőmérséklet értéke –273,15°C.

Az ugyanazon nemzetközi mértékegységrendszer szerinti Kelvin-skála hőmérsékleti értékeit használva a víz forráspontja 99,975 °C referenciaértéken megy végbe, az abszolút nulla 0. A Fahrenheit-skálán a mutató -459,67 foknak felel meg. .

De ha ezeket az adatokat megkapjuk, akkor miért lehetetlen abszolút nulla hőmérsékletet elérni a gyakorlatban? Összehasonlításul vehetjük a jól ismert fénysebességet, amely megegyezik az 1 079 252 848,8 km/h állandó fizikai értékkel.

Ez az érték azonban a gyakorlatban nem érhető el. Ez függ az átviteli hullámhossztól, a körülményektől és a részecskék által szükséges nagy mennyiségű energia elnyeléséhez. Az abszolút nulla hőmérséklet értékének meghatározásához nagy energiakibocsátás szükséges, és források hiánya, amelyek megakadályozzák, hogy az atomokba és molekulákba kerüljön.

De a tudósok még teljes vákuum körülményei között sem tudták megállapítani sem a fénysebességet, sem az abszolút nulla hőmérsékletet.

Miért lehet megközelítőleg nulla hőmérsékletet elérni, de az abszolút nullát nem?

Hogy mi lesz, ha a tudomány közel kerülhet az abszolút nulla rendkívül alacsony hőmérsékletének eléréséhez, az már csak a termodinamika és a kvantumfizika elméletében marad. Mi az oka annak, hogy a gyakorlatban nem lehet abszolút nulla hőmérsékletet elérni?

Minden ismert kísérlet arra, hogy a maximális energiaveszteség miatt az anyagot a legalacsonyabb határra hűtsék, oda vezetett, hogy az anyag hőkapacitása is elérte a minimális értéket. A molekulák egyszerűen már nem tudták feladni a maradék energiát. Ennek eredményeként a hűtési folyamat leállt anélkül, hogy elérte volna az abszolút nullát.

A fémek viselkedésének tanulmányozásakor az abszolút nulla hőmérséklethez közeli körülmények között a tudósok azt találták, hogy a hőmérséklet maximális csökkenése az ellenállás elvesztését okozza.

De az atomok és molekulák mozgásának leállása csak egy kristályrács kialakulásához vezetett, amelyen keresztül az áthaladó elektronok energiájuk egy részét álló atomoknak adták át. Ismét nem sikerült elérni az abszolút nullát.

2003-ban a hőmérséklet mindössze 1°C félmilliárdával maradt el az abszolút nullától. A NASA kutatói egy Na-molekulát használtak kísérletekhez, amely mindig mágneses térben volt, és feladta az energiáját.

A legközelebbi eredményt a Yale Egyetem tudósai érték el, akik 2014-ben 0,0025 Kelvin értéket értek el. A kapott vegyület, a stroncium-monofluorid (SrF) mindössze 2,5 másodpercig tartott. És a végén mégis atomokra bomlott.