Що таке абсолютний нуль у фізиці. Між абсолютним нулем та мільярдом градусів

> Абсолютний нуль

Вивчіть, чому дорівнює абсолютний нуль температурита значення ентропії. Дізнайтеся, чому дорівнює температура абсолютного нуля за шкалою Цельсія та Кельвіна.

Абсолютний нуль- Мінімальна температура. Це позначка, коли він ентропія досягає найменшого значення.

Завдання навчання

• Розібратися в тому, чому абсолютний нуль є природним показником нульової точки.

Основні пункти

• Абсолютний нуль виступає універсальним, тобто вся матерія перебуває в основному стані при цьому показнику.
• До володіє квантово-механічною нульовою енергією. Але в інтерпретації кінетична енергія може бути нульовою, а теплова зникає.
• Максимально низька температура у лабораторних умовах досягла 10-12 К. Мінімальна природна – 1К (розширення газів у туманності Бумеранг).

Терміни

• Ентропія – міра того, як рівномірна енергія розташовується у системі.
• Термодинаміка – галузь у науці, що вивчає тепло та його співвідношення з енергією та роботою.

Абсолютний нуль – мінімальна температура, коли він ентропія досягає найменшого значення. Тобто це найменший показник, який можна спостерігати в системі. Це універсальне поняття та виступає нульовою точкою в системі одиниць температури.

Графік залежності тиску від температури для різних газів із постійним об'ємом. Зауважте, що всі графіки екстраполюються до нульового тиску за однієї температури

Система в абсолютному нулі все ще має квантово-механічну нульову енергію. Відповідно до принципу невизначеності, становище частинок не можна визначити з абсолютною точністю. Якщо частинка зміщується в абсолютному нулі, то все ще має мінімальний енергетичний запас. Але в класичній термодинаміці кінетична енергія може бути нульовою, а теплова зникає.

Нульова точка термодинамічної шкали на кшталт Кельвіна прирівнюється до абсолютного нуля. Міжнародна угода встановила, що температура абсолютного нуля досягає 0K за шкалою Кельвіна та -273.15°C за шкалою Цельсія. Речовина при мінімальних температурних показниках виявляє квантові ефекти, на кшталт надпровідності та надплинності. Найбільш низька температура у лабораторних умовах становила 10-12 K, а природному середовищі – 1K (швидке розширення газів у туманності Бумеранг).

Стрімке розширення газів призводить до мінімальної температури, що спостерігається.

Вибір як основні точки температурної шкали точок танення льоду і кипіння води цілком довільний. Отримана у такий спосіб температурна шкала виявилася незручною для теоретичних досліджень.

Спираючись на закони термодинаміки, Кельвін вдалося побудувати так звану абсолютну температурну шкалу (її в даний час називають термодинамічної шкалою температур або шкалою Кельвіна), що абсолютно не залежить ні від природи термометричного тіла, ні від обраного термометричного параметра. Однак принцип побудови такої шкали виходить за межі шкільної програми. Ми розглянемо це питання, використовуючи інші міркування.

З формули (2) випливають два можливі способи встановлення температурної шкали: використання зміни тиску певної кількості газу при постійному об'ємі або зміна об'єму при постійному тиску. Таку шкалу називають ідеальної газової шкалою температури.

Температура, яка визначається рівністю (2), називається абсолютною температурою. Абсолютна температура Τ не може бути негативною, тому що зліва в рівності (2) стоять свідомо позитивні величини (точніше, вона не може бути різних знаків, вона може бути або позитивною, або негативною. Це залежить від вибору постійного знака k. Так як умовилися температуру потрійної точки вважати позитивною, то абсолютна температура може бути лише позитивною. Отже, найменше можливе значення температури Т= 0 є температура, коли тиск чи обсяг дорівнюють нулю.

Гранична температура, при якій тиск ідеального газу обертається в нуль при фіксованому обсязі або обсяг ідеального газу прагне нуля (тобто газ ніби повинен стиснутися в "точку") при незмінному тиску, називається абсолютним нулем. Це найнижча температура у природі.

З рівності (3), враховуючи, що \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) , випливає фізичний сенс абсолютного нуля: абсолютний нуль - температура, за якої має припинитися тепловий поступальний рух молекул. Абсолютний нуль недосяжний.

У міжнародній системі одиниць (СІ) використовують абсолютну термодинамічну шкалу температур. За нульову температуру за цією шкалою прийнято абсолютний нуль. Як друга опорна точка прийнята температура, при якій знаходяться в динамічній рівновазі вода, лід і насичена пара, так звана потрійна точка (за шкалою Цельсія температура потрійної точки дорівнює 0,01 °С). Кожна одиниця абсолютної температури, яка називається Кельвіном (позначається 1 К), дорівнює градусу Цельсія.

Занурюючи колбу газового термометра в лід, що тане, а потім в киплячу воду при нормальному атмосферному тиску, виявили, що тиск газу в другому випадку в 1,3661 рази більше, ніж у першому. З огляду на це та користуючись формулою (2), можна визначити, що температура танення льоду T 0 = 273,15 До.

Дійсно, запишемо рівняння (2) для температури T 0 танення льоду та температури кипіння води ( T 0 + 100):

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

Розділимо друге рівняння на перше, отримаємо:

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

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

На малюнку 2 схематично показані шкала Цельсія та термодинамічна шкала.

Як ви думаєте, де знаходиться найхолодніше місце у нашому Всесвіті? Сьогодні це Земля. Наприклад, температура поверхні Місяця -227 градусів за шкалою Цельсія, а температура вакууму, що оточує нас, становить 265 градусів нижче за нуль. Однак у лабораторії Землі людина може досягти температури набагато нижче, вивчення властивостей матеріалів за умов наднизьких температур. Матеріали, окремі атоми і навіть світло, піддані екстремальному охолодженню, починають виявляти незвичні властивості.

Перший експеримент такого роду було поставлено на початку 20 століття фізиками, які вивчали електричні властивості ртуті при наднизькій температурі. При -262 градуси за Цельсієм ртуть починає виявляти властивості надпровідності, зменшуючи опір електричного струму практично до нуля. Подальші експерименти також виявили інші цікаві властивості охолоджених матеріалів, включаючи надплинність, яка виражається в "просочуванні" речовини крізь тверді перегородки та із закритих ємностей.

Наукою визначено найнижчу досяжну температуру - мінус 273.15 градусів Цельсія, але практично така температура недосяжна. Практично температура є приблизною мірою енергії, укладеної в об'єкті, тому абсолютний нуль показує, що тіло нічого не випромінює, і жодної енергії з цього об'єкта витягти не можна. Але незважаючи на це, вчені намагаються підібратися якомога ближче до абсолютного нуля температури, актуальний рекорд було поставлено у 2003 році в лабораторії Массачусетського інституту технології. Вченим недотягнули до абсолютного нуля лише 810 мільярдних часток градуса. Охолоджували вони хмару атомів натрію, утримуване дома за допомогою потужного магнітного поля.

Здавалося б - у чому прикладний сенс таких дослідів? Виявляється, дослідників цікавить таке поняття як конденсат Бозе-Ейнштейна, яке є особливим станом речовини - не газ, тверде або рідке, а просто хмара атомів з однаковим квантовим станом. Така форма речовини була передбачена Ейнштейном та індійським фізиком Satyendra Bose у 1925 році, а отримана лише через 70 років. Один із учених, який досяг такого стану речовини - Wolfgang Ketterle, який отримав за своє відкриття Нобелівську премію в галузі фізики.

Одна з чудових властивостей конденсату Бозе-Ейнштейна (КБЕ) – можливість управління рухом світлових променів. У вакуумі світло переміщається зі швидкістю 300 000 км в секунду, і це максимальна швидкість, досяжна у Всесвіті. Але світло може поширюватися повільніше, якщо поширюватиметься не у вакуумі, а в речовині. За допомогою КБЕ можна уповільнити рух світла до малих швидкостей і навіть зупинити його. Через температуру і щільність конденсату світлове випромінювання сповільнюється і може бути "схоплено" і перетворено безпосередньо в електричний струм. Цей струм може бути передано в іншу хмару КБЕ і перетворено назад на світлове випромінювання. Ця можливість дуже потрібна для телекомунікації та обчислювальної техніки. Тут я трохи не розумію - адже пристрої, що перетворюють світлові хвилі в електрику і назад вже є... Мабуть, використання КБЕ дозволяє робити це перетворення швидше і точніше.

Однією з причин, чому вчені настільки прагнуть отримати абсолютний нуль – спроба зрозуміти, що відбувається і відбувалося з нашого Всесвіту, які термодинамічні закони в ньому діють. При цьому дослідники розуміють, що вилучення всієї енергії до останнього з атома практично недосяжне.

Будь-яке фізичне тіло, включаючи всі об'єкти у Всесвіті, має мінімальний показник температури або її межу. За точку відліку будь-якої температурної шкали прийнято вважати значення абсолютного нуля температур. Але це лише теоретично. Хаотичний рух атомів і молекул, які віддають у цей час свою енергію, зупинити поки що на практиці не вдалося.

Це і є основною причиною, чому не можна досягти абсолютного нуля температур. Досі точаться суперечки і про наслідки цього процесу. З погляду термодинаміки ця межа недосяжна, оскільки тепловий рух атомів і молекул припиняється повністю, утворюється кристалічна решітка.

Представники квантової фізики передбачають наявність за абсолютного нуля температур мінімальних нульових коливань.

Яке значення абсолютного нуля температур і чому його не можна досягти

На генеральній конференції з мір і ваг було встановлено вперше реперну або точку відліку для вимірювальних приладів, що визначають показники температури.

В даний час у Міжнародній системі одиниць реперна точка для шкали Цельсія становить 0°C при замерзанні та 100°C в процесі кипіння, значення абсолютного нуля температур дорівнює -273,15°C.

Використовуючи температурні значення за шкалою Кельвіна за тією ж Міжнародною системою вимірювання одиниць, кипіння води відбуватиметься при реперному значенні 99,975°C, абсолютний нуль дорівнює 0. Фаренгейт на шкалі відповідає показнику -459,67 градусів.

Але якщо ці дані отримані, чому тоді не можна на практиці досягти абсолютного нуля температур. Для порівняння можна взяти відому всім швидкість світла, яка дорівнює постійному фізичному значенню 1079252848,8 км/год.

Однак цієї величини досягти не вдається на практиці. Вона залежить і від довжини хвилі передачі, і від умов і від необхідного поглинання великої кількості енергії частинками. Щоб отримати значення абсолютного нуля температур, необхідна велика віддача енергії та відсутність її джерел для запобігання потраплянню її в атоми та молекули.

Але навіть за умов повного вакууму ні швидкості світла, ні абсолютного нуля температур вченим отримати так і не вдалося.

Чому можна досягти приблизного нуля температур, але не можна абсолютного

Що ж відбуватиметься, коли наука зможе наблизитися до досягнення гранично низького показника температури абсолютного нуля, поки залишається тільки в теорії термодинаміки і квантової фізики. У чому причина, чому не можна досягти абсолютного нуля температур практично.

Всі відомі спроби охолодити речовину до найнижчої межі за рахунок максимальної втрати енергії призводили до того, що значення теплоємності речовини досягало мінімального значення. Віддавати решту енергії молекули вже були просто не в змозі. В результаті процес охолодження припинявся, так і не досягнувши абсолютного нуля.

Під час вивчення поведінки металів за умов, наближених до значення абсолютного нуля температур, вчені встановили, що максимальне зниження температури має спровокувати втрату опору.

Але припинення руху атомів і молекул призвело тільки до утворення кристалічної решітки, через яку електрони, що проходять, передавали частину своєї енергії нерухомим атомам. Досягти абсолютного нуля знову не вдалось.

У 2003 році до температури абсолютного нуля не вистачило лише половини мільярдної частки 1°C. Дослідники NASA використовували для проведення дослідів молекулу Na, яка весь час знаходилася в магнітному полі і віддавала свою енергію.

Найближчим стало досягнення вчених Єльського університету, яке в 2014 році досягло показника в 0,0025 Кельвінів. Отримане з'єднання монофторид стронцію (SrF) існувало лише 2,5 секунди. І в результаті все одно розпалося на атоми.