Что такое абсолютный ноль (чаще — нуль)? Действительно ли эта температура существует где-либо во Вселенной? Можем ли мы охладить что-либо до абсолютного нуля в реальной жизни? Если вам интересно, можно ли обогнать волну холода, давайте исследуем самые дальние пределы холодной температуры…

Что такое абсолютный ноль (чаще — нуль)? Действительно ли эта температура существует где-либо во Вселенной? Можем ли мы охладить что-либо до абсолютного нуля в реальной жизни? Если вам интересно, можно ли обогнать волну холода, давайте исследуем самые дальние пределы холодной температуры…

Даже если вы не физик, вы, вероятно, знакомы с понятием температуры. Температура — это мера измерения количества внутренней случайной энергии материала. Слово «внутренней» очень важно. Бросьте снежок, и хотя основное движение будет достаточно быстрым, снежный ком останется довольно холодным. С другой стороны, если вы посмотрите на молекулы воздуха, летающие по комнате, обычная молекула кислорода жарит со скоростью тысяч километров в час.

Мы обычно умолкаем, когда речь заходит о технических деталях, поэтому специально для экспертов отметим, что температура немного более сложная вещь, чем мы сказали. Истинное определение температуры подразумевает то, сколько энергии вам нужно затратить на каждую единицу энтропии (беспорядка, если хотите более понятное слово). Но давайте опустим тонкости и просто остановимся на том, что случайные молекулы воздуха или воды в толще льда будут двигаться или вибрировать все медленнее и медленнее, по мере понижения температуры.

Абсолютный ноль — это температура -273,15 градусов Цельсия, -459,67 по Фаренгейту и просто 0 по Кельвину. Это точка, где тепловое движение полностью останавливается.

Все останавливается?

В классическом рассмотрении вопроса при абсолютном нуле останавливается все, но именно в этот момент из-за угла выглядывает страшная морда квантовой механики. Одним из предсказаний квантовой механики, которое попортило кровь немалому количеству физиков, является то, что вы никогда не можете измерить точное положение или импульс частицы с совершенной определенностью. Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга.

Если бы вы могли охладить герметичную комнату до абсолютного нуля, произошли бы странные вещи (об этом чуть позже). Давление воздуха упало бы практически до нуля, и поскольку давление воздуха обычно противостоит гравитации, воздух сколлапсирует в очень тонкий слой на полу.

Но даже в этом случае, если вы сможете измерить отдельные молекулы, вы обнаружите кое-что любопытное: они вибрируют и вращаются, совсем немного — квантовая неопределенность в работе. Чтобы поставить точки над i: если вы измерите вращение молекул углекислого газа при абсолютном нуле, вы обнаружите, что атомы кислорода облетают углерод со скоростью несколько километров в час — куда быстрее, чем вы предполагали.

Разговор заходит в тупик. Когда мы говорим о квантовом мире, движение теряет смысл. В таких масштабах все определяется неопределенностью, поэтому не то чтобы частицы были неподвижными, вы просто никогда не сможете измерить их так, словно они неподвижны.

Как низко можно пасть?

Стремление к абсолютному нулю по существу встречается с теми же проблемами, что и стремление к скорости света. Чтобы набрать скорость света, понадобится бесконечное количество энергии, а достижение абсолютного нуля требует извлечения бесконечного количества тепла. Оба этих процесса невозможны, если что.

Несмотря на то, что мы пока не добились фактического состояния абсолютного нуля, мы весьма близки к этому (хотя «весьма» в этом случае понятие очень растяжимое; как детская считалочка: два, три, четыре, четыре с половиной, четыре на ниточке, четыре на волоске, пять). Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле, была зафиксирована в Антарктиде в 1983 году, на отметке -89,15 градусов Цельсия (184K).

Конечно, если вы хотите остыть не по-детски, вам нужно нырнуть в глубины космоса. Вся вселенная залита остатками излучения от Большого Взрыва, в самых пустых регионах космоса — 2,73 градуса по Кельвину, что немногим холоднее, чем температура жидкого гелия, который мы смогли получить на Земле век назад.

Но физики-низкотемпературщики используют замораживающие лучи, чтобы вывести технологию на совершенно новый уровень. Вас может удивить то, что замораживающие лучи принимают форму лазеров. Но как? Лазеры должны сжигать.

Все верно, но у лазеров есть одна особенность — можно даже сказать, ультимативная: весь свет излучается на одной частоте. Обычные нейтральные атомы вообще не взаимодействуют со светом, если частота не настроена точным образом. Если же атом летит к источнику света, свет получает допплеровский сдвиг и выходит на более высокую частоту. Атом поглощает меньшую энергию фотона, чем мог бы. Так что если настроить лазер пониже, быстродвижущиеся атомы будут поглощать свет, а излучая фотон в случайном направлении, будут терять немного энергии в среднем. Если повторять процесс, вы можете охладить газ до температуры меньше одного наноКельвина, миллиардной доли градуса.

Все приобретает более экстремальную окраску. Мировой рекорд самой низкой температуры составляет менее одной десятой миллиарда градуса выше абсолютного нуля. Устройства, которые добиваются этого, захватывают атомы в магнитные поля. «Температура» зависит не столько от самих атомов, сколько от спина атомных ядер.

Теперь, для восстановления справедливости, нам нужно немного пофантазировать. Когда мы обычно представляем себе что-то, замороженной до одной миллиардной доли градуса, вам наверняка рисуется картинка, как даже молекулы воздуха замерзают на месте. Можно даже представить разрушительное апокалиптическое устройство, замораживающее спины атомов.

В конечном счете, если вы действительно хотите испытать низкую температуру, все, что вам нужно, это ждать. Спустя примерно 17 миллиардов лет радиационный фон во Вселенной остынет до 1К. Через 95 миллиардов лет температура составит примерно 0,01К. Через 400 миллиардов лет глубокий космос будет таким же холодным, как самый холодный эксперимент на Земле, и после этого — еще холоднее.

Если вам интересно, почему вселенная остывает так быстро, скажите спасибо нашим старым друзьям: энтропии и темной энергии. Вселенная находится в режиме акселерации, вступая в период экспоненциального роста, который будет продолжаться вечно. Вещи буду замерзать очень быстро.

Какое нам дело?

Все это, конечно, замечательно, да и рекорды побивать тоже приятно. Но в чем смысл? Что ж, есть масса веских причин разбираться в низинах температуры, и не только на правах победителя.

Хорошие ребята из Национального института стандартов и технологий, например, просто хотели бы сделать классные часы. Стандарты времени основаны на таких вещах, как частота атома цезия. Если атом цезия движется слишком много, появляется неопределенность в измерениях, что, в конечном счете, приведет к сбою часов.

Но что более важно, особенно с точки зрения науки, материалы ведут себя безумно на экстремально низких температурах. К примеру, как лазер состоит из фотонов, которые синхронизируются друг с другом — на одной частоте и фазе — так и материал, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна, может быть создан. В нем все атомы находятся в одном и том же состоянии. Или представьте себе амальгаму, в которой каждый атом теряет свою индивидуальность, и вся масса реагирует как один нуль-супер-атом.

При очень низких температурах многие материалы становятся сверхтекучими, что означает, что они могут совершенно не обладать вязкостью, укладываться сверхтонкими слоями и даже бросать вызов гравитации в достижении минимума энергии. Также при низких температурах многие материалы становятся сверхпроводящими, что означает отсутствие какого-либо электрического сопротивления.

Сверхпроводники способны реагировать на внешние магнитные поля таким образом, чтобы полностью отменять их внутри металла. В результате, вы можете объединить холодную температуру и магнит и получить что-то типа левитации.

Почему есть абсолютный ноль, но нет абсолютного максимума?

Давайте взглянем на другую крайность. Если температура — это просто мера энергии, то можно просто представить атомы, которые подбираются ближе и ближе к скорости света. Не может же это продолжаться бесконечно?

Есть короткий ответ: мы не знаем. Вполне возможно, что буквально существует такая вещь, как бесконечная температура, но если есть абсолютный предел, юная вселенная предоставляет достаточно интересные подсказки относительно того, что это такое. Самая высокая температура, когда-либо существовавшая (как минимум в нашей вселенной), вероятно, случилась в так называемое «время Планка».

Это был миг длиной в 10^-43 секунд после Большого Взрыва, когда гравитация отделилась от квантовой механики и физика стала именно такой, какой является сейчас. Температура в то время была примерно 10^32 K. Это в септиллион раз горячее, чем нутро нашего Солнца.

Опять же, мы совсем не уверены, самая ли это горячая температура из всех, что могли быть. Поскольку у нас даже нет большой модели вселенной в момент времени Планка, мы даже не уверены, что Вселенная кипятилась до такого состояния. В любом случае, к абсолютному нулю мы во много раз ближе, чем к абсолютной жаре.

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.

Абсолютный нуль температуры

Предельную температуру, при которой объем идеального га­за становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры.

Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия.
Приравнивая объем V в формуле (3.1) нулю и учитывая, что

.

Отсюда абсолютный нуль температуры равен

t = –273 °С. 2

Это предельная, самая низкая температура в природе, та «на­ибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.

Наибольшие температуры на Земле – сотни миллионов граду­сов – получены при взрывах термоядерных бомб. Еще более высокие температуры характерны для внутренних областей некоторых звезд.

2Более точное значение абсолютного нуля: –273,15 °С.

Шкала 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

Т = t + 273. (3.2)

На рис. 3.2 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:

Таким образом, абсолютная температура по определению, да­ваемому формулой (3.2), являет­ся производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения a.

Читатель: А какой физический смысл имеет абсолютная температура?

Запишем выражение (3.1) в виде

.

Учитывая, что температура по шкале Кельвина связана с температурой по шкале Цельсия соотношением Т = t + 273, получим

где Т 0 = 273 К, или

Поскольку это соотношение справедливо для произвольной температуры Т , то закон Гей-Люссака можно сформулировать так:

Для данной массы газа при р = const выполняется соотношение

Задача 3.1. При температуре Т 1 = 300 К объем газа V 1 = 5,0 л. Определите объем газа при том же давлении и температуре Т = 400 К.

СТОП! Решите самостоятельно: А1, В6, С2.

Задача 3.2. При изобарическом нагревании объем воздуха увеличился на 1 %. На сколько процентов повысилась абсолютная температура?

= 0,01.

Ответ : 1 %.

Запомним полученную формулу

СТОП! Решите самостоятельно: А2, А3, В1, В5.

Закон Шарля

Французский ученый Шарль экспериментально установил, что если нагревать газ так, чтобы его объем оставался постоянным, то давление газа будет увеличиваться. Зависимость давления от температуры имеет вид:

р (t ) = p 0 (1 + bt ), (3.6)

где р (t ) – давление при температуре t °С; р 0 – давление при 0 °С; b – температурный коэффициент давления, который одинаков для всех газов: 1/К.

Читатель: Удивительно, что температурный коэффициент давления b в точности равен температурному коэффициенту объемного расширения a!

Возьмем определенную массу газа объемом V 0 при температуре Т 0 и давлении р 0 . В первый раз, поддерживая давление газа постоянным, нагреем его до температуры Т 1 . Тогда газ будет иметь объем V 1 = V 0 (1 + at ) и давление р 0 .

Во второй раз, поддерживая объем газа постоянным, нагреем его до той же температуры Т 1 . Тогда газ будет иметь давление р 1 = р 0 (1 + bt ) и объем V 0 .

Так как в обоих случаях температура газа одинакова, то справедлив закон Бойля–Мариотта:

p 0 V 1 = p 1 V 0 Þ р 0 V 0 (1 + at ) = р 0 (1 + bt )V 0 Þ

Þ 1 + at = 1 + bt Þ a = b.

Так что ничего удивительного в том, что a = b, нет!

Перепишем закон Шарля в виде

.

Учитывая, что Т = t °С + 273 °С, Т 0 = 273 °С, получим

Выбор в качестве основных точек температурной шкалы точек таяния льда и кипения воды совершенно произволен. Полученная таким образом температурная шкала оказалась неудобной для теоретических исследований.

Опираясь на законы термодинамики, Кельвину удалось построить так называемую абсолютную температурную шкалу (ее в настоящее время называют термодинамической шкалой температур или шкалой Кельвина), совершенно не зависящую ни от природы термометрического тела, ни от избранного термометрического параметра. Однако принцип построения такой шкалы выходит за пределы школьной программы. Мы рассмотрим этот вопрос, используя другие соображения.

Из формулы (2) вытекают два возможных способа установления температурной шкалы: использование изменения давления определенного количества газа при постоянном объеме или изменение объема при постоянном давлении. Такую шкалу называют идеальной газовой шкалой температуры .

Температура, определяемая равенством (2), называется абсолютной температурой . Абсолютная температура Τ не может быть отрицательной, так как слева в равенстве (2) стоят заведомо положительные величины (точнее, она не может быть разных знаков, она может быть либо положительной, либо отрицательной. Это зависит от выбора знака постоянной k . Так как условились температуру тройной точки считать положительной, то абсолютная температура может быть только положительной). Следовательно, наименьшее возможное значение температуры Т = 0 есть температура, когда давление или объем равны нулю.

Предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю (т.е. газ как бы должен сжаться в "точку") при неизменном давлении, называется абсолютным нулем . Это самая низкая температура в природе.

Из равенства (3), учитывая, что \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac{m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i}{2}\) , вытекает физический смысл абсолютного нуля: абсолютный нуль - температура, при которой должно прекратиться тепловое поступательное движение молекул . Абсолютный нуль недостижим.

В Международной системе единиц (СИ) используют абсолютную термодинамическую шкалу температур. За нулевую температуру по этой шкале принят абсолютный нуль. В качестве второй опорной точки принята температура, при которой находятся в динамическом равновесии вода, лед и насыщенный пар, так называемая тройная точка (по шкале Цельсия температура тройной точки равна 0,01 °С). Каждая единица абсолютной температуры, называемая Кельвином (обозначается 1 К), равна градусу Цельсия.

Погружая колбу газового термометра в тающий лед, а затем в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, обнаружили, что давление газа во втором случае в 1,3661 раза больше, чем в первом. Учитывая это и пользуясь формулой (2), можно определить, что температура таяния льда T 0 = 273,15 К.

Действительно, запишем уравнение (2) для температуры T 0 таяния льда и температуры кипения воды (T 0 + 100):

\(~\frac{p_1V}{N} = kT_0 ;\) \(~\frac{p_2V}{N} = k(T_0 + 100) .\)

Разделим второе уравнение на первое, получим:

\(~\frac{p_2}{p_1} = \frac{T_0 + 100}{T_0} .\)

\(~T_0 = \frac{100}{\frac{p_2}{p_1} - 1} = \frac{100}{1,3661 - 1} = 273,15 K.\)

На рисунке 2 схематически показаны шкала Цельсия и термодинамическая шкала.

Абсолютный ноль температур

Абсолю́тный ноль температу́ры - это минимальный предел температуры , которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы , например, шкалы Кельвина . По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C.

Считается, что абсолютный ноль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки . Однако, на самом деле, даже при абсолютном нуле температуры регулярные движения составляющих вещество частиц останутся . Оставшиеся колебания, например нулевые колебания , обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума , их окружающего.

В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру, превышающую абсолютный ноль всего на несколько миллионных долей градуса; достичь же его самого, согласно законам термодинамики, невозможно.

Примечания

Литература

• Г. Бурмин. Штурм абсолютного нуля. - М.: «Детская литература», 1983.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Абсолютный ноль температуры
• Абсолютный нуль температур

Смотреть что такое "Абсолютный ноль температур" в других словарях:

Абсолютный нуль температур - Абсолютный ноль температуры это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует… … Википедия

АБСОЛЮТНЫЙ НОЛЬ - АБСОЛЮТНЫЙ НОЛЬ, температура, при которой все компоненты системы обладают наименьшим количеством энергии, допустимым по законам КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ; ноль на шкале температур по Кельвину, или 273,15 °С (459,67° по Фаренгейту). При этой температуре … Научно-технический энциклопедический словарь

Абсолютная шкала температур

Абсолютная термодинамическая температура - Хаотическое тепловое движение на плоскости частиц газа таких как атомы и молекулы Существует два определения температуры. Одно с молекулярно кинетической точки зрения, другое с термодинамической. Температура (от лат. temperatura надлежащее… … Википедия

Абсолютная температурная шкала - Хаотическое тепловое движение на плоскости частиц газа таких как атомы и молекулы Существует два определения температуры. Одно с молекулярно кинетической точки зрения, другое с термодинамической. Температура (от лат. temperatura надлежащее… … Википедия

← Вернуться