Ce este zero absolut în fizică. Între zero absolut și un miliard de grade

> zero absolut

Aflați cu ce este egal temperatura zero absolutși valoarea entropiei. Aflați care este temperatura lui zero absolut pe scara Celsius și Kelvin.

Zero absolut– temperatura minima. Acesta este punctul în care entropia atinge cea mai mică valoare.

Obiectiv de învățare

• Înțelegeți de ce zeroul absolut este un indicator natural al punctului zero.

Punctele principale

• Zero absolut este universal, adică toată materia este în starea fundamentală la acest indicator.
• K are energie mecanică cuantică zero. Dar, în interpretare, energia cinetică poate fi zero, iar energia termică dispare.
• Cea mai scăzută temperatură în condiții de laborator a ajuns la 10-12 K. Temperatura minimă naturală a fost de 1 K (expansiunea gazelor în Nebuloasa Boomerang).

Termeni

• Entropia este o măsură a modului în care energia uniformă este distribuită într-un sistem.
• Termodinamica este o ramură a științei care studiază căldura și relația acesteia cu energia și munca.

Zero absolut este temperatura minimă la care entropia atinge cea mai mică valoare. Adică acesta este cel mai mic indicator care poate fi observat în sistem. Acesta este un concept universal și acționează ca punct zero în sistemul de unități de temperatură.

Graficul presiunii în funcție de temperatură pentru diferite gaze cu volum constant. Rețineți că toate graficele extrapolează la presiune zero la o temperatură

Un sistem la zero absolut este încă dotat cu energie mecanică cuantică a punctului zero. Conform principiului incertitudinii, poziția particulelor nu poate fi determinată cu acuratețe absolută. Dacă o particulă este deplasată la zero absolut, aceasta are totuși o rezervă minimă de energie. Dar în termodinamica clasică, energia cinetică poate fi zero, iar energia termică dispare.

Punctul zero al unei scale termodinamice, cum ar fi Kelvin, este egal cu zero absolut. Acordul internațional a stabilit că temperatura zero absolut atinge 0K pe scara Kelvin și -273,15°C pe scara Celsius. Substanța prezintă efecte cuantice la temperaturi minime, cum ar fi supraconductivitate și superfluiditate. Temperatura cea mai scăzută în condiții de laborator a fost de 10-12 K, iar în mediul natural - 1 K (expansiunea rapidă a gazelor în Nebuloasa Boomerang).

Expansiunea rapidă a gazelor duce la temperatura minimă observată

Alegerea punctelor de topire a gheții și a apei de fierbere ca puncte principale ale scalei de temperatură este complet arbitrară. Scara de temperatură astfel obținută s-a dovedit a fi incomodă pentru studii teoretice.

Pe baza legilor termodinamicii, Kelvin a reușit să construiască așa-numita scară de temperatură absolută (în prezent se numește scară de temperatură termodinamică sau scara Kelvin), complet independentă fie de natura corpului termometric, fie de parametrul termometric selectat. Totuși, principiul construirii unei astfel de scale depășește curriculumul școlar. Vom analiza această problemă folosind alte considerații.

Formula (2) implică două moduri posibile de a stabili o scară de temperatură: folosind o modificare a presiunii unei anumite cantități de gaz la un volum constant sau o modificare a volumului la o presiune constantă. Această scară se numește scala de temperatură a gazului ideal.

Temperatura determinată de egalitate (2) se numește temperatura absolută. Temperatura absolută Τ nu poate fi negativ, deoarece există în mod evident cantități pozitive în partea stângă a egalității (2) (mai precis, nu poate avea semne diferite, poate fi fie pozitiv, fie negativ. Aceasta depinde de alegerea semnului constantei k. Deoarece s-a convenit că temperatura punctului triplu trebuie considerată pozitivă, temperatura absolută poate fi doar pozitivă). Prin urmare, cea mai mică valoare posibilă a temperaturii T= 0 este temperatura când presiunea sau volumul este zero.

Temperatura limită la care presiunea unui gaz ideal dispare la un volum fix sau volumul unui gaz ideal tinde spre zero (adică, gazul ar trebui să fie comprimat într-un „punct”) la o presiune constantă se numește zero absolut. Aceasta este cea mai scăzută temperatură din natură.

Din egalitatea (3), ținând cont că \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) , semnificația fizică a zeroului absolut urmează: zero absolut - temperatura la care mișcarea de translație termică a moleculelor ar trebui să înceteze. Zero absolut este de neatins.

Sistemul Internațional de Unități (SI) folosește o scală de temperatură termodinamică absolută. Zero absolut este considerat temperatură zero pe această scară. Al doilea punct de referință este temperatura la care apa, gheața și aburul saturat se află în echilibru dinamic, așa-numitul punct triplu (pe scara Celsius, temperatura punctului triplu este de 0,01 °C). Fiecare unitate de temperatură absolută, numită Kelvin (simbolizată cu 1 K), este egală cu un grad Celsius.

Prin scufundarea balonului unui termometru cu gaz în gheață care se topește și apoi în apă clocotită la presiunea atmosferică normală, au descoperit că presiunea gazului în al doilea caz a fost de 1,3661 de ori mai mare decât în ​​primul. Luând în considerare acest lucru și folosind formula (2), putem determina că temperatura de topire a gheții T 0 = 273,15 K.

Într-adevăr, să scriem ecuația (2) pentru temperatură T 0 temperatura de topire a gheții și de fierbere a apei ( T 0 + 100):

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

Împărțind a doua ecuație la prima, obținem:

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

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

Figura 2 prezintă o diagramă schematică a scării Celsius și a scării termodinamice.

Unde crezi că este cel mai rece loc din Universul nostru? Astăzi acesta este Pământul. De exemplu, temperatura de suprafață a Lunii este de -227 de grade Celsius, iar temperatura vidului care ne înconjoară este de 265 de grade sub zero. Cu toate acestea, într-un laborator de pe Pământ, o persoană poate atinge temperaturi mult mai scăzute pentru a studia proprietățile materialelor la temperaturi foarte scăzute. Materialele, atomii individuali și chiar lumina, supuse unei răciri extreme, încep să prezinte proprietăți neobișnuite.

Primul experiment de acest fel a fost realizat la începutul secolului al XX-lea de către fizicieni care au studiat proprietățile electrice ale mercurului la temperaturi foarte scăzute. La -262 de grade Celsius, mercurul începe să prezinte proprietăți supraconductoare, reducând rezistența la curentul electric la aproape zero. Experimentele ulterioare au dezvăluit, de asemenea, alte proprietăți interesante ale materialelor răcite, inclusiv superfluiditatea, care se exprimă în „scurgerea” materiei prin pereții solide și din containere închise.

Știința a determinat cea mai scăzută temperatură posibilă - minus 273,15 grade Celsius, dar practic o astfel de temperatură este de neatins. În practică, temperatura este o măsură aproximativă a energiei conținute într-un obiect, așa că zero absolut indică faptul că corpul nu emite nimic și nicio energie nu poate fi extrasă din acel obiect. Dar, în ciuda acestui fapt, oamenii de știință încearcă să se apropie cât mai mult posibil de temperatura zero absolut; recordul actual a fost stabilit în 2003 în laboratorul Institutului de Tehnologie din Massachusetts. Oamenii de știință sunt cu doar 810 de miliarde de grad mai puțin de zero absolut. Au răcit un nor de atomi de sodiu, ținuți în loc de un câmp magnetic puternic.

S-ar părea - care este sensul practic al unor astfel de experimente? Se pare că cercetătorii sunt interesați de un astfel de concept precum un condensat Bose-Einstein, care este o stare specială a materiei - nu un gaz, solid sau lichid, ci pur și simplu un nor de atomi cu aceeași stare cuantică. Această formă a substanței a fost prezisă de Einstein și fizicianul indian Satyendra Bose în 1925 și a fost obținută doar 70 de ani mai târziu. Unul dintre oamenii de știință care a atins această stare a materiei este Wolfgang Ketterle, care a primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru descoperirea sa.

Una dintre proprietățile remarcabile ale condensului Bose-Einstein (BEC) este capacitatea de a controla mișcarea razelor de lumină. În vid, lumina se deplasează cu o viteză de 300.000 km pe secundă, iar aceasta este viteza maximă care poate fi atinsă în Univers. Dar lumina poate călători mai încet dacă călătorește prin materie, mai degrabă decât în ​​vid. Cu ajutorul KBE, puteți încetini mișcarea luminii la viteze mici și chiar o puteți opri. Datorită temperaturii și densității condensului, emisia de lumină este încetinită și poate fi „captată” și transformată direct în curent electric. Acest curent poate fi transferat într-un alt nor CBE și convertit înapoi în radiație luminoasă. Această capacitate este foarte solicitată în telecomunicații și calcul. Aici nu înțeleg puțin - până la urmă, dispozitivele care convertesc undele luminoase în electricitate și invers DEJA există... Aparent, utilizarea CBE permite ca această conversie să fie efectuată mai rapid și mai precis.

Unul dintre motivele pentru care oamenii de știință sunt atât de dornici să obțină zero absolut este încercarea de a înțelege ce se întâmplă și s-a întâmplat cu Universul nostru, ce legile termodinamice se aplică în el. În același timp, cercetătorii înțeleg că extragerea până la urmă a întregii energie dintr-un atom este practic de neatins.

Orice corp fizic, inclusiv toate obiectele din Univers, are o temperatură minimă sau o limită a acesteia. Punctul de pornire al oricărei scale de temperatură este considerat a fi valoarea temperaturii zero absolut. Dar asta este doar în teorie. Mișcarea haotică a atomilor și moleculelor, care renunță la energia lor în acest moment, nu a fost încă oprită în practică.

Acesta este motivul principal pentru care nu pot fi atinse temperaturile zero absolut. Există încă dezbateri despre consecințele acestui proces. Din punctul de vedere al termodinamicii, această limită este de neatins, deoarece mișcarea termică a atomilor și moleculelor se oprește complet și se formează o rețea cristalină.

Reprezentanții fizicii cuantice au în vedere prezența oscilațiilor minime zero la temperaturi zero absolut.

Care este valoarea temperaturii zero absolut și de ce nu poate fi atinsă

La Conferința Generală a Greutăților și Măsurilor a fost stabilit pentru prima dată un punct de referință sau de referință pentru instrumentele de măsură care determină indicatorii de temperatură.

În prezent, în Sistemul Internațional de Unități, punctul de referință pentru scara Celsius este 0°C pentru congelare și 100°C pentru fierbere, valoarea temperaturilor zero absolut este egală cu −273,15°C.

Folosind valorile temperaturii pe scara Kelvin conform aceluiași Sistem internațional de unități, fierberea apei va avea loc la valoarea de referință de 99,975 ° C, zero absolut este egal cu 0. Pe scara Fahrenheit indicatorul corespunde la -459,67 grade. .

Dar, dacă aceste date sunt obținute, de ce atunci este imposibil să se atingă temperaturile zero absolut în practică? Pentru comparație, putem lua binecunoscuta viteză a luminii, care este egală cu valoarea fizică constantă de 1.079.252.848,8 km/h.

Cu toate acestea, această valoare nu poate fi atinsă în practică. Depinde de lungimea de undă de transmisie, de condiții și de absorbția necesară a unei cantități mari de energie de către particule. Pentru a obține valoarea temperaturilor zero absolut, este necesară o producție mare de energie și absența surselor sale pentru a împiedica intrarea în atomi și molecule.

Dar chiar și în condiții de vid complet, oamenii de știință nu au putut obține nici viteza luminii, nici temperaturile zero absolut.

De ce este posibil să se ajungă la temperaturi aproximativ zero, dar nu zero absolut?

Ce se va întâmpla atunci când știința se va apropia de atingerea temperaturii extrem de scăzute a zero absolut rămâne doar în teoria termodinamicii și a fizicii cuantice. Care este motivul pentru care temperaturile zero absolut nu pot fi atinse în practică.

Toate încercările cunoscute de a răci o substanță la limita cea mai inferioară din cauza pierderii maxime de energie au dus la faptul că capacitatea termică a substanței a atins și o valoare minimă. Moleculele pur și simplu nu au mai putut să renunțe la energia rămasă. Ca urmare, procesul de răcire s-a oprit fără a ajunge la zero absolut.

Când au studiat comportamentul metalelor în condiții apropiate de temperaturile zero absolut, oamenii de știință au descoperit că o scădere maximă a temperaturii ar trebui să provoace o pierdere a rezistenței.

Dar încetarea mișcării atomilor și moleculelor a dus doar la formarea unei rețele cristaline, prin care electronii care trec au transferat o parte din energia lor atomilor staționari. Din nou, nu a fost posibil să se ajungă la zero absolut.

În 2003, temperatura era cu doar o jumătate de miliardime din 1°C mai mică decât zero absolut. Cercetătorii NASA au folosit o moleculă de Na pentru a efectua experimente, care a fost întotdeauna într-un câmp magnetic și a renunțat la energia sa.

Cea mai apropiată realizare a fost obținută de oamenii de știință de la Universitatea Yale, care în 2014 au atins o cifră de 0,0025 Kelvin. Compusul rezultat, monofluorura de stronțiu (SrF), a durat doar 2,5 secunde. Și până la urmă tot s-a dezintegrat în atomi.