Что такое абсолютный ноль и можно ли его достичь. Абсолютный ноль температуры – точка прекращения движения молекул Можно ли экспериментально получить абсолютный нуль
Задумывались ли вы над тем, насколько низкой может быть температура? Что представляет собой абсолютный ноль? Удастся ли человечеству когда-нибудь его достичь и какие возможности откроются после такого открытия? Эти и другие подобные вопросы издавна занимали умы многих физиков да и просто любознательных людей.
Что есть абсолютный ноль
Даже если с детства не любили физику, вам наверняка знакомо понятие температуры. Благодаря молекулярно-кинетической теории теперь мы знаем, что между ней и движениями молекул и атомов существует определенная статическая связь: чем больше температура любого физического тела, тем быстрее движутся его атомы, и наоборот. Возникает вопрос: «Существует ли такая нижняя граница, при которой элементарные частицы застынут на месте?». Ученые считают, что это теоритически возможно, столбик термометра окажется на отметке -273,15 градуса по шкале Цельсия. Данное значение получило название абсолютный ноль. Другими словами, это минимально возможный предел, до которого может быть охлаждено физическое тело. Есть даже абсолютная температурная шкала (шкала Кельвина), в которой абсолютный ноль является точкой отсчета, а единичное деление шкалы равно одному градусу. Ученые по всему миру не прекращают работы по достижению данного значения, так как это сулит человечеству огромные перспективы.
Почему это так важно
Предельно низкие и предельно высокие температуры тесно связаны с понятием сверхтекучести и сверхпроводимости. Исчезновение электрического сопротивления в сверхпроводниках позволит достичь немыслимых значений КПД и исключить любые потери энергии. Если бы удалось найти способ, который позволит свободно достичь значения "абсолютный нуль", многие проблемы человечества были бы решены. Поезда, парящие над рельсами, более легкие и менее объемные двигатели, трансформаторы и генераторы, высокоточная магнитоэнцефалография, высокоточные часы - вот лишь несколько примеров того, что может принести сверхпроводимость в нашу жизнь.
Последние научные достижения
В сентябре 2003 года исследователи из MIT и NASA сумели охладить газ натрий до рекордно низкого значения. В ходе эксперимента до финишной отметки (абсолютный ноль) им не хватило всего половины миллиардной доли градуса. В процессе тестов натрий все время находился в магнитном поле, которое удерживало его от прикосновения к стенкам контейнера. Если бы удалось преодолеть температурный барьер, молекулярное движение в газе полностью бы остановилось, ведь такое охлаждение извлекло бы всю энергию из натрия. Исследователи применили методику, автор которой (Вольфганг Кеттерле) получил в 2001 году Нобелевскую премию по физике. Ключевым моментом в проводимых тестах были газовые процессы конденсации Бозе-Эйнштейна. Меж тем, никто еще не отменял третье начало термодинамики, согласно которому абсолютный ноль - это не только непреодолимая, но и недостижимая величина. К тому же действует принцип неопределенности Гейзенберга, и атомы просто не могут остановиться как вкопанные. Таким образом, пока что абсолютный нуль температуры для науки остается недостижимым, хоть ученые и смогли приблизиться к нему на ничтожно маленькое расстояние.
Термин «температура» появился во времена, когда ученые-физики думали, что теплые тела состоят из большего количества специфической субстанции - теплорода, - чем такие же тела, но холодные. А температура трактовалась как величина, соответствующая количеству теплорода в теле. С тех пор температуру любых тел измеряют в градусах. Но на самом деле это мера кинетической энергии движущихся молекул, и, исходя из этого, ее следует измерять в Джоулях, в соответствии с Системой единиц Си.
Понятие «абсолютный ноль температуры» исходит из второго начала термодинамики. По нему процесс перехода тепла от холодного тела к горячему невозможен. Это понятие введено английским физиком У. Томсоном. Ему за достижения в физике было даровано дворянское звание «лорд» и титул «барон Кельвин». В 1848 г. У.Томсон (Кельвин) предложил использовать температурную шкалу, в которой за начальную точку принял абсолютный ноль температуры, соответствующий предельному холоду, а ценой деления взял градус Цельсия. Единицей Кельвина является 1/27316 доля температуры тройной точки воды (около 0 град. С), т.е. температуры, при которой чистая вода сразу находится в трех видах: лед, жидкая вода и пар. температуры - это минимально возможная низкая температура, при которой движение молекул останавливается, и из вещества уже невозможно извлечь тепловую энергию. С тех пор шкала абсолютных температур стала называться его именем.
Температура измеряется по разным шкалам
Наиболее употребляемая шкала температуры носит название «шкала Цельсия». Она построена на двух точках: на температуре фазового перехода воды из жидкости в пар и воды в лед. А. Цельсий в 1742 г. предложил расстояние между опорными точками разделить на 100 промежутков, а воды принять за ноль, при этом точку замерзания за 100 градусов. Но швед К. Линней предложил сделать наоборот. С тех пор вода замерзает при ноле градусов А. Цельсия. Хотя точно по Цельсию она должна кипеть. Абсолютный ноль по Цельсию соответствует минус 273,16 градусов Цельсия.
Есть еще несколько температурных шкал: Фаренгейта, Реомюра, Ранкина, Ньютона, Рёмера. Они имеют разные и цену деления. Например шкала Реомюра тоже построена на реперах кипения и замерзания воды, но она имеет 80 делений. Шкала Фаренгейта, появившаяся в 1724 г., используется в быту только в некоторых странах мира, в т. ч. США; одна - температура смеси водяной лед - нашатырь и другая - человеческого тела. Шкала делится на сто делений. Ноль Цельсия соответствует 32 Перевод градусов в фаренгейты можно сделать по формуле: F = 1,8 C + 32. Обратный перевод: С = (F - 32)/1,8, где: F - градусы Фаренгейта, С - градусы Цельсия. Если вам лень считать, сходите в онлайн-сервис по переводу Цельсия в Фаренгейты. В рамочке наберите число градусов Цельсия, нажмите «Рассчитать», выберите «Фаренгейт» и нажмите «Пуск». Результат появится сразу.
Названа в честь английского (точнее шотландского) физика Уильяма Дж. Ранкина, бывшего современником Кельвина и одним из создателей технической термодинамики. В его шкале важных точек три: начало - абсолютный ноль, точки замерзания воды 491,67 градус Ранкина и закипания воды 671,67 град. Число делений между замерзанием воды и ее закипанием и у Ранкина, и у Фаренгейта равно 180.
Большинством этих шкал пользуются исключительно физики. А 40% опрошенных в наши дни американских школьников выпускных классов сказали, что они не знают, что такое абсолютный ноль температуры.
Наука
До недавних пор, самой холодной температурой, которую могло иметь физическое тело, считалась температура "абсолютного нуля" по шкале Кельвина. Это соответствует −273,15 градусам по Цельсию или −460 градусам по Фаренгейту.
Теперь же физики из Германии смогли достичь температуры ниже абсолютного нуля. Такое открытие поможет ученым понять такие явления, как темная энергия и создать новые формы вещества.
Абсолютный ноль температуры
В середине 19-го века, британский физик лорд Кельвин создал шкалу абсолютной температуры и определил, что ничто не может быть холоднее, чем абсолютный ноль . Когда частицы находятся при температуре абсолютного нуля, они перестают движение и у них отсутствует энергия.
Температура объекта - это мера того, насколько атомы движутся. Чем холоднее объект, тем медленнее движутся атомы. При температуре абсолютного нуля или -273,15 градусах по Цельсию, атомы перестают двигаться.
В 1950-х годах, физики начали утверждать, что частицы не всегда теряют энергию при абсолютном нуле.
Ученые из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге создали газ, который стал холоднее абсолютного нуля на несколько нанокельвинов .
Они охладили около 100 000 атомов до положительной температуры нескольких нанокельвинов (нанокельвин – одна миллиардная часть кельвина) и использовали сеть лазерных лучей и магнитных полей, чтобы контролировать поведение атомов, и подтолкнуть их к новому пределу температуры.
Самая высокая температура
Если самая низкая возможная температура считается абсолютным нулем, то какая температура может считаться его противоположностью - самой высокой температурой? Согласно космологическим моделям, самая высокая возможная температура – это планковская температура, которая соответствует 1.416785(71)х1032 кельвинов (141 нониллион 679 октиллионов градусов).
Наша Вселенная уже проходила через планковскую температуру. Это случилось через 10^-42 секунд после Большого взрыва, когда родилась Вселенная.
Самая низкая температура на Земле
Самая низкая температура на Земле была зафиксирована 21 июля 1983 году на станции Восток в Антарктиде, и она составила -89,2 градуса по Цельсию .
Станция Восток – самое холодное постоянное населенное место на Земле. Она была основана Россией в 1957 году и расположена на высоте 3488 метров над уровнем моря.
Самая высокая температура на Земле
Самая высокая температура на Земле была зарегистрирована 10 июля 1913 года в Долине Смерти в Калифорнии и она составила 56,7 градусов по Цельсию .
Предыдущий рекорд самой высокой температуры мире в городе Эль-Азизия в Ливии, составивший 57,7 градусов по Цельсию, был опровергнут Всемирной метеорологической организацией из-за ненадежности данных.
Предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры. Однако объем реальных газов при абсолютном нуле температуры обращаться в нуль не может. Имеет ли смысл тогда это предельное значение температуры?
Предельная температура, существование которой вытекает из закона Гей-Люссака, имеет смысл, так как практически можно приблизить свойства реального газа к свойствам идеального. Для этого надо брать все более разреженный газ, так чтобы его плотность стремилась к нулю. У такого газа действительно объем с понижением температуры будет стремиться к предельному, близкому к нулю.
Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Приравнивая объем V в формуле (3.6.4) нулю и учитывая, что
Отсюда абсолютный нуль температуры равен
* Более точное значение абсолютного нуля: -273,15 °С.
Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.
Шкала Кельвина
Кельвин Уильям (Томсон У.) (1824- 1907) - выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.
Кельвин ввел абсолютную шкалу температур и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости. В связи с прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля Кельвин разработал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу для периода свободных колебаний в контуре. За научные заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина.
Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой
(3.7.6)
На рисунке 3.11 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.
Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.
Таким образом, абсолютная температура по определению, даваемому формулой (3.7.6), является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения а. Однако она имеет фундаментальное значение.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При Т = О К тепловое движение молекул прекращается. Подробнее об этом пойдет речь в главе 4.
Зависимость объема от абсолютной температуры
Применяя шкалу Кельвина, закон Гей-Люссака (3.6.4) можно записать в более простой форме. Так как
(3.7.7)
Объем газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.
Отсюда следует, что отношение объемов газа одной и той же массы в различных состояниях при одном и том же давлении равно отношению абсолютных температур:
(3.7.8)
Существует минимально возможная температура, при которой объем (и давление) идеального газа обращаются в нуль. Это абсолютный нуль температуры: -273 °С. Удобно отсчитывать температуру от абсолютного нуля. Так строится абсолютная шкала температур.
Любое измерение предполагает наличие точки отсчета. Не является исключением и температура. Для шкалы Фаренгейта такой нулевой отметкой является температура снега, смешанного с поваренной солью, для шкалы Цельсия – температура замерзания воды. Но есть особая точка отсчета температуры – абсолютный нуль. Абсолютный температурный нуль соответствует 273,15 градусам Цельсия ниже нуля, 459,67 ниже нуля по Фаренгейту. Для температурной шкалы Кельвина такая температура сама по себе является нулевой отметкой.
Сущность абсолютного нуля температуры
Понятие абсолютного нуля исходит из самой сущности температуры. Любое тело обладает энергией, которую отдает во внешнюю среду в ходе теплопередачи. При этом снижается температура тела, т.е. энергии остается меньше. Теоретически этот процесс может продолжаться до тех пор, пока количество энергии не достигнет такого минимума, при котором отдавать ее тело уже не сможет.Отдаленное предвестие такой идеи можно найти уже у М.В.Ломоносова. Великий русский ученый объяснял теплоту «коловратным» движением. Следовательно, предельная степень охлаждения – это полная остановка такого движения.По современным представлениям, абсолютный нуль температуры – это такое состояние вещества, при котором молекулы наименьшим возможным уровнем энергии. При меньшем количестве энергии, т.е. при более низкой температуре ни одно физическое тело существовать не может.