Izbor tačaka topljenja leda i kipuće vode kao glavnih tačaka temperaturne skale je potpuno proizvoljan. Ovako dobijena temperaturna skala pokazala se nezgodnom za teorijske studije.

Na osnovu zakona termodinamike, Kelvin je uspeo da konstruiše takozvanu apsolutnu temperaturnu skalu (trenutno se zove termodinamička temperaturna skala ili Kelvinova skala), potpuno nezavisnu ni od prirode termometričkog tela ni od izabranog termometarskog parametra. Međutim, princip konstruisanja ovakve skale nadilazi školski program. Razmotrićemo ovo pitanje koristeći druga razmatranja.

Formula (2) podrazumijeva dva moguća načina za uspostavljanje temperaturne skale: korištenjem promjene tlaka određene količine plina pri konstantnoj zapremini ili promjenom zapremine pri konstantnom pritisku. Ova skala se zove skala idealne temperature gasa.

Temperatura određena jednakošću (2) naziva se apsolutna temperatura. Apsolutna temperatura Τ ne može biti negativan, jer su na lijevoj strani jednakosti (2) očito pozitivne veličine (tačnije, ne može imati različite predznake, može biti ili pozitivan ili negativan. Ovo ovisi o izboru predznaka konstante k. Pošto je dogovoreno da se temperatura trostruke tačke smatra pozitivnom, apsolutna temperatura može biti samo pozitivna). Dakle, najniža moguća vrijednost temperature T= 0 je temperatura kada je pritisak ili zapremina nula.

Granična temperatura na kojoj pritisak idealnog gasa nestaje pri fiksnoj zapremini ili zapremina idealnog gasa teži nuli (tj. gas treba da se komprimuje u „tačku“) pri konstantnom pritisku naziva se apsolutna nula. Ovo je najniža temperatura u prirodi.

Iz jednakosti (3), uzimajući u obzir da je \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) slijedi fizičko značenje apsolutne nule: apsolutna nula - temperatura na kojoj treba prestati termalno translacijsko kretanje molekula. Apsolutna nula je nedostižna.

Međunarodni sistem jedinica (SI) koristi apsolutnu termodinamičku temperaturnu skalu. Apsolutna nula se uzima kao nulta temperatura na ovoj skali. Druga referentna tačka je temperatura na kojoj su voda, led i zasićena para u dinamičkoj ravnoteži, tzv. trostruka tačka (na Celzijusovoj skali temperatura trostruke tačke je 0,01 °C). Svaka jedinica apsolutne temperature, nazvana Kelvin (simbolizovana sa 1 K), jednaka je stepenu Celzijusa.

Potapanjem tikvice gasnog termometra u led koji se topi, a zatim u kipuću vodu pri normalnom atmosferskom pritisku, otkrili su da je pritisak gasa u drugom slučaju bio 1,3661 puta veći nego u prvom. Uzimajući to u obzir i koristeći formulu (2), možemo odrediti da je temperatura topljenja leda T 0 = 273,15 K.

Zaista, napišimo jednačinu (2) za temperaturu T 0 topljenje leda i temperatura ključanja vode ( T 0 + 100):

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

Dijelimo drugu jednačinu prvom, dobijamo:

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

\(~T_0 = \frac(100)(\frac(p_2)(p_1) - 1) = \frac(100)(1.3661 - 1) = 273.15 K.\)

Na slici 2 prikazan je šematski dijagram Celzijusove skale i termodinamičke skale.

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

Mi smo skloni šutjeti kada su tehnički detalji u pitanju, pa samo za stručnjake, napominjemo da je temperatura malo složenija nego što smo rekli. Prava definicija temperature uključuje koliko energije trebate potrošiti za svaku jedinicu entropije (poremećaj, ako želite jasniju riječ). 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 je temperatura od -273,15 stepeni Celzijusa, -459,67 Farenhajta i jednostavno 0 Kelvina. Ovo je tačka u kojoj se termalno kretanje potpuno zaustavlja.

Da li sve prestaje?

U klasičnom razmatranju problema, sve se zaustavlja na apsolutnoj nuli, ali upravo u ovom trenutku iz ugla proviruje strašno lice kvantne mehanike. 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 tanak sloj na podu.

Ali čak i tako, ako možete izmjeriti pojedinačne molekule, naći ćete nešto zanimljivo: oni vibriraju i vrte se, samo malo kvantne nesigurnosti na djelu. Do točke i, ako izmjerite rotaciju molekula ugljičnog dioksida na apsolutnoj nuli, otkrit ćete da atomi kisika lete oko ugljika 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.

Async: istina )); )); t = d.getElementsByTagName("script"); s = d.createElement("script"); s.type = "tekst/javascript"; s.src = "//an.yandex.ru/system/context.js"; s.async = istina; t.parentNode.insertBefore(s, t); ))(ovo, ovaj.document, "yandexContextAsyncCallbacks");

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 okupan ostacima radijacije iz Velikog praska, u najpraznijim dijelovima svemira - 2,73 stepena Kelvina, što je malo hladnije od temperature tečnog helijuma koju smo uspjeli dobiti na Zemlji prije jednog stoljeća.

Ali fizičari niskih temperatura koriste zrake zamrzavanja kako bi podigli tehnologiju na potpuno 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 nanokelvina, 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 u magnetnim poljima. “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 zamrznuto 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 najhladniji eksperiment na Zemlji, a nakon toga još hladniji.

Ako se pitate zašto se svemir tako brzo hladi, zahvalite našim starim prijateljima: entropiji i tamnoj energiji. Univerzum je u modu ubrzanja, ulazi 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, samo bi htjeli napraviti 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 hladnu temperaturu i magnet i dobiti 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. Najviša temperatura ikada poznata (barem u našem svemiru) vjerovatno se dogodila u ono što je poznato kao Planckovo vrijeme.

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 približno 10^32 K. Ovo je septilion puta toplije od unutrašnjosti našeg Sunca.

Opet, uopće nismo sigurni da li je ovo najtoplija temperatura koja bi mogla biti. Budući da u Planckovo vrijeme nemamo čak ni veliki model svemira, nismo ni sigurni da je svemir proključao do takvog stanja. U svakom slučaju, mnogo smo puta bliže apsolutnoj nuli nego apsolutnoj toploti.

Apsolutna nulta temperatura

Granična temperatura pri kojoj zapremina idealnog gasa postaje jednaka nuli se uzima kao apsolutna nula temperatura.

Nađimo vrijednost apsolutne nule na Celzijusovoj skali.
Izjednačavanje jačine zvuka V u formuli (3.1) nula i uzimajući to u obzir

Stoga je apsolutna nula temperatura

t= –273 °C. 2

Ovo je ekstremna, najniža temperatura u prirodi, taj „najveći ili poslednji stepen hladnoće“, čije je postojanje predvideo Lomonosov.

Najviše temperature na Zemlji - stotine miliona stepeni - postižu se tokom eksplozija termonuklearnih bombi. Čak i više temperature su tipične za unutrašnje oblasti nekih zvezda.

2Tačnija vrijednost apsolutne nule: –273,15 °C.

Kelvinova skala

Uveo je engleski naučnik W. Kelvin apsolutna skala temperature Nulta temperatura na Kelvinovoj skali odgovara apsolutnoj nuli, a jedinica temperature na ovoj skali jednaka je stepenu na Celzijusovoj skali, tako da apsolutna temperatura T se formulom odnosi na temperaturu na Celzijusovoj skali

T = t + 273. (3.2)

Na sl. 3.2 prikazuje apsolutnu skalu i Celzijusovu skalu za poređenje.

SI jedinica apsolutne temperature naziva se Kelvine(skraćeno K). Dakle, jedan stepen na Celzijusovoj skali jednak je jednom stepenu na Kelvinovoj skali:

Dakle, apsolutna temperatura, prema definiciji datoj formulom (3.2), je izvedena veličina koja zavisi od temperature Celzijusa i od eksperimentalno utvrđene vrijednosti a.

Čitalac: Koje fizičko značenje ima apsolutna temperatura?

Zapišimo izraz (3.1) u obliku

S obzirom da je temperatura na Kelvinovoj skali povezana sa temperaturom na Celzijusovoj skali relacijom T = t + 273, dobijamo

Gdje T 0 = 273 K, ili

Pošto ova relacija važi za proizvoljnu temperaturu T, tada se Gay-Lussacov zakon može formulirati na sljedeći način:

Za datu masu plina pri p = const vrijedi sljedeća relacija:

Zadatak 3.1. Na temperaturi T 1 = zapremina gasa 300 K V 1 = 5,0 l. Odredite zapreminu gasa pri istom pritisku i temperaturi T= 400 K.

STOP! Odlučite sami: A1, B6, C2.

Problem 3.2. Prilikom izobaričnog zagrevanja zapremina vazduha se povećala za 1%. Za koliko je postotaka porasla apsolutna temperatura?

= 0,01.

Odgovori: 1 %.

Prisjetimo se rezultirajuće formule

STOP! Odlučite sami: A2, A3, B1, B5.

Charlesov zakon

Francuski naučnik Čarls je eksperimentalno ustanovio da ako se gas zagreje tako da njegova zapremina ostane konstantna, pritisak gasa će se povećati. Zavisnost pritiska od temperature ima oblik:

R(t) = str 0 (1 + b t), (3.6)

Gdje R(t) – pritisak na temperaturi t°C; R 0 – pritisak na 0 °C; b je temperaturni koeficijent pritiska, koji je isti za sve gasove: 1/K.

Čitalac: Iznenađujuće, temperaturni koeficijent pritiska b je tačno jednak temperaturnom koeficijentu zapreminskog širenja a!

Uzmimo određenu masu gasa sa zapreminom V 0 na temperaturi T 0 i pritisak R 0 . Po prvi put, održavajući konstantan pritisak plina, zagrijavamo ga na temperaturu T 1 . Tada će gas imati zapreminu V 1 = V 0 (1 + a t) i pritisak R 0 .

Drugi put, održavajući volumen plina konstantnim, zagrijavamo ga na istu temperaturu T 1 . Tada će plin imati pritisak R 1 = R 0 (1 + b t) i jačinu zvuka V 0 .

Pošto je u oba slučaja temperatura gasa ista, važi Boyle-Mariotteov zakon:

str 0 V 1 = str 1 V 0 Þ R 0 V 0 (1 + a t) = R 0 (1 + b t)V 0 Þ

Þ 1 + a t = 1 + b tÞ a = b.

Stoga nije iznenađujuće da je a = b, ne!

Prepišimo Charlesov zakon u obliku

S obzirom na to T = t°S + 273 °S, T 0 = 273 °C, dobijamo

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 pokušavaju da se što više približe apsolutnoj nuli, trenutni rekord postavljen je 2003. godine u laboratoriji Tehnološkog instituta u Masačusetsu. Naučnicima je nedostajalo samo 810 milijarditi dio stepena od apsolutne nule. Hladili su oblak atoma natrijuma koji je na mjestu držao snažno magnetsko polje.

Čini se - koje je praktično značenje takvih eksperimenata? Ispostavilo se da istraživače zanima 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 za svoje otkriće dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Jedno od izuzetnih svojstava Bose-Einstein kondenzata (BEC) je sposobnost kontrole kretanja svjetlosnih zraka. U vakuumu, svjetlost putuje brzinom od 300.000 km u sekundi, a to je najveća brzina koja se može postići 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 se usporava i može se "uhvatiti" i direktno pretvoriti u električnu struju. Ova struja se može prenijeti u drugi CBE oblak i ponovo pretvoriti u svjetlosno zračenje. Ova sposobnost je veoma tražena u telekomunikacijama i računarstvu. Ovdje ne razumijem malo - uostalom, uređaji koji pretvaraju svjetlosne valove u električnu energiju i obrnuto VEĆ postoje... Očigledno, korištenje 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. U isto vrijeme, istraživači shvaćaju da je izvlačenje sve energije do posljednje iz atoma praktički nedostižno.

> Apsolutna nula

Naučite čemu je to jednako temperatura apsolutne nule 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 najnižu vrijednost.

Cilj učenja

Shvatite zašto je apsolutna nula prirodni pokazatelj nulte tačke.

Glavne tačke

Apsolutna nula je univerzalna, odnosno sva materija je na ovom indikatoru u osnovnom stanju.
K ima kvantno mehaničku nultu energiju. Ali u tumačenju, kinetička energija može biti nula, a toplotna energija 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 je univerzalni koncept i djeluje kao nulta tačka 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 sa apsolutnom tačnošću. 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 ispoljava kvantne efekte na minimalnim temperaturama, kao što su supravodljivost i superfluidnost. Najniža temperatura u laboratorijskim uslovima bila je 10-12 K, au prirodnom okruženju - 1 K (brzo širenje gasova u maglini Bumerang).