چرا نمی توانیم به دمای صفر مطلق برسیم؟ معنای فیزیکی صفر مطلق چیست؟

علم

تا همین اواخر، سردترین دمایی که یک جسم فیزیکی می توانست داشته باشد، «صفر مطلق» در مقیاس کلوین در نظر گرفته می شد. مطابقت دارد -273.15 درجه سانتیگرادیا -460 درجه فارنهایت.

اکنون فیزیکدانان آلمانی توانسته اند به دمای زیر صفر مطلق برسند. چنین کشفی به دانشمندان کمک می کند تا پدیده هایی مانند انرژی تاریک را درک کنند و اشکال جدیدی از ماده ایجاد کنند.

دمای صفر مطلق

در اواسط قرن نوزدهم، لرد کلوین فیزیکدان بریتانیایی مقیاس دمای مطلق را ایجاد کرد و آن را تعیین کرد هیچ چیز نمی تواند سردتر از صفر مطلق باشد. وقتی ذرات در دمای صفر مطلق قرار دارند، از حرکت باز می ایستند و انرژی ندارند.

دمای یک جسم اندازه گیری میزان حرکت اتم ها است. هر چه جسم سردتر باشد اتم ها کندتر حرکت می کنند. در صفر مطلق یا 273.15- درجه سانتیگراد، اتم ها از حرکت باز می ایستند.

در دهه 1950، فیزیکدانان شروع به استدلال کردند که ذرات همیشه در صفر مطلق انرژی خود را از دست نمی دهند.

دانشمندان از دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیاندر مونیخ و موسسه ماکس پلانک برای اپتیک کوانتومیگاز در گارچینگ ایجاد شد که شد سردتر از صفر مطلق چندین نانوکلوین.

آنها حدود 100000 اتم را تا دمای چند نانوکلوین سرد کردند (نانوکلوین یک میلیاردم کلوین است) و از شبکه ای از پرتوهای لیزر و میدان های مغناطیسی برای کنترل رفتار اتم ها و فشار دادن آنها به حد دمای جدید استفاده کردند.

بالاترین دما

اگر کمترین دمای ممکن را صفر مطلق در نظر بگیریم، چه دمایی را می توان متضاد آن - بالاترین دما - در نظر گرفت؟ طبق مدل‌های کیهان‌شناسی، بالاترین دمای ممکن، دمای پلانک است که برابر با 1.416785(71)x1032 کلوین (141 غیر میلیون و 679 اکتیلیون درجه) است.

جهان ما قبلاً از دمای پلانک عبور کرده است. این اتفاق 10^-42 ثانیه پس از انفجار بزرگ، زمانی که کیهان متولد شد، رخ داد.

پایین ترین دمای زمین

کمترین دمای زمین در 21 ژوئیه 1983 در ایستگاه وستوک در قطب جنوب ثبت شد. -89.2 درجه سانتیگراد.

ایستگاه وستوک سردترین مکان مسکونی دائمی روی زمین است. این شهر در سال 1957 توسط روسیه تاسیس شد و در ارتفاع 3488 متری از سطح دریا واقع شده است.

بالاترین دمای زمین

بالاترین دمای زمین در 10 ژوئیه 1913 در دره مرگ در کالیفرنیا ثبت شد. 56.7 درجه سانتیگراد.

رکورد قبلی بالاترین دمای جهان در شهر العزیزیه لیبی به میزان 57.7 درجه سانتیگراد رد شد. سازمان جهانی هواشناسیبه دلیل داده های غیر قابل اعتماد

دمای محدودی که در آن حجم گاز ایده آل برابر با صفر می شود، دمای صفر مطلق در نظر گرفته می شود. با این حال، حجم گازهای واقعی در دمای صفر مطلق نمی تواند از بین برود. آیا این محدودیت دما معنی دارد؟

دمای محدود کننده، که وجود آن از قانون گی-لوساک ناشی می شود، منطقی است، زیرا عملاً می توان خواص یک گاز واقعی را به خواص گاز ایده آل نزدیک کرد. برای انجام این کار، شما باید یک گاز به طور فزاینده کمیاب مصرف کنید، به طوری که چگالی آن به صفر برسد. در واقع، با کاهش دما، حجم چنین گازی به سمت حد، نزدیک به صفر خواهد رفت.

بیایید مقدار صفر مطلق را در مقیاس سلسیوس پیدا کنیم. برابر کردن حجم VVفرمول (3.6.4) صفر و با در نظر گرفتن اینکه

بنابراین دمای صفر مطلق است

* مقدار صفر مطلق دقیق تر: -273.15 درجه سانتیگراد.

این شدیدترین و پایین ترین درجه حرارت در طبیعت است، آن "بزرگترین یا آخرین درجه سرما" که وجود آن را لومونوسوف پیش بینی کرده بود.

مقیاس کلوین

کلوین ویلیام (Thomson W.) (1824-1907) - فیزیکدان برجسته انگلیسی، یکی از بنیانگذاران ترمودینامیک و نظریه جنبشی مولکولی گازها.

کلوین مقیاس دمای مطلق را معرفی کرد و یکی از فرمول های قانون دوم ترمودینامیک را به صورت عدم امکان تبدیل کامل گرما به کار ارائه کرد. او اندازه مولکول ها را بر اساس اندازه گیری انرژی سطحی مایع محاسبه کرد. در ارتباط با گذاشتن کابل تلگراف فرا اقیانوس اطلس، کلوین نظریه نوسانات الکترومغناطیسی را توسعه داد و فرمولی برای دوره نوسانات آزاد در یک مدار استخراج کرد. دبلیو تامسون برای دستاوردهای علمی خود عنوان لرد کلوین را دریافت کرد.

دانشمند انگلیسی دبلیو کلوین مقیاس دمای مطلق را معرفی کرد. دمای صفر در مقیاس کلوین برابر با صفر مطلق است و واحد دما در این مقیاس برابر با یک درجه در مقیاس سانتیگراد است، بنابراین دمای مطلق تیبا فرمول مربوط به دما در مقیاس سلسیوس است

(3.7.6)

شکل 3.11 مقیاس مطلق و مقیاس سلسیوس را برای مقایسه نشان می دهد.

واحد SI دمای مطلق را کلوین (به اختصار K) می نامند. بنابراین، یک درجه در مقیاس سانتیگراد برابر است با یک درجه در مقیاس کلوین: 1 درجه سانتیگراد = 1 کلوین.

بنابراین، دمای مطلق، طبق تعریف ارائه شده توسط فرمول (3.7.6)، یک کمیت مشتق شده است که به دمای سانتیگراد و به مقدار آزمایشی تعیین شده a بستگی دارد. با این حال، از اهمیت اساسی برخوردار است.

از دیدگاه نظریه جنبشی مولکولی، دمای مطلق به میانگین انرژی جنبشی حرکت آشفته اتم ها یا مولکول ها مربوط می شود. در T = O K حرکت حرارتی مولکول ها متوقف می شود. این موضوع در فصل 4 با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

وابستگی حجم به دمای مطلق

با استفاده از مقیاس کلوین، قانون گی-لوساک (3.6.4) را می توان به شکل ساده تری نوشت. زیرا

(3.7.7)

حجم گاز با جرم معین در فشار ثابت با دمای مطلق نسبت مستقیم دارد.

نتیجه می شود که نسبت حجم گاز با جرم یکسان در حالت های مختلف در فشار یکسان برابر است با نسبت دمای مطلق:

(3.7.8)

یک حداقل دمای ممکن وجود دارد که در آن حجم (و فشار) یک گاز ایده آل ناپدید می شود. این دمای صفر مطلق است:-273 درجه سانتی گراد شمارش دما از صفر مطلق راحت است. به این ترتیب مقیاس دمای مطلق ساخته می شود.

صفر مطلق مربوط به دمای -273.15 درجه سانتیگراد است.

اعتقاد بر این است که صفر مطلق در عمل دست نیافتنی است. وجود و موقعیت آن در مقیاس دما از برون یابی مشاهده شده ناشی می شود پدیده های فیزیکی، در حالی که چنین برون یابی نشان می دهد که در صفر مطلق انرژی حرکت حرارتی مولکول ها و اتم های یک ماده باید برابر با صفر باشد، یعنی حرکت آشفته ذرات متوقف می شود و آنها ساختار منظمی را تشکیل می دهند و موقعیت واضحی را در آن اشغال می کنند. گره های شبکه کریستالی با این حال، در واقع، حتی در دمای صفر مطلق، حرکات منظم ذرات تشکیل دهنده ماده باقی خواهد ماند. نوسانات باقی مانده، مانند نوسانات نقطه صفر، به دلیل خواص کوانتومی ذرات و خلاء فیزیکی است که آنها را احاطه کرده است.

در حال حاضر، در آزمایشگاه‌های فیزیکی می‌توان دماهای بیش از صفر مطلق را تنها چند میلیونم درجه به دست آورد. دستیابی به آن خود، طبق قوانین ترمودینامیک، غیرممکن است.

یادداشت

ادبیات

• جی. برمین. حمله به صفر مطلق - م.: "ادبیات کودکان"، 1983.

همچنین ببینید

بنیاد ویکی مدیا 2010.

مترادف ها:

ببینید "صفر مطلق" در فرهنگ های دیگر چیست:

دماها، مبدأ دما در مقیاس دمای ترمودینامیکی (به مقیاس دمای ترمودینامیکی مراجعه کنید). صفر مطلق 273.16 درجه سانتیگراد زیر دمای نقطه سه گانه (نقطه سه گانه) آب قرار دارد که برای آن پذیرفته شده است ... ... فرهنگ لغت دایره المعارفی

دماها، مبدأ دما در مقیاس دمایی ترمودینامیکی. صفر مطلق 273.16 درجه سانتیگراد زیر دمای نقطه سه گانه آب (0.01 درجه سانتیگراد) قرار دارد. صفر مطلق اساساً دست نیافتنی است، دما تقریباً رسیده است... ... دایره المعارف مدرن

دما نقطه شروع دما در مقیاس دمایی ترمودینامیکی است. صفر مطلق در 273.16.C زیر دمای نقطه سه گانه آب قرار دارد که مقدار آن 0.01.C است. صفر مطلق اساساً دست نیافتنی است (نگاه کنید به... ... فرهنگ لغت دایره المعارفی بزرگ

دما، که بیانگر عدم وجود گرما است، برابر با 218 درجه سانتیگراد است. فرهنگ لغات خارجی موجود در زبان روسی. Pavlenkov F., 1907. دمای صفر مطلق (فیزیکی) - کمترین دمای ممکن (273.15 درجه سانتیگراد). فرهنگ لغت بزرگ...... فرهنگ لغت کلمات خارجی زبان روسی

صفر مطلق- دمای بسیار پایینی که در آن حرکت حرارتی مولکول ها در مقیاس کلوین متوقف می شود، صفر مطلق (0 درجه کلوین) برابر با -273.16±0.01 درجه سانتی گراد است. فرهنگ لغت جغرافیا

اسم، تعداد مترادف ها: 15 دور صفر (8) مرد کوچک (32) سرخ کردنی کوچک … فرهنگ لغت مترادف

دمای بسیار پایینی که در آن حرکت حرارتی مولکول ها متوقف می شود. فشار و حجم یک گاز ایده آل بر اساس قانون بویل-ماریوت برابر با صفر می شود و شروع دمای مطلق در مقیاس کلوین برابر با... ... فرهنگ لغت زیست محیطی

صفر مطلق- - [A.S. Goldberg. فرهنگ لغت انرژی انگلیسی - روسی. 2006] مباحث انرژی به طور کلی EN نقطه صفر ... راهنمای مترجم فنی

آغاز مرجع دمای مطلق. مربوط به 273.16 درجه سانتیگراد است. در حال حاضر در آزمایشگاه های فیزیکی فقط چند میلیونم درجه می توان دمایی بیش از صفر مطلق بدست آورد و طبق قوانین... ... دایره المعارف کولیر

صفر مطلق- absoliutusis nulis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. تای 273.16 درجه سانتی‌گراد، 459.69 درجه فارنهایت، دمای هوا 0 K. atitikmenys: انگلیسی…… Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

صفر مطلق- absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (-273.16 درجه سانتیگراد). atitikmenys: انگلیسی. روس صفر مطلق صفر مطلق... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

دمای مطلق صفر برابر با 273.15 درجه سانتیگراد زیر صفر، 459.67 زیر صفر فارنهایت است. برای مقیاس دمای کلوین، این دما خود علامت صفر است.

جوهر دمای صفر مطلق

مفهوم صفر مطلق از ذات درجه حرارت ناشی می شود. هر جسمی که در طی آن در محیط خارجی آزاد شود. در همان زمان، دمای بدن کاهش می یابد، یعنی. انرژی کمتری باقی می ماند از نظر تئوری، این روند می تواند تا زمانی ادامه یابد که مقدار انرژی به حدی برسد که بدن دیگر نتواند آن را دفع کند.
منادی دور از چنین ایده ای را می توان در M.V. دانشمند بزرگ روسی گرما را با حرکت چرخشی توضیح داد. در نتیجه، حداکثر درجه خنک کننده توقف کامل چنین حرکتی است.

توسط ایده های مدرندمای صفر مطلق - که در آن مولکول ها کمترین سطح انرژی ممکن را دارند. با انرژی کمتر، یعنی در دمای پایین تر، هیچ جسم فیزیکی نمی تواند وجود داشته باشد.

تئوری و عمل

درجه حرارت صفر مطلق یک مفهوم نظری است که در عمل حتی در آزمایشگاه های علمی با پیشرفته ترین تجهیزات امکان پذیر نیست. اما دانشمندان موفق می شوند این ماده را تا دمای بسیار پایین که نزدیک به صفر مطلق است خنک کنند.

در چنین دماهایی، مواد خواص شگفت انگیزی پیدا می کنند که در شرایط عادی نمی توانند داشته باشند. جیوه که به دلیل قرار گرفتن در حالت نزدیک به مایع، "نقره زنده" نامیده می شود، در این دما جامد می شود - تا جایی که می توان از آن برای کوبیدن ناخن استفاده کرد. برخی از فلزات مانند شیشه شکننده می شوند. لاستیک به همان اندازه سخت می شود. اگر با یک چکش در دمای نزدیک به صفر مطلق به جسم لاستیکی برخورد کنید، مانند شیشه می شکند.

این تغییر در خواص با ماهیت گرما نیز مرتبط است. هر چه دمای جسم فیزیکی بالاتر باشد، حرکت مولکول‌ها شدیدتر و آشفته‌تر می‌شود. با کاهش دما، شدت حرکت کمتر می شود و ساختار منظم تر می شود. بنابراین گاز به مایع تبدیل می شود و مایع تبدیل به جامد می شود. سطح نهایی نظم ساختار کریستالی است. در دماهای بسیار پایین، حتی موادی که معمولاً بی شکل می مانند، مانند لاستیک، آن را به دست می آورند.

در مورد فلزات نیز پدیده های جالبی رخ می دهد. اتم های شبکه کریستالی با دامنه کمتری ارتعاش می کنند، پراکندگی الکترون کاهش می یابد و بنابراین مقاومت الکتریکی کاهش می یابد. این فلز ابررسانایی پیدا می کند که کاربرد عملی آن بسیار وسوسه انگیز به نظر می رسد، اگرچه دستیابی به آن دشوار است.

هر جسم فیزیکی، از جمله تمام اجسام در کیهان، دارای حداقل دما یا حد آن است. نقطه شروع هر مقیاس دمایی مقدار دمای صفر مطلق در نظر گرفته می شود. اما این فقط در تئوری است. حرکت آشفته اتم ها و مولکول ها که در این زمان انرژی خود را از دست می دهند، هنوز در عمل متوقف نشده است.

این دلیل اصلی عدم رسیدن به دمای صفر مطلق است. هنوز بحث هایی در مورد پیامدهای این روند وجود دارد. از نقطه نظر ترمودینامیک، این حد دست نیافتنی است، زیرا حرکت حرارتی اتم ها و مولکول ها به طور کامل متوقف می شود و یک شبکه کریستالی تشکیل می شود.

نمایندگان فیزیک کوانتوم حضور حداقل نوسانات صفر را در دمای صفر مطلق تصور می کنند.

دمای صفر مطلق چقدر است و چرا نمی توان به آن دست یافت

در کنفرانس عمومی وزن ها و اندازه ها، برای اولین بار یک مرجع یا نقطه مرجع برای ابزارهای اندازه گیری تعیین کننده شاخص های دما ایجاد شد.

در حال حاضر، در سیستم بین المللی واحدها، نقطه مرجع برای مقیاس سلسیوس برای انجماد 0 درجه سانتیگراد و برای جوشاندن 100 درجه سانتیگراد است، مقدار دمای صفر مطلق برابر با -273.15 درجه سانتیگراد است.

با استفاده از مقادیر دما در مقیاس کلوین مطابق با همان سیستم بین المللی واحدها، جوشاندن آب در مقدار مرجع 99.975 درجه سانتیگراد رخ می دهد، صفر مطلق برابر با 0 است. در مقیاس فارنهایت این نشانگر مطابق با -459.67 درجه است. .

اما، اگر این داده ها به دست می آیند، پس چرا دستیابی به دمای صفر مطلق در عمل غیرممکن است؟ برای مقایسه می توان سرعت شناخته شده نور را که برابر با ثابت است در نظر گرفت معنای فیزیکی 1,079,252,848.8 کیلومتر در ساعت.

اما در عمل نمی توان به این ارزش دست یافت. این بستگی به طول موج انتقال، شرایط و جذب مورد نیاز مقدار زیادی انرژی توسط ذرات دارد. برای به دست آوردن مقدار صفر مطلق دما، خروجی زیادی انرژی و عدم وجود منابع آن برای جلوگیری از ورود آن به اتم ها و مولکول ها مورد نیاز است.

اما حتی در شرایط خلاء کامل، دانشمندان نتوانستند سرعت نور یا دمای صفر مطلق را بدست آورند.

چرا رسیدن به دمای تقریباً صفر امکان پذیر است، اما به صفر مطلق نه؟

زمانی که علم به دمای بسیار پایین صفر مطلق نزدیک شود، چه اتفاقی خواهد افتاد، تنها در تئوری ترمودینامیک و فیزیک کوانتومی باقی می ماند. دلیل عدم دستیابی به دمای صفر مطلق در عمل چیست؟

تمام تلاش های شناخته شده برای خنک کردن یک ماده به کمترین حد به دلیل حداکثر اتلاف انرژی منجر به این واقعیت شد که ظرفیت گرمایی ماده نیز به حداقل مقدار رسید. مولکول ها دیگر قادر به صرف انرژی باقی مانده نبودند. در نتیجه فرآیند خنک سازی بدون رسیدن به صفر مطلق متوقف شد.

هنگام مطالعه رفتار فلزات در شرایط نزدیک به دمای صفر مطلق، دانشمندان دریافتند که حداکثر کاهش دما باید باعث کاهش مقاومت شود.

اما توقف حرکت اتم ها و مولکول ها تنها منجر به تشکیل شبکه بلوری شد که از طریق آن الکترون های عبوری بخشی از انرژی خود را به اتم های ساکن منتقل می کردند. باز هم رسیدن به صفر مطلق ممکن نبود.

در سال 2003، دما تنها نیم میلیاردم 1 درجه سانتیگراد کمتر از صفر مطلق بود. محققان ناسا از یک مولکول Na برای انجام آزمایشات استفاده کردند که همیشه در یک میدان مغناطیسی بود و انرژی خود را از دست داد.

نزدیک ترین دستاورد توسط دانشمندان دانشگاه ییل به دست آمد که در سال 2014 به رقم 0.0025 کلوین دست یافتند. ترکیب حاصل، استرانسیم مونوفلوراید (SrF)، تنها 2.5 ثانیه دوام آورد. و در پایان همچنان به اتم تجزیه شد.