Mis on absoluutse nulli füüsiline tähendus? Absoluutne nulltemperatuur on punkt, kus molekulide liikumine peatub. Mida tähendab absoluutne null?
Absoluutne temperatuur null vastab 273,15 kraadi Celsiuse järgi alla nulli, 459,67 alla nulli Fahrenheiti. Kelvini temperatuuriskaala jaoks on see temperatuur ise nullmärk.
Absoluutse nulltemperatuuri olemus
Absoluutse nulli mõiste tuleneb temperatuuri olemusest. Iga keha, mis eraldub ajal väliskeskkonda. Samal ajal langeb kehatemperatuur, st. energiat jääb vähem. Teoreetiliselt võib see protsess jätkuda seni, kuni energia hulk jõuab sellise miinimumini, et keha ei suuda seda enam ära anda.
Sellise idee kauge kuulutaja leiab juba M.V. Suur vene teadlane seletas kuumust "pöörleva" liikumisega. Järelikult on maksimaalne jahutusaste sellise liikumise täielik peatamine.
Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt on absoluutne nulltemperatuur see, mille juures molekulidel on madalaim võimalik energiatase. Väiksema energiaga, s.t. madalamal temperatuuril ei saa eksisteerida ühtegi füüsilist keha.
Teooria ja praktika
Absoluutne nulltemperatuur on teoreetiline kontseptsioon, seda on põhimõtteliselt võimatu saavutada isegi kõige keerukamate seadmetega teaduslaborites. Kuid teadlastel õnnestub aine jahutada väga madalale temperatuurile, mis on absoluutse nulli lähedal.
Sellistel temperatuuridel omandavad ained hämmastavaid omadusi, mida neil tavaolukorras ei saa olla. Elavhõbe, mida nimetatakse "elusaks hõbedaks", kuna see on vedelale lähedases olekus, muutub sellel temperatuuril tahkeks – kuni seda saab kasutada naelte löömiseks. Mõned metallid muutuvad rabedaks, nagu klaas. Kumm muutub sama kõvaks. Kui lüüa absoluutse nulli lähedasel temperatuuril vasaraga vastu kummist eset, puruneb see nagu klaas.
Seda omaduste muutust seostatakse ka soojuse olemusega. Mida kõrgem on füüsilise keha temperatuur, seda intensiivsemalt ja kaootilisemalt liiguvad molekulid. Temperatuuri langedes muutub liikumine vähem intensiivseks ja struktuur muutub korrapärasemaks. Seega muutub gaas vedelikuks ja vedelik tahkeks. Korra lõplik tase on kristallstruktuur. Ülimadalatel temperatuuridel omandavad selle isegi ained, mis tavaliselt jäävad amorfseks, näiteks kumm.
Huvitavaid nähtusi tuleb ette ka metallidega. Kristallvõre aatomid vibreerivad väiksema amplituudiga, elektronide hajumine väheneb ja seetõttu väheneb elektritakistus. Metall omandab ülijuhtivuse, mille praktiline rakendamine tundub väga ahvatlev, kuigi raskesti saavutatav.
Igal füüsilisel kehal, sealhulgas kõigil universumi objektidel, on minimaalne temperatuur või selle piir. Mis tahes temperatuuriskaala lähtepunktiks loetakse absoluutse nulltemperatuuri väärtust. Kuid see on ainult teoreetiline. Praegu energiast loobuvate aatomite ja molekulide kaootiline liikumine pole praktikas veel peatatud.
See on peamine põhjus, miks absoluutset nulltemperatuuri ei saavutata. Selle protsessi tagajärgede üle vaieldakse endiselt. Termodünaamika seisukohalt on see piir saavutamatu, kuna aatomite ja molekulide termiline liikumine peatub täielikult ning moodustub kristallvõre.
Kvantfüüsika esindajad näevad ette minimaalsete nullvõnkumiste olemasolu absoluutse nulli temperatuuridel.
Mis on absoluutse nulltemperatuuri väärtus ja miks seda ei ole võimalik saavutada
Kaalude ja mõõtude peakonverentsil kehtestati esmakordselt võrdlus- ehk võrdluspunkt temperatuurinäitajaid määravatele mõõteriistadele.
Praegu on rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis Celsiuse skaala võrdluspunktiks külmumisel 0°C ja keemisel 100°C, absoluutse nulltemperatuuri väärtus võrdub –273,15°C.
Kasutades sama rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi järgi Kelvini skaala temperatuuriväärtusi, keeb vesi kontrollväärtusel 99,975 ° C, absoluutne null on 0. Fahrenheiti skaalal vastab indikaator -459,67 kraadile. .
Aga kui need andmed saadakse, siis miks on siis praktikas võimatu saavutada absoluutset nulltemperatuuri? Võrdluseks võib võtta üldtuntud valguse kiiruse, mis võrdub püsiva füüsilise väärtusega 1 079 252 848,8 km/h.
Seda väärtust ei saa aga praktikas saavutada. See sõltub ülekande lainepikkusest, tingimustest ja osakeste suure energiahulga nõutavast neeldumisest. Absoluutse nulltemperatuuri väärtuse saamiseks on vaja suurt energiaväljundit ja selle allikate puudumist, mis takistaksid selle sisenemist aatomitesse ja molekulidesse.
Kuid isegi täieliku vaakumi tingimustes ei suutnud teadlased saada ei valguse kiirust ega absoluutset nulltemperatuuri.
Miks on võimalik saavutada ligikaudu nulltemperatuuri, kuid mitte absoluutset nulli?
Mis saab siis, kui teadus suudab absoluutse nulli ülimadala temperatuuri saavutamise lähedale jõuda, jääb vaid termodünaamika ja kvantfüüsika teooriasse. Mis on põhjus, miks absoluutset nulltemperatuuri praktikas saavutada ei saa.
Kõik teadaolevad katsed jahutada ainet madalaima piirini maksimaalse energiakao tõttu viisid selleni, et ka aine soojusmahtuvus saavutas miinimumväärtuse. Molekulid lihtsalt ei suutnud enam järelejäänud energiat ära anda. Selle tulemusena peatus jahutusprotsess absoluutse nullini jõudmata.
Uurides metallide käitumist absoluutse nulltemperatuuri lähedal asuvates tingimustes, leidsid teadlased, et maksimaalne temperatuuri langus peaks esile kutsuma takistuse kaotuse.
Kuid aatomite ja molekulide liikumise lakkamine viis ainult kristallvõre moodustumiseni, mille kaudu liikuvad elektronid kandsid osa oma energiast statsionaarsetele aatomitele. Jällegi ei õnnestunud absoluutsesse nulli jõuda.
2003. aastal jäi temperatuur absoluutsest nullist puudu vaid pool miljardit 1°C. NASA teadlased kasutasid katsete läbiviimiseks Na molekuli, mis oli alati magnetväljas ja andis oma energia ära.
Lähima saavutuse saavutasid Yale'i ülikooli teadlased, kes saavutasid 2014. aastal näitaja 0,0025 kelvinit. Saadud ühend strontsiummonofluoriid (SrF) kestis vaid 2,5 sekundit. Ja lõpuks lagunes see ikkagi aatomiteks.
Teadus
Kuni viimase ajani peeti kõige külmemaks temperatuuriks, mis füüsilise keha võis olla, Kelvini skaalal "absoluutseks nulliks". See vastab -273,15 kraadi Celsiuse järgi või –460 kraadi Fahrenheiti.
Nüüd on Saksamaa füüsikud suutnud saavutada temperatuuri alla absoluutse nulli. Selline avastus aitab teadlastel mõista selliseid nähtusi nagu tumeenergia ja luua uusi mateeria vorme.
Absoluutne nulltemperatuur
19. sajandi keskel lõi Briti füüsik Lord Kelvin absoluutse temperatuuriskaala ja tegi selle kindlaks miski ei saa olla külmem kui absoluutne null. Kui osakesed on absoluutse nulltemperatuuril, lakkavad nad liikumisest ja neil puudub energia.
Objekti temperatuur näitab, kui palju aatomid liiguvad. Mida külmem on objekt, seda aeglasemalt liiguvad aatomid. Absoluutsel nullil ehk -273,15 kraadi Celsiuse järgi lõpetavad aatomid liikumise.
1950. aastatel hakkasid füüsikud väitma, et osakesed ei kaota absoluutses nullpunktis alati energiat.
Teadlased alates Ludwig Maximiliani ülikool Münchenis ja Max Plancki kvantoptika instituut gaas loodi Garchingis, millest sai mitme nanokelvini võrra külmem kui absoluutne null.
Nad jahutasid umbes 100 000 aatomit mõne nanokelvini temperatuurini (nanokelvin on üks miljardik kelvinist) ning kasutasid laserkiirte ja magnetväljade võrgustikku, et kontrollida aatomite käitumist ja viia need uue temperatuuri piirini.
Kõrgeim temperatuur
Kui madalaimat võimalikku temperatuuri peetakse absoluutseks nulliks, siis millist temperatuuri saab pidada selle vastandiks – kõrgeimaks? Kosmoloogiliste mudelite järgi on kõrgeim võimalik temperatuur Plancki temperatuur, mis vastab 1,416785(71)x1032 kelvinile (141 nonillion 679 oktiljon kraadi).
Meie universum on Plancki temperatuuri juba läbinud. See juhtus 10^-42 sekundit pärast Suurt Pauku, kui universum sündis.
Madalaim temperatuur Maal
Madalaim temperatuur Maal registreeriti 21. juulil 1983 Antarktikas Vostoki jaamas ja see oli -89,2 kraadi Celsiuse järgi.
Vostoki jaam on kõige külmem püsivalt asustatud koht Maal. Selle asutas Venemaa 1957. aastal ja see asub 3488 meetri kõrgusel merepinnast.
Kõrgeim temperatuur Maal
Maa kõrgeim temperatuur registreeriti 10. juulil 1913 Californias Death Valleys ja see oli 56,7 kraadi Celsiuse järgi.
Liibüas Al-Aziziya linna maailma kõrgeima temperatuuri rekord, mis ulatus 57,7 kraadini, lükati ümber. Maailma Meteoroloogiaorganisatsioon ebausaldusväärsete andmete tõttu.
Piirtemperatuur, mille juures ideaalgaasi maht võrdub nulliga, võetakse kui absoluutne nulltemperatuur.
Leiame absoluutse nulli väärtuse Celsiuse skaalal.
Mahu võrdsustamine V valemis (3.1) null ja seda arvestades
.
Seega on absoluutne nulltemperatuur
t= –273 °C. 2
See on äärmuslik, madalaim temperatuur looduses, see "külma suurim või viimane aste", mille olemasolu ennustas Lomonosov.
Maa kõrgeimad temperatuurid – sadu miljoneid kraadi – saavutatakse termotuumapommide plahvatuste käigus. Veelgi kõrgem temperatuur on tüüpiline mõne tähe sisepiirkondadele.
2 Absoluutse nulli täpsem väärtus: –273,15 °C.
Kelvini skaala
Inglise teadlane W. Kelvin tutvustas absoluutne skaala temperatuurid Nulltemperatuur Kelvini skaalal vastab absoluutsele nullile ja selle skaala temperatuuriühik on võrdne kraadiga Celsiuse skaalal, seega absoluutne temperatuur T on seotud temperatuuriga Celsiuse skaalal valemiga
T = t + 273. (3.2)
Joonisel fig. 3.2 näitab võrdluseks absoluutskaalat ja Celsiuse skaalat.
Absoluuttemperatuuri ühikut SI nimetatakse Kelvin(lühendatult K). Seetõttu võrdub üks kraad Celsiuse skaalal ühe kraadiga Kelvini skaalal:
Seega on absoluutne temperatuur valemiga (3.2) antud definitsiooni kohaselt tuletatud suurus, mis sõltub Celsiuse temperatuurist ja katseliselt määratud a väärtusest.
Lugeja: Mis füüsikaline tähendus on absoluutsel temperatuuril?
Kirjutame avaldise (3.1) vormile
.
Arvestades, et temperatuur Kelvini skaalal on suhtega seotud temperatuuriga Celsiuse skaalal T = t + 273, saame
Kus T 0 = 273 K või
Kuna see seos kehtib suvalise temperatuuri korral T, siis saab Gay-Lussaci seaduse sõnastada järgmiselt:
Antud gaasi massi korral p = const kehtib järgmine seos:
Ülesanne 3.1. Temperatuuril T 1 = 300 K gaasimaht V 1 = 5,0 l. Määrake gaasi maht samal rõhul ja temperatuuril T= 400 K.
STOP! Otsustage ise: A1, B6, C2.
Probleem 3.2. Isobaarsel kuumutamisel suurenes õhu maht 1%. Mitme protsendi võrra tõusis absoluutne temperatuur?
= 0,01.
Vastus: 1 %.
Meenutagem saadud valemit
STOP! Otsustage ise: A2, A3, B1, B5.
Charlesi seadus
Prantsuse teadlane Charles tegi eksperimentaalselt kindlaks, et kui gaasi kuumutada nii, et selle maht jääb konstantseks, suureneb gaasi rõhk. Rõhu sõltuvus temperatuurist on järgmine:
R(t) = lk 0 (1 + b t), (3.6)
Kus R(t) – rõhk temperatuuril t°C; R 0 – rõhk 0 °C juures; b on rõhu temperatuuritegur, mis on kõigi gaaside puhul sama: 1/K.
Lugeja:Üllataval kombel on rõhu b temperatuurikoefitsient täpselt võrdne mahupaisumise temperatuuriteguriga a!
Võtame teatud koguse gaasi ruumalaga V 0 temperatuuril T 0 ja rõhk R 0 . Esimest korda, hoides gaasirõhku konstantsena, soojendame selle temperatuurini T 1 . Siis on gaasil maht V 1 = V 0 (1 + a t) ja survet R 0 .
Teist korda, hoides gaasi mahtu konstantsena, soojendame selle samale temperatuurile T 1 . Siis tekib gaasil rõhk R 1 = R 0 (1 + b t) ja helitugevust V 0 .
Kuna mõlemal juhul on gaasi temperatuur sama, kehtib Boyle-Mariotte'i seadus:
lk 0 V 1 = lk 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.
Seega pole üllatav, et a = b, ei!
Kirjutame Charlesi seaduse ümber kujul
.
Võttes arvesse, et T = t°С + 273 °С, T 0 = 273 °C, saame
Absoluutne null vastab temperatuurile –273,15 °C.
Arvatakse, et absoluutne null on praktikas saavutamatu. Selle olemasolu ja asukoht temperatuuriskaalal tuleneb vaadeldud füüsikaliste nähtuste ekstrapoleerimisest ja selline ekstrapoleerimine näitab, et absoluutse nulli juures peaks aine molekulide ja aatomite soojusliikumise energia olema võrdne nulliga, see tähendab osakeste kaootilise liikumisega. peatub ja nad moodustavad korrastatud struktuuri, hõivates kristallvõre sõlmedes selge positsiooni. Kuid tegelikult säilivad isegi absoluutse nulltemperatuuri korral aine moodustavate osakeste korrapärased liikumised. Ülejäänud võnkumised, näiteks nullpunkti võnkumised, on tingitud osakeste kvantomadustest ja neid ümbritsevast füüsikalisest vaakumist.
Praegu on füüsikalistes laborites olnud võimalik saavutada absoluutset nulli ületavaid temperatuure vaid mõne miljondik kraadi võrra; seda ise saavutada termodünaamika seaduste järgi on võimatu.
Märkmed
Kirjandus
- G. Burmin. Rünnak absoluutsele nullile. - M.: "Lastekirjandus", 1983.
Vaata ka
Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.
Sünonüümid:Vaadake, mis on "absoluutne null" teistes sõnaraamatutes:
Temperatuurid, temperatuuri lähtekoht termodünaamilisel temperatuuriskaalal (vt TERMODÜNAAMILINE TEMPERATUURIKAALA). Absoluutne null asub 273,16 °C allpool vee kolmikpunkti (vt KOLMEPUNKTI) temperatuuri, mille puhul see on aktsepteeritud ... ... entsüklopeediline sõnaraamat
Temperatuurid, temperatuuri päritolu termodünaamilisel temperatuuriskaalal. Absoluutne nullpunkt asub 273,16 °C allpool vee kolmikpunkti temperatuuri (0,01 °C). Absoluutne null on põhimõtteliselt kättesaamatu, temperatuurid on peaaegu saavutatud... ... Kaasaegne entsüklopeedia
Temperatuurid on termodünaamilise temperatuuriskaala temperatuuri lähtepunkt. Absoluutne null asub 273,16.C allpool vee kolmikpunkti temperatuuri, mille väärtus on 0,01,C. Absoluutne null on põhimõtteliselt kättesaamatu (vt... ... Suur entsüklopeediline sõnaraamat
Temperatuur, mis väljendab soojuse puudumist, on 218° C. Vene keele võõrsõnade sõnastik. Pavlenkov F., 1907. absoluutne nulltemperatuur (füüsiline) - madalaim võimalik temperatuur (273,15°C). Suur sõnastik...... Vene keele võõrsõnade sõnastik
absoluutne null- Äärmiselt madal temperatuur, mille juures molekulide termiline liikumine Kelvini skaalal, absoluutne null (0°K) vastab –273,16±0,01°C... Geograafia sõnaraamat
Nimisõna, sünonüümide arv: 15 ümmargune null (8) väike mees (32) väike prae ... Sünonüümide sõnastik
Äärmiselt madal temperatuur, mille juures molekulide termiline liikumine peatub. Ideaalse gaasi rõhk ja ruumala Boyle-Mariotte'i seaduse kohaselt võrdub nulliga ning absoluutse temperatuuri alguseks Kelvini skaalal võetakse... ... Ökoloogiline sõnastik
absoluutne null- - [A.S. Goldberg. Inglise-vene energiasõnastik. 2006] Energeetika teemad üldiselt EN nullpunkt ... Tehniline tõlkija juhend
Absoluutse temperatuuri referentsi algus. Vastab 273,16° C. Praegu on füüsikalistes laborites suudetud saavutada absoluutset nulli ületavat temperatuuri vaid mõne miljondik kraadi võrra ning seda seaduste järgi saavutada... ... Collieri entsüklopeedia
absoluutne null- absoliutusis nulis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. Või 273,16 °C, 459,69 °F või 0 K temperatuur. vastavusmenys: engl.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
absoluutne null- absoliutusis nulis statusas T ala chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). vastavusmenys: engl. absoluutne null rus. absoluutne null... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
