Co to jest zero absolutne w fizyce. Od zera absolutnego do miliarda stopni

> Zero absolutne

Dowiedz się, czemu to jest równe temperatura zera absolutnego i wartość entropii. Dowiedz się, jaka jest temperatura zera absolutnego w skali Celsjusza i Kelvina.

Zero absolutne– minimalna temperatura. Jest to punkt, w którym entropia osiąga najniższą wartość.

Cel uczenia się

• Zrozum, dlaczego zero absolutne jest naturalnym wskaźnikiem punktu zerowego.

Główne punkty

• Zero absolutne jest uniwersalne, to znaczy, że przy tym wskaźniku cała materia znajduje się w stanie podstawowym.
• K ma energię zerową w mechanice kwantowej. Ale w interpretacji energia kinetyczna może wynosić zero, a energia cieplna znika.
• Najniższa temperatura w warunkach laboratoryjnych sięgała 10-12 K. Minimalna temperatura naturalna wynosiła 1 K (ekspansja gazów w Mgławicy Bumerang).

Warunki

• Entropia jest miarą równomiernego rozkładu energii w układzie.
• Termodynamika to dziedzina nauki zajmująca się badaniem ciepła i jego związku z energią i pracą.

Zero absolutne to minimalna temperatura, w której entropia osiąga najniższą wartość. Oznacza to, że jest to najmniejszy wskaźnik, jaki można zaobserwować w systemie. Jest to koncepcja uniwersalna i pełni funkcję punktu zerowego w układzie jednostek temperatury.

Wykres ciśnienia w funkcji temperatury dla różnych gazów o stałej objętości. Należy zauważyć, że wszystkie wykresy ekstrapolują do ciśnienia zerowego w jednej temperaturze

Układ w temperaturze zera absolutnego jest nadal wyposażony w energię kwantowo-mechaniczną punktu zerowego. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności położenia cząstek nie można określić z absolutną dokładnością. Jeśli cząstka zostanie przesunięta w temperaturze zera absolutnego, nadal ma minimalną rezerwę energii. Ale w termodynamice klasycznej energia kinetyczna może wynosić zero, a energia cieplna zanika.

Punkt zerowy skali termodynamicznej, takiej jak Kelvin, jest równy zeru absolutnemu. Międzynarodowe porozumienie ustaliło, że temperatura zera absolutnego osiąga 0 K w skali Kelvina i -273,15°C w skali Celsjusza. Substancja wykazuje efekty kwantowe w temperaturach minimalnych, takie jak nadprzewodnictwo i nadciekłość. Najniższa temperatura w warunkach laboratoryjnych wynosiła 10-12 K, a w środowisku naturalnym - 1 K (gwałtowna ekspansja gazów w Mgławicy Bumerang).

Gwałtowna ekspansja gazów prowadzi do minimalnej obserwowanej temperatury

Wybór punktów topnienia lodu i wrzącej wody jako głównych punktów skali temperatur jest całkowicie dowolny. Uzyskana w ten sposób skala temperatur okazała się niewygodna w badaniach teoretycznych.

W oparciu o prawa termodynamiki Kelvinowi udało się skonstruować tzw. bezwzględną skalę temperatury (obecnie nazywa się to termodynamiczną skalą temperatury lub skalą Kelvina), całkowicie niezależną ani od natury ciała termometrycznego, ani od wybranego parametru termometrycznego. Zasada konstruowania takiej skali wykracza jednak poza program szkolny. Przyjrzymy się temu zagadnieniu, korzystając z innych rozważań.

Wzór (2) implikuje dwa możliwe sposoby ustalenia skali temperatury: wykorzystując zmianę ciśnienia pewnej ilości gazu przy stałej objętości lub zmianę objętości przy stałym ciśnieniu. Ta skala nazywa się Skala temperatury gazu idealnego.

Nazywa się temperaturę określoną przez równość (2). temperatura absolutna. Temperatura absolutna Τ nie może być ujemna, gdyż po lewej stronie równości (2) znajdują się oczywiście wielkości dodatnie (dokładniej nie może mieć różnych znaków, może być dodatnia lub ujemna. Zależy to od wyboru znaku stałej k. Ponieważ uznano, że temperaturę punktu potrójnego należy uznać za dodatnią, temperatura bezwzględna może być tylko dodatnia). Dlatego najniższa możliwa wartość temperatury T= 0 to temperatura, w której ciśnienie lub objętość wynosi zero.

Graniczna temperatura, w której ciśnienie gazu doskonałego zanika przy stałej objętości lub objętość gazu doskonałego dąży do zera (tj. gaz powinien zostać ściśnięty do „punktu”) przy stałym ciśnieniu, nazywa się zero absolutne. Jest to najniższa temperatura w przyrodzie.

Z równości (3), biorąc pod uwagę, że \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) , fizyczne znaczenie zera absolutnego wynika: zero absolutne - temperatura, w której powinien ustać termiczny ruch translacyjny cząsteczek. Zero absolutne jest nieosiągalne.

Międzynarodowy układ jednostek (SI) wykorzystuje bezwzględną termodynamiczną skalę temperatury. Zero absolutne w tej skali przyjmuje się jako temperaturę zerową. Drugim punktem odniesienia jest temperatura, w której woda, lód i para nasycona znajdują się w równowadze dynamicznej, tzw. punkt potrójny (w skali Celsjusza temperatura punktu potrójnego wynosi 0,01°C). Każda jednostka temperatury bezwzględnej, zwana Kelvinem (symbolizowana przez 1 K), jest równa stopniowi Celsjusza.

Zanurzając kolbę termometru gazowego w topniejącym lodzie, a następnie we wrzącej wodzie pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym, odkryli, że ciśnienie gazu w drugim przypadku było 1,3661 razy większe niż w pierwszym. Biorąc to pod uwagę i korzystając ze wzoru (2) możemy wyznaczyć temperaturę topnienia lodu T 0 = 273,15 K.

Rzeczywiście, napiszmy równanie (2) dla temperatury T 0 temperatura topnienia lodu i wrzenia wody ( T 0 + 100):

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

Dzieląc drugie równanie przez pierwsze, otrzymujemy:

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

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

Rysunek 2 przedstawia schematyczny diagram skali Celsjusza i skali termodynamicznej.

Jak myślisz, gdzie jest najzimniejsze miejsce w naszym Wszechświecie? Dziś to jest Ziemia. Na przykład temperatura powierzchni Księżyca wynosi -227 stopni Celsjusza, a temperatura otaczającej nas próżni jest 265 stopni poniżej zera. Jednak w laboratorium na Ziemi człowiek może osiągnąć znacznie niższe temperatury, aby badać właściwości materiałów w ultraniskich temperaturach. Materiały, pojedyncze atomy, a nawet światło poddane ekstremalnemu ochłodzeniu zaczynają wykazywać niezwykłe właściwości.

Pierwszy tego typu eksperyment przeprowadzili na początku XX wieku fizycy, którzy badali właściwości elektryczne rtęci w ultraniskich temperaturach. W temperaturze -262 stopni Celsjusza rtęć zaczyna wykazywać właściwości nadprzewodzące, zmniejszając opór prądu elektrycznego niemal do zera. Dalsze eksperymenty ujawniły także inne ciekawe właściwości chłodzonych materiałów, w tym nadciekłość, która wyraża się w „wycieku” materii przez przegrody stałe i z zamkniętych pojemników.

Nauka określiła najniższą możliwą do osiągnięcia temperaturę - minus 273,15 stopnia Celsjusza, ale praktycznie taka temperatura jest nieosiągalna. W praktyce temperatura jest przybliżoną miarą energii zawartej w obiekcie, więc zero bezwzględne oznacza, że ​​ciało nic nie emituje i nie można z tego obiektu wydobyć żadnej energii. Mimo to naukowcy starają się zbliżyć do temperatury zera absolutnego, aktualny rekord został ustanowiony w 2003 roku w laboratorium Massachusetts Institute of Technology. Naukowcom brakuje zaledwie 810 miliardowych części stopnia do zera absolutnego. Schłodzili chmurę atomów sodu, utrzymywaną w miejscu przez silne pole magnetyczne.

Wydawałoby się – jakie jest praktyczne znaczenie takich eksperymentów? Okazuje się, że badaczy interesuje takie pojęcie jak kondensat Bosego-Einsteina, czyli szczególny stan materii – nie gaz, ciało stałe czy ciecz, ale po prostu chmura atomów o tym samym stanie kwantowym. Tę formę substancji przewidzieli Einstein i indyjski fizyk Satyendra Bose w 1925 roku, a uzyskano ją dopiero 70 lat później. Jednym z naukowców, któremu udało się osiągnąć ten stan materii, jest Wolfgang Ketterle, który za swoje odkrycie otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Jedną z niezwykłych właściwości kondensatów Bosego-Einsteina (BEC) jest zdolność kontrolowania ruchu promieni świetlnych. W próżni światło przemieszcza się z prędkością 300 000 km na sekundę i jest to maksymalna prędkość osiągalna we Wszechświecie. Ale światło może podróżować wolniej, jeśli podróżuje przez materię, a nie w próżni. Za pomocą KBE możesz spowolnić ruch światła do niskich prędkości, a nawet go zatrzymać. Ze względu na temperaturę i gęstość kondensatu emisja światła jest spowolniona i może zostać „wychwycona” i bezpośrednio zamieniona na prąd elektryczny. Prąd ten można przenieść do innej chmury CBE i ponownie przekształcić w promieniowanie świetlne. Możliwość ta jest bardzo pożądana w telekomunikacji i informatyce. Tutaj trochę nie rozumiem - wszak urządzenia zamieniające fale świetlne na prąd i odwrotnie JUŻ istnieją... Podobno zastosowanie CBE pozwala na szybszą i dokładniejszą realizację tej konwersji.

Jednym z powodów, dla których naukowcom tak zależy na uzyskaniu zera absolutnego, jest próba zrozumienia, co się dzieje i działo z naszym Wszechświatem, jakie prawa termodynamiczne w nim obowiązują. Jednocześnie badacze rozumieją, że wydobycie całej energii z atomu do ostatniej kropli jest praktycznie nieosiągalne.

Każde ciało fizyczne, w tym wszystkie obiekty we Wszechświecie, ma minimalną temperaturę lub jej granicę. Za punkt wyjścia dowolnej skali temperatury uważa się wartość temperatury zera absolutnego. Ale to tylko w teorii. Chaotyczny ruch atomów i cząsteczek, które w tym momencie oddają swoją energię, nie został jeszcze w praktyce zatrzymany.

Jest to główny powód, dla którego nie można osiągnąć temperatur zera absolutnego. Nadal toczą się dyskusje na temat konsekwencji tego procesu. Z punktu widzenia termodynamiki granica ta jest nieosiągalna, ponieważ ruch termiczny atomów i cząsteczek zatrzymuje się całkowicie i powstaje sieć krystaliczna.

Przedstawiciele fizyki kwantowej przewidują obecność minimalnych zerowych oscylacji w temperaturach zera absolutnego.

Jaka jest wartość temperatury zera absolutnego i dlaczego nie można jej osiągnąć

Na Generalnej Konferencji Miar i Wag po raz pierwszy ustalono punkt odniesienia lub punkt odniesienia dla przyrządów pomiarowych określających wskaźniki temperatury.

Obecnie w Międzynarodowym Układzie Jednostek punktem odniesienia dla skali Celsjusza jest 0°C dla zamrażania i 100°C dla wrzenia, wartość temperatur zera bezwzględnego wynosi -273,15°C.

Stosując wartości temperatury w skali Kelvina według tego samego Międzynarodowego Układu Jednostek, wrzenie wody nastąpi przy wartości odniesienia 99,975 ° C, zero absolutne jest równe 0. W skali Fahrenheita wskaźnik odpowiada -459,67 stopnia .

Ale jeśli te dane zostaną uzyskane, dlaczego w praktyce niemożliwe jest osiągnięcie temperatur zera absolutnego? Dla porównania możemy przyjąć dobrze znaną prędkość światła, która jest równa stałej wartości fizycznej wynoszącej 1 079 252 848,8 km/h.

Jednak w praktyce wartości tej nie da się osiągnąć. Zależy to od długości fali transmisji, warunków i wymaganego pochłaniania dużej ilości energii przez cząstki. Aby uzyskać wartość temperatur zera absolutnego, wymagany jest duży wydatek energii i brak jej źródeł, które uniemożliwiałyby jej przedostanie się do atomów i cząsteczek.

Jednak nawet w warunkach całkowitej próżni naukowcom nie udało się uzyskać ani prędkości światła, ani temperatur zera absolutnego.

Dlaczego możliwe jest osiągnięcie temperatur w przybliżeniu zerowych, ale nie zera absolutnego?

To, co się stanie, gdy nauka będzie w stanie zbliżyć się do osiągnięcia ekstremalnie niskiej temperatury zera absolutnego, pozostaje jedynie w teorii termodynamiki i fizyki kwantowej. Z jakiego powodu w praktyce nie można osiągnąć temperatur zera absolutnego?

Wszystkie znane próby schłodzenia substancji do najniższej granicy ze względu na maksymalną stratę energii doprowadziły do ​​tego, że pojemność cieplna substancji również osiągnęła wartość minimalną. Cząsteczki po prostu nie były już w stanie oddawać pozostałej energii. W rezultacie proces chłodzenia zatrzymał się, nie osiągając zera absolutnego.

Badając zachowanie metali w warunkach bliskich temperaturom bliskim zera absolutnego, naukowcy odkryli, że maksymalny spadek temperatury powinien spowodować utratę rezystancji.

Ale zaprzestanie ruchu atomów i cząsteczek doprowadziło jedynie do powstania sieci krystalicznej, przez którą przechodzące elektrony przekazywały część swojej energii nieruchomym atomom. Znów nie udało się osiągnąć zera absolutnego.

W 2003 r. temperatura była tylko o pół miliardowej 1°C niższa od zera absolutnego. Naukowcy z NASA do przeprowadzenia eksperymentów wykorzystali cząsteczkę Na, która zawsze znajdowała się w polu magnetycznym i oddawała swoją energię.

Największe osiągnięcie osiągnęli naukowcy z Uniwersytetu Yale, którzy w 2014 roku osiągnęli wynik 0,0025 Kelvina. Powstały związek, monofluorek strontu (SrF), działał tylko 2,5 sekundy. I w końcu nadal rozpadał się na atomy.