Relativna 0. Šta je apsolutna nula. Koja je vrijednost apsolutne nulte temperature i zašto se ona ne može postići

Šta mislite gdje je najhladnije mjesto u našem svemiru? Danas je ovo Zemlja. Na primjer, površinska temperatura Mjeseca je -227 stepeni Celzijusa, a temperatura vakuuma koji nas okružuje je 265 stepeni ispod nule. Međutim, u laboratoriju na Zemlji, osoba može postići mnogo niže temperature kako bi proučavala svojstva materijala na ultra niskim temperaturama. Materijali, pojedinačni atomi, pa čak i svjetlost, podvrgnuti ekstremnom hlađenju, počinju pokazivati ​​neobična svojstva.

Prvi eksperiment ove vrste izveli su početkom 20. stoljeća fizičari koji su proučavali električna svojstva žive na ultra niskim temperaturama. Na -262 stepena Celzijusa, živa počinje da pokazuje supravodljiva svojstva, smanjujući otpor električnoj struji na skoro nulu. Dalji eksperimenti su otkrili i druga interesantna svojstva ohlađenih materijala, uključujući superfluidnost, koja se izražava u „curenju“ materije kroz čvrste pregrade i iz zatvorenih kontejnera.

Nauka je utvrdila najnižu moguću temperaturu - minus 273,15 stepeni Celzijusa, ali je praktično takva temperatura nedostižna. U praksi, temperatura je približna mjera energije sadržane u objektu, tako da apsolutna nula označava da tijelo ništa ne emituje i da se iz tog objekta ne može izvući energija. Ali uprkos tome, naučnici se trude da se što više približe temperaturi apsolutne nule, a trenutni rekord postavljen je 2003. godine u laboratoriji Massachusetts Institute of Technology. Naučnici nisu uspjeli apsolutna nula samo 810 milijarditi deo stepena. Hladili su oblak atoma natrijuma, koji je na mjestu držalo snažno magnetsko polje.

Čini se - koje je praktično značenje takvih eksperimenata? Ispostavilo se da su istraživači zainteresirani za takav koncept kao što je Bose-Einstein kondenzat, koji je posebno stanje materije - ne plin, čvrsta ili tečna, već jednostavno oblak atoma s istim kvantnim stanjem. Ovaj oblik supstance predvidjeli su Einstein i indijski fizičar Satyendra Bose 1925. godine, a dobiven je tek 70 godina kasnije. Jedan od naučnika koji je postigao ovo stanje materije je Wolfgang Ketterle, koji je dobio za svoje otkriće nobelova nagrada u oblasti fizike.

Jedno od izvanrednih svojstava Bose-Einstein kondenzata (BEC) je sposobnost kontrole kretanja svjetlosnih zraka. U vakuumu, svjetlost putuje brzinom od 300.000 km u sekundi, a ovo maksimalna brzina, ostvarivo u Univerzumu. Ali svjetlost može putovati sporije ako putuje kroz materiju, a ne u vakuumu. Uz pomoć KBE-a možete usporiti kretanje svjetlosti na male brzine, pa čak i zaustaviti. Zbog temperature i gustine kondenzata, emisija svjetlosti je usporena i može se "uhvatiti" i direktno pretvoriti u struja. Ova struja se može prenijeti u drugi CBE oblak i ponovo pretvoriti u svjetlosno zračenje. Ova karakteristika je veoma tražena za telekomunikacije i kompjuterska tehnologija. Ovdje malo ne razumijem - na kraju krajeva, uređaji koji pretvaraju svetlosni talasi na struju i nazad VEĆ postoji... Očigledno, upotreba CBE omogućava da se ova konverzija izvede brže i preciznije.

Jedan od razloga zašto su naučnici toliko željni da dobiju apsolutnu nulu je pokušaj da shvate šta se dešava i što se dogodilo našem Univerzumu, koji termodinamički zakoni važe u njemu. Istovremeno, istraživači shvaćaju da je izvlačenje sve energije do posljednje iz atoma praktički nedostižno.

Šta je apsolutna nula (obično nula)? Da li ova temperatura zaista postoji bilo gdje u svemiru? Možemo li bilo šta ohladiti na apsolutnu nulu pravi zivot? Ako se pitate da li je moguće pobijediti hladni val, istražimo najudaljenije domete hladnih temperatura...

Šta je apsolutna nula (obično nula)? Da li ova temperatura zaista postoji bilo gdje u svemiru? Možemo li išta ohladiti na apsolutnu nulu u stvarnom životu? Ako se pitate da li je moguće pobijediti hladni val, istražimo najudaljenije domete hladnih temperatura...

Čak i ako niste fizičar, vjerovatno ste upoznati s pojmom temperature. Temperatura je mjera količine unutrašnje nasumične energije materijala. Reč "interno" je veoma važna. Bacite grudvu snijega, i iako će glavni pokret biti prilično brz, snježna gruda će ostati prilično hladna. S druge strane, ako pogledate molekule zraka koji lete po prostoriji, običan molekul kisika prži hiljadama kilometara na sat.

Obično ćutimo kada je u pitanju tehnički detalji, stoga, posebno za stručnjake, napominjemo da je temperatura nešto viša komplikovana stvar nego što smo rekli. Prava definicija temperatura implicira koliko energije trebate potrošiti za svaku jedinicu entropije (poremećaj, ako želite više razumljiva reč). Ali preskočimo suptilnosti i fokusirajmo se samo na činjenicu da će se nasumični molekuli zraka ili vode u ledu kretati ili vibrirati sve sporije i sporije kako temperatura pada.

Apsolutna nula- ovo je temperatura od -273,15 stepeni Celzijusa, -459,67 Farenhajta i samo 0 Kelvina. Ovo je tačka u kojoj termičko kretanje potpuno prestaje.

Da li sve prestaje?

U klasičnom razmatranju problema, na apsolutnoj nuli sve staje, ali u ovom trenutku iz ugla proviruje strašno lice kvantna mehanika. Jedno od predviđanja kvantne mehanike koje je pokvarilo krv više od nekoliko fizičara je da nikada ne možete sa savršenom sigurnošću izmjeriti tačan položaj ili impuls čestice. Ovo je poznato kao Heisenbergov princip nesigurnosti.

Kada biste mogli ohladiti zatvorenu prostoriju na apsolutnu nulu, dogodile bi se čudne stvari (o tome kasnije). Pritisak vazduha bi pao na skoro nulu, a pošto se vazdušni pritisak obično suprotstavlja gravitaciji, vazduh bi kolabirao u veoma tanki sloj na podu.

Ali čak i tako, ako možete izmjeriti pojedinačne molekule, naći ćete nešto zanimljivo: oni vibriraju i rotiraju, samo malo - kvantna nesigurnost na poslu. Staviti tačku na i: ako mjerite rotaciju molekula ugljen-dioksid Na apsolutnoj nuli, otkrićete da atomi kiseonika lete oko ugljenika brzinom od nekoliko kilometara na sat – mnogo brže nego što ste mislili.

Razgovor dolazi u ćorsokak. Kada govorimo o kvantnom svijetu, kretanje gubi smisao. Na ovim skalama sve je definisano nesigurnošću, tako da nije da su čestice stacionarne, nego ih nikada ne možete izmjeriti kao da su nepokretne.

Koliko nisko možeš ići?

Potraga za apsolutnom nulom u suštini se suočava sa istim problemima kao i težnja za brzinom svjetlosti. Za postizanje brzine svjetlosti potrebna je beskonačna količina energije, a postizanje apsolutne nule zahtijeva ekstrakciju beskonačne količine topline. Oba ova procesa su nemoguća, ako ništa drugo.

Unatoč činjenici da još uvijek nismo dostigli stvarno stanje apsolutne nule, vrlo smo joj blizu (iako je "veoma" u ovom slučaju vrlo labav koncept; poput dječje pjesmice: dva, tri, četiri, četiri i a pola, četiri na žici, četiri za dlaku, pet). Najniža temperatura ikada zabilježena na Zemlji zabilježena je na Antarktiku 1983. godine, na -89,15 stepeni Celzijusa (184K).

Naravno, ako se želite rashladiti na djetinjast način, morate zaroniti u dubine svemira. Čitav univerzum je preplavljen ostacima radijacije Veliki prasak, u najpraznijim delovima svemira - 2,73 stepena Kelvina, što je nešto hladnije od temperature tečnog helijuma koju smo uspeli da dobijemo na Zemlji pre jednog veka.

Ali fizičari niskih temperatura koriste zrake zamrzavanja kako bi podigli tehnologiju na viši nivo. novi nivo. Možda će vas iznenaditi saznanje da zamrznute zrake imaju oblik lasera. Ali kako? Laseri bi trebali gorjeti.

Sve je tačno, ali laseri imaju jednu osobinu – moglo bi se čak reći, ultimativnu: sva svjetlost se emituje na jednoj frekvenciji. Obični neutralni atomi uopće ne stupaju u interakciju sa svjetlom osim ako frekvencija nije precizno podešena. Ako atom leti prema izvoru svjetlosti, svjetlost prima Doplerov pomak i dostiže višu frekvenciju. Atom apsorbuje manje energije fotona nego što bi mogao. Dakle, ako podesite laser niže, atomi koji se brzo kreću će apsorbirati svjetlost, a emitiranjem fotona u slučajnom smjeru, u prosjeku će izgubiti malo energije. Ako ponovite proces, možete ohladiti plin na temperaturu manju od jednog nano Kelvina, milijardnog dijela stepena.

Sve poprima ekstremniji ton. Svjetski rekord za najnižu temperaturu je manje od jedne desetine milijarde stepeni iznad apsolutne nule. Uređaji koji to postižu zarobljavaju atome magnetna polja. “Temperatura” ne zavisi toliko od samih atoma, koliko od spina atomskih jezgara.

Sada, da bismo obnovili pravdu, moramo biti malo kreativni. Kada obično zamišljamo nešto zaleđeno na milijardu stepena, verovatno ćete dobiti sliku čak i molekula vazduha koji se smrzavaju na mestu. Može se čak zamisliti destruktivni apokaliptični uređaj koji zamrzava poleđine atoma.

Konačno, ako zaista želite da iskusite niske temperature, sve što treba da uradite je da sačekate. Nakon otprilike 17 milijardi godina pozadinsko zračenje u svemiru će se ohladiti na 1K. Za 95 milijardi godina temperatura će biti približno 0,01K. Za 400 milijardi godina duboki svemir će biti hladan kao i najhladniji hladni eksperiment na Zemlji, a nakon toga - još hladnije.

Ako se pitate zašto se svemir tako brzo hladi, zahvalite našim starim prijateljima: entropiji i tamna energija. Univerzum je u režimu ubrzanja, ulazeći u period eksponencijalnog rasta koji će se nastaviti zauvijek. Stvari će se vrlo brzo zamrznuti.

šta nas briga?

Sve je to, naravno, divno, a i rušiti rekorde. Ali koja je poenta? Pa, postoji mnogo dobrih razloga da shvatite niske temperature, i to ne samo kao pobjednika.

Dobri ljudi u NIST-u, na primjer, jednostavno bi to htjeli cool sat. Vremenski standardi se zasnivaju na stvarima kao što je frekvencija atoma cezija. Ako se atom cezijuma previše pomiče, to stvara nesigurnost u mjerenjima, što će na kraju uzrokovati kvar na satu.

Ali što je još važnije, posebno iz naučne perspektive, materijali se ponašaju ludo na ekstremno niskim temperaturama. Na primjer, kao što je laser napravljen od fotona koji su međusobno sinkronizirani - na istoj frekvenciji i fazi - tako se može stvoriti materijal poznat kao Bose-Einstein kondenzat. U njemu su svi atomi u istom stanju. Ili zamislite amalgam u kojem svaki atom gubi svoju individualnost i cijela masa reagira kao jedan nul-super-atom.

Na vrlo niskim temperaturama, mnogi materijali postaju superfluidi, što znači da uopće ne mogu imati viskoznost, slagati se u ultra tanke slojeve, pa čak i prkositi gravitaciji kako bi postigli minimum energije. Takođe, na niskim temperaturama, mnogi materijali postaju supravodljivi, što znači da nema električnog otpora.

Superprovodnici su u stanju da reaguju na vanjska magnetna polja na takav način da ih potpuno ponište unutar metala. Kao rezultat, možete kombinirati hladna temperatura i magnet i dobijete nešto poput levitacije.

Zašto postoji apsolutna nula, ali ne i apsolutni maksimum?

Pogledajmo drugu krajnost. Ako je temperatura samo mjera energije, onda možemo jednostavno zamisliti atome koji se sve više približavaju brzini svjetlosti. Ovo ne može da traje večno, zar ne?

Kratak odgovor je: ne znamo. Moguće je da bukvalno postoji takva stvar kao što je beskonačna temperatura, ali ako postoji apsolutna granica, mladi svemir pruža neke prilično zanimljive naznake o tome šta je to. Najviše toplota ikada postojao (barem u našem univerzumu), vjerovatno se dogodilo u takozvanom “Plankovom vremenu”.

Bio je to trenutak 10^-43 sekunde nakon Velikog praska kada je gravitacija odvojena od kvantne mehanike i fizika postala upravo ono što je sada. Temperatura je u to vrijeme bila otprilike 10^32 K. Ovo je septilion puta toplije od unutrašnjosti našeg Sunca.

Opet, uopće nismo sigurni da li je ovo najviše vruća temperatura od svega što je moglo biti. Budući da u Planckovo vrijeme nemamo čak ni veliki model svemira, nismo čak ni sigurni da je svemir proključao do takvog stanja. U svakom slučaju, mnogo smo puta bliže apsolutnoj nuli nego apsolutnoj toploti.

Apsolutna temperatura nula odgovara 273,15 stepeni Celzijusa ispod nule, 459,67 ispod nule Farenhajta. Za Kelvinovu temperaturnu skalu, ova temperatura je sama po sebi nulta oznaka.

Suština apsolutne nulte temperature

Koncept apsolutne nule proizlazi iz same suštine temperature. Svako tijelo koje odaje spoljašnje okruženje tokom . Istovremeno se smanjuje tjelesna temperatura, tj. ostaje manje energije. Teoretski, ovaj proces se može nastaviti sve dok količina energije ne dostigne toliki minimum da je tijelo više ne može odavati.
Daleki predznak takve ideje već se može naći kod M. V. Lomonosova. Veliki ruski naučnik je toplotu objasnio „rotacionim“ kretanjem. Shodno tome, maksimalni stepen hlađenja je potpuni prekid takvog kretanja.

Prema modernim konceptima, apsolutna nula temperatura je na kojoj molekuli imaju najniži mogući nivo energije. Sa manje energije, tj. na nižoj temperaturi ne može postojati nijedno fizičko tijelo.

Teorija i praksa

Apsolutna nulta temperatura je teoretski koncept, nemoguće je postići u praksi u principu, čak ni u uslovima naučne laboratorije sa najsofisticiranijom opremom. Ali naučnici uspijevaju ohladiti supstancu na vrlo niske temperature, koje su blizu apsolutne nule.

Na takvim temperaturama tvari dobivaju neverovatna svojstva, koje ne mogu imati u normalnim okolnostima. Živa, koja se naziva "živim srebrom" jer je u stanju bliskom tečnom, na ovoj temperaturi postaje čvrsta - do te mjere da se može koristiti za zabijanje eksera. Neki metali postaju krti, poput stakla. Guma postaje jednako tvrda. Ako čekićem udarite gumeni predmet na temperaturi blizu apsolutne nule, razbiće se poput stakla.

Ova promjena svojstava je također povezana s prirodom topline. Što je temperatura viša fizičko tijelo, što se molekuli kreću intenzivnije i haotičnije. Kako temperatura pada, kretanje postaje manje intenzivno i struktura postaje urednija. Tako gas postaje tečan i tečan čvrsto telo. Krajnji nivo reda je kristalna struktura. Na ultra niskim temperaturama, čak i supstance koje inače ostaju amorfne, kao što je guma, to dobijaju.

Zanimljive pojave se dešavaju i sa metalima. Atomi kristalne rešetke vibriraju sa manjom amplitudom, raspršenje elektrona se smanjuje, a samim tim i smanjuje električni otpor. Metal dobija supravodljivost, praktična upotrebašto izgleda veoma primamljivo, iako teško ostvarivo.

> Apsolutna nula

Naučite čemu je to jednako apsolutna nula temperatura i vrijednost entropije. Saznajte koja je temperatura apsolutne nule na ljestvici Celzijusa i Kelvina.

Apsolutna nula– minimalna temperatura. Ovo je tačka u kojoj entropija dostiže najniža vrijednost.

Cilj učenja

• Shvatite zašto apsolutna nula strši prirodni pokazatelj nultu tačku.

Glavne tačke

• Apsolutna nula je univerzalna, odnosno sva materija je na ovom indikatoru u osnovnom stanju.
• K ima kvantno mehaničku nultu energiju. Ali u interpretaciji kinetička energija može biti nula, ali termalni nestaje.
• Najniža temperatura u laboratorijskim uslovima dostigla je 10-12 K. Minimalna prirodna temperatura bila je 1 K (širenje gasova u maglini Bumerang).

Uslovi

• Entropija je mjera koliko je uniformna energija raspoređena u sistemu.
• Termodinamika je grana nauke koja proučava toplotu i njen odnos sa energijom i radom.

Apsolutna nula je minimalna temperatura na kojoj entropija dostiže najnižu vrijednost. Odnosno, ovo je najmanji indikator koji se može uočiti u sistemu. Ovo univerzalni koncept i izvodi nultu tačku u sistemu temperaturnih jedinica.

Grafikon zavisnosti pritiska u odnosu na temperaturu za različite gasove sa konstantnom zapreminom. Imajte na umu da svi grafikoni ekstrapoliraju na nulti pritisak na jednoj temperaturi

Sistem na apsolutnoj nuli je još uvijek obdaren kvantno mehaničkom energijom nulte tačke. Prema principu nesigurnosti, položaj čestica se ne može odrediti iz apsolutna tačnost. Ako je čestica pomjerena na apsolutnoj nuli, ona i dalje ima minimalnu rezervu energije. Ali u klasičnoj termodinamici, kinetička energija može biti nula, a toplinska energija nestaje.

Nulta tačka termodinamičke skale, kao što je Kelvin, jednaka je apsolutnoj nuli. Međunarodnim sporazumom utvrđeno je da temperatura apsolutne nule dostiže 0K na Kelvinovoj skali i -273,15°C na Celzijusovoj skali. Supstanca na minimalnim temperaturama pokazuje kvantne efekte, poput supravodljivosti i superfluidnosti. Najniža temperatura u laboratorijskim uslovima bila je 10-12 K, i in prirodno okruženje– 1K (brzo širenje gasova u bumerang maglini).

Brzo širenje gasova dovodi do minimalne posmatrane temperature

Apsolutna nula odgovara temperaturi od -273,15 °C.

Smatra se da je apsolutna nula nedostižna u praksi. Njegovo postojanje i položaj na temperaturnoj skali proizilazi iz ekstrapolacije posmatranih fizičkih pojava, a takva ekstrapolacija pokazuje da bi na apsolutnoj nuli energija toplotnog kretanja molekula i atoma supstance trebala biti jednaka nuli, odnosno haotično kretanje čestica. zaustavlja i formiraju uređenu strukturu, zauzimajući čistu poziciju u čvorovima kristalne rešetke. Međutim, u stvari, čak i na temperaturi apsolutne nule, ostat će pravilna kretanja čestica koje čine materiju. Preostale oscilacije, kao što su nulte oscilacije, nastaju zbog kvantna svojstvačestice i fizički vakuum koji ih okružuje.

Trenutno je u fizičkim laboratorijama moguće dobiti temperature koje prelaze apsolutnu nulu za samo nekoliko milionitih delova stepena; postići ga sam, prema zakonima termodinamike, nemoguće je.

Bilješke

Književnost

• G. Burmin. Napad na apsolutnu nulu. - M.: "Dječija književnost", 1983.

vidi takođe

Wikimedia fondacija. 2010.

Pogledajte šta je "apsolutna nula" u drugim rječnicima:

Temperature, porijeklo temperature na termodinamičkoj temperaturnoj skali (vidi SKALU TERMODINAMIČKE TEMPERATURE). Apsolutna nula nalazi se 273,16 °C ispod temperature trostruke tačke (vidi TROJNA TAČKA) vode, za koju je prihvaćeno ... ... enciklopedijski rječnik

Temperature, porijeklo temperature na termodinamičkoj temperaturnoj skali. Apsolutna nula nalazi se 273,16°C ispod temperature trostruke tačke vode (0,01°C). Apsolutna nula je u osnovi nedostižna, temperature su skoro dostignute... ... Moderna enciklopedija

Temperature su polazna tačka za temperaturu na termodinamičkoj temperaturnoj skali. Apsolutna nula nalazi se na 273.16.C ispod temperature trostruke tačke vode, za koju je vrijednost 0.01.C. Apsolutna nula je u osnovi nedostižna (vidi ... ... Veliki enciklopedijski rječnik

Temperatura koja izražava odsustvo toplote je 218° C. Rečnik strane reči, uključeno u ruski jezik. Pavlenkov F., 1907. temperatura apsolutne nule (fizička) - najniža moguća temperatura(273,15°C). Veliki rječnik… … Rečnik stranih reči ruskog jezika

apsolutna nula- Ekstremno niska temperatura na kojoj se zaustavlja termičko kretanje molekula; na Kelvinovoj skali apsolutna nula (0°K) odgovara –273,16±0,01°C... Geografski rječnik

Imenica, broj sinonima: 15 okrugla nula (8) mali čovek(32) pomfrit... Rečnik sinonima

APSOLUTNA NULA- ekstremno niska temperatura na kojoj prestaje termičko kretanje molekula. Pritisak i zapremina idealnog gasa, prema Boyle-Mariotteovom zakonu, postaju jednaki nuli, a izvan početka brojanja apsolutna temperatura na Kelvinskoj skali se uzima...... Ekološki rječnik

apsolutna nula- - [A.S. Goldberg. Englesko-ruski energetski rječnik. 2006] Energetske teme općenito EN nulta tačka ... Vodič za tehnički prevodilac

Početak apsolutne referentne temperature. Odgovara 273,16° C. Trenutno je u fizičkim laboratorijama moguće dobiti temperaturu koja prelazi apsolutnu nulu za samo nekoliko milionitih delova stepena, i postići je, prema zakonima... ... Collier's Encyclopedia

apsolutna nula- absoliutusis nulis statusas T sritis Standardizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273,16 K žemiau vandens trigubojo taško. Tai 273,16 °C, 459,69 °F pri 0 K temperatūra. atitikmenys: engl.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

apsolutna nula- absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). atitikmenys: engl. apsolutna nula rus. apsolutna nula... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas