Достижима ли е абсолютна нулева температура? Абсолютна нула: история на откритието и основно приложение

Абсолютни нулеви температури

Абсолютна нулева температура- това е минималната температурна граница, която може да има едно физическо тяло. Абсолютната нула служи като източник на абсолютна температурна скала, като скалата на Келвин. По скалата на Целзий абсолютната нула съответства на температура от −273,15 °C.

Вярва се, че абсолютна нулана практика недостижимо. Неговото съществуване и позиция върху температурната скала следва от екстраполация на наблюдаваното физични явления, докато такава екстраполация показва, че при абсолютна нула енергията на топлинното движение на молекулите и атомите на дадено вещество трябва да бъде равна на нула, т.е. хаотичното движение на частиците спира и те образуват подредена структура, заемаща ясна позиция в възли на кристалната решетка. Всъщност обаче, дори при абсолютна нула температура, регулярните движения на частиците, които изграждат материята, ще останат. Останалите трептения, като трептения на нулева точка, се дължат на квантовите свойства на частиците и физическия вакуум, който ги заобикаля.

Понастоящем във физическите лаборатории е възможно да се получат температури, превишаващи абсолютната нула само с няколко милионни от градуса; да го постигне сам, според законите на термодинамиката, е невъзможно.

Бележки

Литература

Г. Бурмин. Нападение срещу абсолютната нула. - М .: „Детска литература“, 1983 г.

Вижте също

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Абсолютна нулева температура
Абсолютни нулеви температури

Вижте какво е „абсолютна нулева температура“ в други речници:

Абсолютни нулеви температури- Абсолютната нулева температура е минималната температурна граница, която физическото тяло може да има. Абсолютната нула служи като отправна точка за абсолютна температурна скала, като скалата на Келвин. По скалата на Целзий абсолютната нула съответства на... ... Wikipedia

АБСОЛЮТНА НУЛА- АБСОЛЮТНА НУЛА, температурата, при която всички компоненти на системата имат най-малко количество енергия, разрешено от законите на КВАНТОВАТА МЕХАНИКА; нула по температурната скала на Келвин или 273,15°C (459,67° по Фаренхайт). При тази температура... Научно-технически енциклопедичен речник

Абсолютна температурна скала

Абсолютна термодинамична температура- Хаотично топлинно движениев равнината на газови частици като атоми и молекули Има две определения за температура. Единият от молекулярно-кинетична гледна точка, другият от термодинамична гледна точка. Температура (от латински температура правилно ... ... Уикипедия

Абсолютна температурна скала- Хаотично топлинно движение в равнината на газови частици като атоми и молекули Има две определения за температура. Единият от молекулярно-кинетична гледна точка, другият от термодинамична гледна точка. Температура (от латински температура правилно ... ... Уикипедия

Къде според вас е най-студеното място в нашата Вселена? Днес това е Земята. Например температурата на повърхността на Луната е -227 градуса по Целзий, а температурата на заобикалящия ни вакуум е 265 градуса под нулата. Въпреки това, в лаборатория на Земята човек може да постигне много по-ниски температури, за да изследва свойствата на материалите при ултраниски температури. Материали, отделни атоми и дори светлина, подложени на екстремно охлаждане, започват да проявяват необичайни свойства.

Първият експеримент от този вид е извършен в началото на 20-ти век от физици, които изучават електрическите свойства на живака при свръхниски температури. При -262 градуса по Целзий живакът започва да проявява свръхпроводящи свойства, намалявайки съпротивлението на електрически ток почти до нула. Допълнителни експерименти разкриха и други интересни свойстваохладени материали, включително свръхфлуидност, която се изразява в "изтичане" на материя през твърди прегради и от затворени контейнери.

Науката е определила най-ниската достижима температура - минус 273,15 градуса по Целзий, но на практика такава температура е недостижима. На практика температурата е приблизителна мярка за енергията, съдържаща се в даден обект, така че абсолютната нула показва, че тялото не излъчва нищо и никаква енергия не може да бъде извлечена от този обект. Но въпреки това учените се опитват да се доближат възможно най-близо до абсолютната нула; сегашният рекорд е поставен през 2003 г. в лабораторията на Масачузетския технологичен институт. На учените им липсват само 810 милиардни от градуса до абсолютната нула. Те охладиха облак от натриеви атоми, задържани на място от мощно магнитно поле.

Изглежда - какъв е практическият смисъл на подобни експерименти? Оказва се, че изследователите се интересуват от такова понятие като кондензат на Бозе-Айнщайн, което е специално състояние на материята - не газ, твърдо или течно, а просто облак от атоми с едно и също квантово състояние. Тази форма на веществото е предсказана от Айнщайн и индийския физик Сатиендра Бозе през 1925 г. и е получена едва 70 години по-късно. Един от учените, постигнали това състояние на материята, е Волфганг Кетерле, който получи за своето откритие Нобелова наградав областта на физиката.

Едно от забележителните свойства на кондензатите на Бозе-Айнщайн (BECs) е способността да се контролира движението на светлинните лъчи. Във вакуум светлината се движи със скорост от 300 000 км в секунда и това максимална скорост, постижимо във Вселената. Но светлината може да се движи по-бавно, ако се движи през материя, а не във вакуум. С помощта на KBE можете да забавите движението на светлината до ниски скорости и дори да я спрете. Благодарение на температурата и плътността на кондензата, излъчването на светлина се забавя и може да бъде "уловено" и преобразувано директно в електричество. Този ток може да бъде прехвърлен към друг CBE облак и преобразуван обратно в светлинно лъчение. Тази способност е много търсена в телекомуникациите и компютрите. Тук малко не разбирам - все пак устройства, които преобразуват светлинните вълни в електричество и обратно, ВЕЧЕ съществуват... Очевидно използването на CBE позволява това преобразуване да се извършва по-бързо и по-точно.

Една от причините, поради които учените са толкова нетърпеливи да получат абсолютната нула, е опитът да се разбере какво се случва и се е случило с нашата Вселена, какви термодинамични закони важат в нея. В същото време изследователите разбират, че извличането на цялата енергия от един атом е практически непостижимо.

Замисляли ли сте се колко ниска може да бъде температурата? Какво е абсолютна нула? Ще успее ли човечеството някога да го постигне и какви възможности ще се открият след подобно откритие? Тези и други подобни въпроси отдавна занимават умовете на много физици и просто любопитни хора.

Какво е абсолютна нула

Дори и да не сте харесвали физиката от детството си, вероятно сте запознати с понятието температура. Благодарение на молекулярно-кинетичната теория сега знаем, че има определена статична връзка между нея и движенията на молекулите и атомите: колкото по-висока е температурата на всяко физическо тяло, толкова по-бързо се движат неговите атоми и обратно. Възниква въпросът: „Има ли такава долна граница, при която елементарните частици ще замръзнат на място?“ Учените смятат, че това е теоретично възможно; термометърът ще бъде на -273,15 градуса по Целзий. Тази стойност се нарича абсолютна нула. С други думи, това е минимално възможна граница, до които физическото тяло може да се охлади. Има дори абсолютна температурна скала (скала на Келвин), в която абсолютната нула е отправна точка, а единицата деление на скалата е равна на един градус. Учените по света не спират да работят за постигането на тази стойност, тъй като това обещава огромни перспективи за човечеството.

Защо това е толкова важно

Изключително ниските и изключително високите температури са тясно свързани с концепциите за свръхфлуидност и свръхпроводимост. Изчезването на електрическото съпротивление в свръхпроводниците ще направи възможно постигането на невъобразими стойности на ефективност и ще премахне всякакви загуби на енергия. Ако можем да намерим начин, който ще ни позволи свободно да достигнем стойността на „абсолютната нула“, много от проблемите на човечеството ще бъдат решени. Влакове, реещи се над релсите, по-леки и по-малки двигатели, трансформатори и генератори, високопрецизна магнитоенцефалография, високопрецизни часовници - това са само няколко примера за това какво свръхпроводимостта може да донесе в живота ни.

Последни научни постижения

През септември 2003 г. изследователи от MIT и NASA успяха да охладят натриевия газ до рекордно ниско ниво. По време на експеримента те бяха само на половин милиардна от градуса по-малко от финалната линия (абсолютна нула). По време на тестовете натрият беше постоянно в магнитно поле, което го предпазваше от допир със стените на контейнера. Ако беше възможно да се преодолее температурната бариера, молекулярното движение в газа напълно би спряло, тъй като такова охлаждане би извлякло цялата енергия от натрия. Изследователите са използвали техника, чийто автор (Волфганг Кетерле) получава Нобелова награда по физика през 2001 г. Ключовият моментв проведените тестове бяха газови процесиБозе-Айнщайнова кондензация. Междувременно никой все още не е отменил третия закон на термодинамиката, според който абсолютната нула е не само непреодолима, но и непостижима стойност. Освен това се прилага принципът на несигурността на Хайзенберг и атомите просто не могат да спрат мъртви в следите си. Така засега абсолютната нулева температура остава недостижима за науката, въпреки че учените са успели да я доближат на нищожно разстояние.

Терминът „температура“ се появи във време, когато физиците смятаха, че топлите тела се състоят от повече специфично вещество - калории - отколкото същите тела, но студени. И температурата се тълкува като стойност, съответстваща на количеството калории в тялото. Оттогава температурата на всяко тяло се измерва в градуси. Но всъщност това е мярка за кинетичната енергия на движещи се молекули и въз основа на това трябва да се измерва в джаули, в съответствие със системата от единици С.

Концепцията за „абсолютна нулева температура“ идва от втория закон на термодинамиката. Според него процесът на пренос на топлина от студено тяло към горещо е невъзможен. Това понятие е въведено от английския физик У. Томсън. За постиженията си във физиката той получава благородническата титла „Лорд” и титлата „Барон Келвин”. През 1848 г. У. Томсън (Келвин) предлага да се използва температурна скала, в която той взема абсолютната нулева температура, съответстваща на екстремни студове, като начална точка и взема градуси по Целзий като стойност на делението. Единицата Келвин е 1/27316 от температурата на тройната точка на водата (около 0 градуса C), т.е. температура, при която чиста водаВеднага се намира в три форми: лед, течна вода и пара. температурата е възможно най-ниската ниска температура, при което движението на молекулите спира и вече не е възможно извличане от веществото Термална енергия. Оттогава абсолютната температурна скала носи неговото име.

Температурата се измерва на различни скали

Най-често използваната температурна скала се нарича скала на Целзий. Тя се основава на две точки: температурата на фазовия преход на водата от течност към пара и вода към лед. А. Целзий през 1742 г. предлага разделяне на разстоянието между референтните точки на 100 интервала и приемане на водата за нула, с точка на замръзване като 100 градуса. Но шведът К. Линей предложи да се направи обратното. Оттогава водата е замръзнала при нула градуса по Целзий. Въпреки че трябва да заври точно при Целзий. Абсолютната нула по Целзий съответства на минус 273,16 градуса по Целзий.

Има още няколко температурни скали: Фаренхайт, Реомюр, Ранкин, Нютон, Ромер. Имат различни цени на разделение. Например, скалата на Reaumur също е изградена върху референтните точки на кипене и замръзване на водата, но има 80 деления. Скалата на Фаренхайт, която се появи през 1724 г., се използва в ежедневието само в някои страни по света, включително САЩ; едната е температурата на сместа от воден лед и амоняк, а другата е човешкото тяло. Скалата е разделена на сто деления. Нула по Целзий съответства на 32. Преобразуването на градуси във Фаренхайт може да се извърши по формулата: F = 1,8 C + 32. Обратно преобразуване: C = (F - 32)/1,8, където: F - градуси по Фаренхайт, C - градуси по Целзий. Ако ви мързи да броите, отидете на онлайн услуга за преобразуване на Целзий във Фаренхайт. В полето въведете броя градуси по Целзий, щракнете върху „Изчисли“, изберете „Фаренхайт“ и щракнете върху „Старт“. Резултатът ще се появи веднага.

Носи името на английския (по-точно шотландския) физик Уилям Дж. Ранкин, който е съвременник на Келвин и един от създателите на техническата термодинамика. Има три важни точки в неговата скала: началото е абсолютната нула, точката на замръзване на водата е 491,67 градуса по Ранкин и точката на кипене на водата е 671,67 градуса. Броят на деленията между замръзването на водата и нейното кипене както за Ранкин, така и за Фаренхайт е 180.

Повечето от тези скали се използват изключително от физици. А 40% от анкетираните днес американски гимназисти казаха, че не знаят какво е абсолютна нула.

- 48.67 Kb

Федерална държавна бюджетна образователна институция за висше професионално образование

"Воронежки държавен педагогически университет"

Катедра Обща физика

по темата: „Абсолютна нулева температура“

Изпълнил: студент 1-ва година, ФМФ,

ПИ, Кондратенко Ирина Александровна

Проверява: асистент общ.отд

физици Афонин Г.В.

Воронеж-2013

Въведение……………………………………………………. 3

1.Абсолютна нула…………………………………………...4

2. История…………………………………………………………6

3. Явления, наблюдавани близо до абсолютната нула………..9

Заключение…………………………………………………… 11

Списък на използваната литература…………………………..12

Въведение

В продължение на много години изследователите напредват към абсолютната нулева температура. Както е известно, температура, равна на абсолютната нула, характеризира основното състояние на система от много частици - състояние с възможно най-ниска енергия, при което атомите и молекулите извършват така наречените "нулеви" вибрации. По този начин дълбокото охлаждане близо до абсолютната нула (смята се, че самата абсолютна нула е непостижима на практика) отваря неограничени възможности за изучаване на свойствата на материята.

1. Абсолютна нула

Абсолютната нулева температура (по-рядко абсолютната нулева температура) е минималната граница на температурата, която физическото тяло във Вселената може да има. Абсолютната нула служи като източник на абсолютна температурна скала, като скалата на Келвин. През 1954 г. X Генерална конференция по мерки и теглилки създава термодинамична температурна скала с една отправна точка - тройната точка на водата, чиято температура е приета за 273,16 K (точно), което съответства на 0,01 °C, така че по скалата на Целзий температурата съответства на абсолютната нула −273,15 °C.

В рамките на приложимостта на термодинамиката абсолютната нула на практика е недостижима. Неговото съществуване и позиция в температурната скала следва от екстраполация на наблюдаваните физични явления и такава екстраполация показва, че при абсолютна нула енергията на топлинното движение на молекулите и атомите на дадено вещество трябва да бъде равна на нула, тоест хаотичното движение на частиците спира и те образуват подредена структура, заемайки ясна позиция във възлите кристална решетка(течният хелий е изключение). Въпреки това, от гледна точка на квантовата физика и при абсолютна нулева температура, има нулеви колебания, които са причинени от квантовите свойства на частиците и физическия вакуум около тях.

Тъй като температурата на една система клони към абсолютната нула, нейната ентропия, топлинен капацитет и коефициент на топлинно разширение също клонят към нула и хаотичното движение на частиците, които изграждат системата, спира. С една дума, веществото се превръща в свръхвещество със свръхпроводимост и свръхфлуидност.

Абсолютната нулева температура е недостижима на практика и получаването на температури, изключително близки до нея, представлява сложен експериментален проблем, но вече са получени температури, които са само милионни от градуса от абсолютната нула. .

Нека намерим стойността на абсолютната нула по скалата на Целзий, като приравним обема V на нула и вземем предвид, че

Следователно температурата на абсолютната нула е -273°C.

Това е екстремната, най-ниската температура в природата, онази „най-голяма или последна степен на студ“, чието съществуване предсказа Ломоносов.

Фиг. 1. Абсолютна и Целзиева скала

Единицата SI за абсолютна температура се нарича келвин (съкратено K). Следователно един градус по скалата на Целзий е равен на един градус по скалата на Келвин: 1 °C = 1 K.

Следователно абсолютната температура е производна величина, която зависи от температурата по Целзий и от експериментално определената стойност на a. Въпреки това е от основно значение.

От гледна точка на молекулярно-кинетичната теория абсолютната температура е свързана със средната кинетична енергия на хаотичното движение на атоми или молекули. При T = 0 K топлинното движение на молекулите спира.

2. История

Физическата концепция за „абсолютна нулева температура“ е много важна за съвременната наука: тясно свързана с нея е такава концепция като свръхпроводимост, чието откритие създаде истинска сензация през втората половина на ХХ век.

За да разберете какво е абсолютната нула, трябва да се обърнете към произведенията на такива известни физици като Г. Фаренхайт, А. Целзий, Дж. Гей-Лусак и У. Томсън. Те изиграха ключова роля в създаването на основните температурни скали, които се използват и днес.

Първият, който предложи своята температурна скала, беше немският физик Г. Фаренхайт през 1714 г. В същото време температурата на сместа, която включваше сняг и амоняк, беше приета за абсолютна нула, тоест като най-ниската точка на тази скала. Следващият важен показател беше нормална температурачовешко тяло, което стана равно на 1000. Съответно всяко деление на тази скала беше наречено „градус по Фаренхайт“, а самата скала беше наречена „скала на Фаренхайт“.

30 години по-късно шведският астроном А. Целзий предложи своя собствена температурна скала, където основните точки бяха температурата на топене на леда и точката на кипене на водата. Тази скала беше наречена „скала по Целзий“ и все още е популярна в повечето страни по света, включително Русия.

През 1802 г., докато провежда известните си експерименти, френският учен Ж. Гей-Люсак открива, че обемът на газ при постоянно налягане е пряко зависим от температурата. Но най-любопитното беше, че когато температурата се промени с 10 градуса по Целзий, обемът на газа се увеличи или намали със същото количество. След като направи необходимите изчисления, Гей-Люсак установи, че тази стойност е равна на 1/273 от обема на газа. Този закон доведе до очевидното заключение: температура, равна на -273°C, е най-ниската температура, дори и да се доближите до нея, е невъзможно да я постигнете. Именно тази температура се нарича „температура на абсолютната нула“. Нещо повече, абсолютната нула става отправна точка за създаването на абсолютната температурна скала, в която активно участва английският физик У. Томсън, известен още като лорд Келвин. Основните му изследвания се занимават с доказване, че никое тяло в природата не може да бъде охладено под абсолютната нула. В същото време той активно използва втория закон на термодинамиката, поради което въведената от него през 1848 г. абсолютна температурна скала започва да се нарича термодинамична или „скала на Келвин“. настъпи „абсолютна нула“.

Фиг.2. Връзката между температурните скали на Фаренхайт (F), Целзий (C) и Келвин (K).

Също така си струва да се отбележи, че абсолютната нула играе много важна роля в системата SI. Работата е там, че през 1960 г. на следващата Генерална конференция по теглилки и мерки единицата за термодинамична температура - келвинът - стана една от шестте основни мерни единици. В същото време беше специално предвидено, че един градус Келвин

е числено равен на един градус по Целзий, но референтната точка „в Келвин“ обикновено се счита за абсолютна нула.

Основният физически смисъл на абсолютната нула е, че според основните физични закони при такава температура енергията на движение на елементарни частици, като атоми и молекули, е нула и в този случай всяко хаотично движение на същите тези частици трябва престанете. При температура, равна на абсолютната нула, атомите и молекулите трябва да заемат ясна позиция в основните точки на кристалната решетка, образувайки подредена система.

В наши дни, използвайки специално оборудване, учените са успели да получат температури, които са само няколко части на милион над абсолютната нула. Физически е невъзможно да се постигне самата тази стойност поради втория закон на термодинамиката.

3. Явления, наблюдавани близо до абсолютната нула

При температури близки до абсолютната нула могат да се наблюдават чисто квантови ефекти на макроскопично ниво, като например:

1.Свръхпроводимостта е свойството на някои материали да имат строго нулево електрическо съпротивление, когато достигнат температура под определена стойност ( критична температура). Известни са няколкостотин съединения, чисти елементи, сплави и керамика, които преминават в свръхпроводящо състояние.

Свръхпроводимостта е квантов феномен. Характеризира се и с ефекта на Майснер, който се състои в пълното изместване на магнитното поле от обема на свръхпроводника. Съществуването на този ефект показва, че свръхпроводимостта не може да се опише просто като идеална проводимост в класическия смисъл. Откриване през 1986-1993 г. редица високотемпературни свръхпроводници (HTSC) отместиха далеч температурната граница на свръхпроводимостта и направиха възможно практическото използване на свръхпроводящи материали не само при температурата на течния хелий (4,2 K), но и при точката на кипене на течността азот (77 K), много по-евтина криогенна течност.

2. Свръхфлуидност - способността на веществото в специално състояние (квантова течност), което се получава при спадане на температурата до абсолютната нула (термодинамична фаза), да протича през тесни процепи и капиляри без триене. Доскоро свръхфлуидността беше известна само на течния хелий, но в последните годинисвръхфлуидността е открита и в други системи: в разредени атомни бозе-кондензати и твърд хелий.

Свръхфлуидността се обяснява по следния начин. Тъй като хелиевите атоми са бозони, квантовата механика позволява произволен брой частици да бъдат в едно и също състояние. Близо до абсолютните нулеви температури всички хелиеви атоми са в основно енергийно състояние. Тъй като енергията на състоянията е дискретна, атомът може да получи не каквато и да е енергия, а само такава, която е равна на енергийната празнина между съседни енергийни нива. Но при ниски температури енергията на сблъсък може да бъде по-малка от тази стойност, в резултат на което разсейването на енергия просто няма да се случи. Течността ще тече без триене.

3. Кондензат на Бозе - Айнщайн - агрегатно състояниевещество, базирано на бозони, охладени до температури, близки до абсолютната нула (по-малко от една милионна от градуса над абсолютната нула). В такова много готино състояние е достатъчно голямо числоатомите се оказват в своите минимални възможни квантови състояния и квантовите ефекти започват да се проявяват на макроскопично ниво.

Заключение

Изследването на свойствата на материята близо до абсолютната нула е от голям интерес за науката и технологиите.

Много свойства на веществото, завоалирани при стайни температури от топлинни явления (например топлинен шум), започват да се проявяват все повече и повече с понижаване на температурата, което прави възможно изучаването в тяхната чиста форма на моделите и връзките, присъщи на дадена вещество. Изследванията в областта на ниските температури направиха възможно откриването на много нови природни явления, като свръхфлуидността на хелия и свръхпроводимостта на металите.

При ниски температури свойствата на материалите се променят драстично. Някои метали увеличават здравината си и стават пластични, докато други стават крехки, като стъклото.

Изследването на физикохимичните свойства при ниски температури ще позволи в бъдеще да се създават нови вещества с предварително определени свойства. Всичко това е много ценно за проектирането и създаването на космически кораби, станции и инструменти.

Известно е, че при радарни изследвания на космически тела, полученият радиосигнал е много малък и трудно се разграничава от различни шумове. Наскоро създадените молекулярни осцилатори и усилватели от учени работят при много ниски температури и следователно имат много ниско ниво на шум.

Нискотемпературни електрически и магнитни свойстваметали, полупроводници и диелектрици позволяват да се разработят принципно нови радиотехнически устройства с микроскопични размери.

Свръхниските температури се използват за създаване на вакуум, необходим например за работа на гигантски ускорители на ядрени частици.

Библиография

http://wikipedia.org
http://rudocs.exdat.com
http://fb.ru

Кратко описание