Varför kan vi inte nå absoluta nolltemperaturer? Vad är den fysiska betydelsen av absolut noll? Absolut noll Celsius betyder.
Vetenskapen
Tills nyligen ansågs den kallaste temperaturen en fysisk kropp kunde ha vara "absolut noll" på Kelvin-skalan. Det motsvarar −273,15 grader Celsius eller -460 grader Fahrenheit.
Nu har fysiker från Tyskland kunnat nå temperaturer under absolut noll. En sådan upptäckt kommer att hjälpa forskare att förstå fenomen som mörk energi och skapa nya former av materia.
Absolut noll temperatur
I mitten av 1800-talet skapade den brittiske fysikern Lord Kelvin den absoluta temperaturskalan och fastställde att ingenting kan vara kallare än absolut noll. När partiklar är vid absolut nolltemperatur slutar de att röra sig och har ingen energi.
Temperaturen på ett föremål är ett mått på hur mycket atomerna rör sig. Ju kallare föremålet är, desto långsammare rör sig atomerna. Vid absolut noll, eller -273,15 grader Celsius, slutar atomer att röra sig.
På 1950-talet började fysiker hävda att partiklar inte alltid förlorar energi vid absolut noll.
Forskare från Ludwig Maximilian University i München och Max Planck-institutet för kvantoptik gas skapades i Garching, vilket blev kallare än absolut noll med flera nanokelviner.
De kylde cirka 100 000 atomer till en temperatur på några nanokelviner (en nanokelvin är en miljarddels kelvin) och använde ett nätverk av laserstrålar och magnetfält för att kontrollera atomernas beteende och pressa dem till en ny temperaturgräns.
Högsta temperatur
Om den lägsta möjliga temperaturen anses vara absolut noll, vilken temperatur kan då anses vara dess motsats - den högsta temperaturen? Enligt kosmologiska modeller är den högsta möjliga temperaturen Planck-temperaturen, vilket motsvarar 1,416785(71)x1032 kelvin (141 nonmiljoner 679 oktiljoner grader).
Vårt universum har redan passerat Planck-temperaturen. Detta hände 10^-42 sekunder efter Big Bang, när universum föddes.
Lägsta temperatur på jorden
Den lägsta temperaturen på jorden registrerades den 21 juli 1983 vid Vostok-stationen i Antarktis, och det var -89,2 grader Celsius.
Vostok Station är den kallaste permanent bebodda platsen på jorden. Det grundades av Ryssland 1957 och ligger på en höjd av 3488 meter över havet.
Högsta temperaturen på jorden
Den högsta temperaturen på jorden registrerades den 10 juli 1913 i Death Valley i Kalifornien och det var 56,7 grader Celsius.
Det tidigare rekordet för den högsta temperaturen i världen i staden Al-Aziziya i Libyen, som uppgick till 57,7 grader Celsius, motbevisades Världsmeteorologiska organisationen på grund av otillförlitliga uppgifter.
Den gränstemperatur vid vilken volymen av en idealgas blir lika med noll tas som absolut nolltemperatur. Däremot kan volymen av verkliga gaser vid absolut nolltemperatur inte försvinna. Är denna temperaturgräns vettig då?
Den begränsande temperaturen, vars existens följer av Gay-Lussac-lagen, är vettig, eftersom det är praktiskt möjligt att föra egenskaperna hos en riktig gas närmare egenskaperna hos en idealisk. För att göra detta måste du ta en alltmer försämrad gas, så att dess densitet tenderar till noll. I själva verket, när temperaturen sjunker, kommer volymen av en sådan gas att tendera till gränsen, nära noll.
Låt oss hitta värdet på absoluta noll på Celsiusskalan. Jämför volym VV formel (3.6.4) noll och med hänsyn till det
Därför är den absoluta nolltemperaturen
* Mer exakt absolut nollvärde: -273,15 °C.
Detta är den extrema, lägsta temperaturen i naturen, den "största eller sista graden av kyla", vars existens Lomonosov förutspådde.
Kelvin skala
Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - en enastående engelsk fysiker, en av grundarna av termodynamiken och den molekylära kinetiska teorin om gaser.
Kelvin introducerade den absoluta temperaturskalan och gav en av formuleringarna av termodynamikens andra lag i form av omöjligheten att helt omvandla värme till arbete. Han beräknade storleken på molekyler baserat på mätning av vätskans ytenergi. I samband med läggningen av den transatlantiska telegrafkabeln utvecklade Kelvin teorin om elektromagnetiska svängningar och härledde en formel för perioden av fria svängningar i en krets. För sina vetenskapliga prestationer fick W. Thomson titeln Lord Kelvin.
Den engelske vetenskapsmannen W. Kelvin introducerade den absoluta temperaturskalan. Nolltemperatur på Kelvin-skalan motsvarar absolut noll, och temperaturenheten på denna skala är lika med en grad på Celsiusskalan, så absolut temperatur T relateras till temperaturen på Celsiusskalan med formeln
(3.7.6)
Figur 3.11 visar den absoluta skalan och Celsiusskalan för jämförelse.
SI-enheten för absolut temperatur kallas kelvin (förkortat K). Därför är en grad på Celsiusskalan lika med en grad på Kelvinskalan: 1 °C = 1 K.
Således är absolut temperatur, enligt definitionen som ges av formel (3.7.6), en härledd storhet som beror på Celsius-temperaturen och på det experimentellt bestämda värdet av a. Det är dock av grundläggande betydelse.
Ur molekylär kinetisk teoris synvinkel är absolut temperatur relaterad till den genomsnittliga kinetiska energin för den kaotiska rörelsen av atomer eller molekyler. På T = O K stoppar den termiska rörelsen av molekyler. Detta kommer att behandlas närmare i kapitel 4.
Volymberoende på absolut temperatur
Med hjälp av Kelvinskalan kan Gay-Lussacs lag (3.6.4) skrivas i en enklare form. Därför att
(3.7.7)
Volymen av en gas med en given massa vid konstant tryck är direkt proportionell mot den absoluta temperaturen.
Det följer att förhållandet mellan volymer av gas av samma massa i olika tillstånd vid samma tryck är lika med förhållandet mellan absoluta temperaturer:
(3.7.8)
Det finns en lägsta möjlig temperatur vid vilken volymen (och trycket) av en idealgas försvinner. Detta är absolut nolltemperatur:-273 °C. Det är bekvämt att räkna temperaturen från absoluta nollpunkten. Så är den absoluta temperaturskalan uppbyggd.
Absolut noll motsvarar en temperatur på -273,15 °C.
Man tror att absolut noll är ouppnåeligt i praktiken. Dess existens och position på temperaturskalan följer av extrapolering av observerade fysikaliska fenomen, och sådan extrapolering visar att vid absolut noll bör energin för termisk rörelse hos molekyler och atomer i ett ämne vara lika med noll, det vill säga partiklarnas kaotiska rörelse. stoppar, och de bildar en ordnad struktur, som upptar en tydlig position i kristallgittrets noder. Men i själva verket, även vid absolut noll temperatur, kommer de regelbundna rörelserna av partiklarna som utgör materia att förbli. De återstående svängningarna, såsom nollpunktssvängningar, beror på partiklarnas kvantegenskaper och det fysiska vakuum som omger dem.
För närvarande har det i fysiska laboratorier varit möjligt att erhålla temperaturer som överstiger den absoluta nollpunkten med endast några miljondelar av en grad; att uppnå det själv, enligt termodynamikens lagar, är omöjligt.
Anteckningar
Litteratur
- G. Burmin. Angrepp på den absoluta nollpunkten. - M.: "Barnlitteratur", 1983.
se även
Wikimedia Foundation. 2010.
Synonymer:Se vad "Absolut noll" är i andra ordböcker:
Temperaturer, temperaturens ursprung på den termodynamiska temperaturskalan (se TERMODYNAMISK TEMPERATURSKALA). Den absoluta nollpunkten är belägen 273,16 °C under temperaturen för trippelpunkten (se TRIPLE POINT) för vatten, för vilken det accepteras ... ... encyklopedisk ordbok
Temperaturer, temperaturens ursprung på den termodynamiska temperaturskalan. Den absoluta nollpunkten ligger 273,16°C under trippelpunktstemperaturen för vatten (0,01°C). Absolut noll är i grunden ouppnåeligt, temperaturerna har nästan nåtts... ... Modernt uppslagsverk
Temperaturer är utgångspunkten för temperatur på den termodynamiska temperaturskalan. Den absoluta nollpunkten är belägen vid 273.16.C under temperaturen för vattnets trippelpunkt, för vilket värdet är 0.01.C. Absolut noll är i grunden ouppnåeligt (se... ... Stor encyklopedisk ordbok
Temperatur, som uttrycker frånvaron av värme, är lika med 218° C. Ordbok över främmande ord som ingår i det ryska språket. Pavlenkov F., 1907. absolut nolltemperatur (fysisk) - lägsta möjliga temperatur (273,15°C). Stor ordbok ... ... Ordbok med främmande ord i ryska språket
absolut noll- Den extremt låga temperaturen vid vilken den termiska rörelsen av molekyler stoppar; på Kelvin-skalan motsvarar absolut noll (0°K) –273,16±0,01°C... Ordbok för geografi
Substantiv, antal synonymer: 15 runda noll (8) liten man (32) liten yngel ... Synonym ordbok
Den extremt låga temperaturen vid vilken den termiska rörelsen av molekyler stoppar. Trycket och volymen för en idealgas, enligt Boyle-Mariottes lag, blir lika med noll, och början av den absoluta temperaturen på Kelvinskalan anses vara... ... Ekologisk ordbok
absolut noll- - [A.S. Goldberg. Engelsk-rysk energiordbok. 2006] Energiämnen i allmänhet EN nollpunkt ... Teknisk översättarguide
Början av den absoluta temperaturreferensen. Motsvarar 273,16°C. För närvarande har det i fysikaliska laboratorier varit möjligt att uppnå en temperatur som överstiger absoluta nollpunkten med endast några miljondelar av en grad, och att uppnå den, enligt lagarna... ... Colliers uppslagsverk
absolut noll- absoliutusis nulis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Terminaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. Tai 273,16 °C, 459,69 °F arba 0 K temperatūra. atitikmenys: engl.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
absolut noll- absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). atitikmenys: engl. absolut noll rus. absolut noll... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Absolut temperatur noll motsvarar 273,15 grader Celsius under noll, 459,67 under noll Fahrenheit. För Kelvin-temperaturskalan är denna temperatur i sig nollstrecket.
Kärnan i absolut nolltemperatur
Begreppet absolut noll kommer från själva kärnan av temperatur. Varje kropp som släpper ut i den yttre miljön under. Samtidigt sjunker kroppstemperaturen, d.v.s. mindre energi återstår. Teoretiskt kan denna process fortsätta tills mängden energi når ett sådant minimum att kroppen inte längre kan ge bort den.
En avlägsen föregångare för en sådan idé finns redan i M.V. Lomonosov. Den store ryske forskaren förklarade värme med "roterande" rörelser. Följaktligen är den maximala kylningsgraden ett fullständigt stopp för sådan rörelse.
Enligt moderna begrepp är absolut nolltemperatur vid vilken molekyler har lägsta möjliga energinivå. Med mindre energi, d.v.s. vid en lägre temperatur kan ingen fysisk kropp existera.
Teori och praktik
Absolut nolltemperatur är ett teoretiskt koncept; det är omöjligt att uppnå det i praktiken, i princip, även i vetenskapliga laboratorier med den mest sofistikerade utrustningen. Men forskare lyckas kyla ner ämnet till mycket låga temperaturer, som är nära absolut noll.
Vid sådana temperaturer får ämnen fantastiska egenskaper som de inte kan ha under vanliga omständigheter. Kvicksilver, som kallas "levande silver" eftersom det är i ett tillstånd nära flytande, blir fast vid denna temperatur - till den grad att det kan användas för att slå spikar. Vissa metaller blir spröda, som glas. Gummi blir lika hårt. Om du slår ett gummiföremål med en hammare vid en temperatur nära absolut noll, kommer det att gå sönder som glas.
Denna förändring i egenskaper är också förknippad med värmens natur. Ju högre temperatur den fysiska kroppen har, desto mer intensiva och kaotiska rör sig molekylerna. När temperaturen sjunker blir rörelsen mindre intensiv och strukturen blir mer ordnad. Så en gas blir en vätska och en vätska blir en fast substans. Den ultimata nivån av ordning är kristallstrukturen. Vid ultralåga temperaturer får även ämnen som normalt förblir amorfa, såsom gummi, det.
Intressanta fenomen förekommer även med metaller. Kristallgittrets atomer vibrerar med mindre amplitud, elektronspridningen minskar och därför minskar det elektriska motståndet. Metallen får supraledning, vars praktiska tillämpning verkar mycket frestande, även om den är svår att uppnå.
Varje fysisk kropp, inklusive alla objekt i universum, har en lägsta temperatur eller dess gräns. Utgångspunkten för en temperaturskala anses vara värdet på absolut nolltemperatur. Men detta är bara i teorin. Den kaotiska rörelsen av atomer och molekyler, som ger upp sin energi vid denna tid, har ännu inte stoppats i praktiken.
Detta är huvudorsaken till att absoluta nolltemperaturer inte kan uppnås. Det pågår fortfarande debatter om konsekvenserna av denna process. Ur termodynamikens synvinkel är denna gräns ouppnåelig, eftersom den termiska rörelsen av atomer och molekyler slutar helt och ett kristallgitter bildas.
Representanter för kvantfysiken föreställer sig närvaron av minsta nolloscillationer vid absoluta nolltemperaturer.
Vad är värdet på absolut nolltemperatur och varför det inte kan uppnås
Vid generalkonferensen om vikter och mått fastställdes för första gången en referens- eller referenspunkt för mätinstrument som bestämmer temperaturindikatorer.
För närvarande, i International System of Units, är referenspunkten för Celsiusskalan 0°C för frysning och 100°C för kokning, värdet på absoluta nolltemperaturer är lika med -273,15°C.
Med användning av temperaturvärden på Kelvin-skalan enligt samma internationella enhetssystem, kommer kokning av vatten att ske vid referensvärdet 99,975 ° C, absolut noll är lika med 0. På Fahrenheit-skalan motsvarar indikatorn -459,67 grader .
Men om dessa data erhålls, varför är det då omöjligt att uppnå absoluta nolltemperaturer i praktiken? Som jämförelse kan vi ta den välkända ljushastigheten, som är lika med det konstanta fysiska värdet på 1 079 252 848,8 km/h.
Detta värde kan dock inte uppnås i praktiken. Det beror på transmissionsvåglängden, förhållandena och den erforderliga absorptionen av en stor mängd energi av partiklarna. För att erhålla värdet av absoluta nolltemperaturer krävs en stor produktion av energi och frånvaron av dess källor för att förhindra att den kommer in i atomer och molekyler.
Men även under förhållanden med fullständigt vakuum kunde forskarna inte uppnå vare sig ljusets hastighet eller absoluta nolltemperaturer.
Varför är det möjligt att nå ungefär noll temperaturer, men inte absolut noll?
Vad som kommer att hända när vetenskapen kan komma nära att uppnå den extremt låga temperaturen absolut noll återstår bara i teorin om termodynamik och kvantfysik. Vad är anledningen till att absoluta nolltemperaturer inte kan uppnås i praktiken.
Alla kända försök att kyla ett ämne till den lägsta gränsen på grund av maximal energiförlust ledde till att även ämnets värmekapacitet nådde ett minimivärde. Molekylerna kunde helt enkelt inte längre ge upp den återstående energin. Som ett resultat avbröts kylprocessen utan att nå absolut noll.
När man studerade beteendet hos metaller under förhållanden nära absoluta nolltemperaturer fann forskare att en maximal temperaturminskning borde provocera fram en förlust av motstånd.
Men upphörandet av rörelsen av atomer och molekyler ledde bara till bildandet av ett kristallgitter, genom vilket passerande elektroner överförde en del av sin energi till stationära atomer. Återigen var det inte möjligt att nå den absoluta nollpunkten.
2003 var temperaturen bara en halv miljarddel av 1°C från den absoluta nollpunkten. NASA-forskare använde en Na-molekyl för att utföra experiment, som alltid var i ett magnetfält och gav upp sin energi.
Den närmaste prestationen uppnåddes av forskare vid Yale University, som 2014 uppnådde en siffra på 0,0025 Kelvin. Den resulterande föreningen, strontiummonofluorid (SrF), varade endast 2,5 sekunder. Och till slut sönderdelade den fortfarande till atomer.
