Teplota absolutní nuly. Absolutní nula

absolutní nula teplota

Teplota absolutní nuly(méně často absolutní nulová teplota) - minimální teplotní limit, který může mít fyzické tělo ve Vesmíru. Absolutní nula slouží jako výchozí bod pro absolutní teplotní stupnici, jako je Kelvinova stupnice. V roce 1954 X General Conference on Weights and Measures stanovila termodynamickou teplotní stupnici s jedním referenčním bodem - trojným bodem vody, jehož teplota je 273,16 K (přesně), což odpovídá 0,01 °C, takže na Celsiově stupnici absolutní nula odpovídá teplotě -273,15°C .

Jevy pozorované blízko absolutní nuly

Při teplotách blízkých absolutní nule lze na makroskopické úrovni pozorovat čistě kvantové efekty, jako jsou:

Poznámky

Literatura

G. Burmin. Bouřlivá absolutní nula. - M .: "Dětská literatura", 1983

viz také

Nadace Wikimedia. 2010 .

goering
Kshapanaka

Podívejte se, co je "Absolute Zero Temperature" v jiných slovnících:

ABSOLUTNÍ NULOVÁ TEPLOTA- termodynamický referenční bod. temp ry; se nachází 273,16 K pod teplotou trojného bodu (0,01 °C) vody (273,15 °C pod nulovou teplotou na Celsiově stupnici, (viz TEPLOTA STUPNĚ). Existence termodynamické teplotní stupnice a A. n. T.… … Fyzická encyklopedie

absolutní nulová teplota- začátek odečítání absolutní teploty na termodynamické teplotní stupnici. Absolutní nula je 273,16ºC pod trojným bodem teploty vody, který je považován za 0,01ºC. Absolutní nulová teplota je zásadně nedosažitelná ... ... encyklopedický slovník

absolutní nulová teplota- absoliutusis nulis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273,16 K žemiau trigubojo vandens taško. Pagal trečiąjį termodinamikos dėsnį, absoliutusis nulis nepasiekiamas. atitikmenys: angl.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Teplota absolutní nuly- počáteční hodnota na stupnici Kelvin, na stupnici Celsia, je záporná teplota 273,16 stupňů ... Počátky moderní přírodní vědy

ABSOLUTNÍ NULA- teplota, referenční bod teploty podle termodynamické teplotní stupnice. Absolutní nula se nachází 273,16 °C pod trojným bodem teploty vody (0,01 °C). Absolutní nula je zásadně nedosažitelná, teploty jsou prakticky dosaženy, ... ... Moderní encyklopedie

ABSOLUTNÍ NULA- referenční teplota na termodynamické teplotní stupnici. Absolutní nula se nachází 273,16.C pod teplotou trojného bodu vody, pro kterou je akceptována hodnota 0,01.C. Absolutní nula je v zásadě nedosažitelná (viz ... ... Velký encyklopedický slovník

ABSOLUTNÍ NULA- teplota, vyjadřující nepřítomnost tepla, je 218°C. Slovník cizích slov, která jsou součástí ruského jazyka. Pavlenkov F., 1907. absolutní nulová teplota (fyz.) – nejnižší možná teplota (273,15°C). Velký slovník… … Slovník cizích slov ruského jazyka

ABSOLUTNÍ NULA- teplota, referenční bod teploty podle termodynamické teplotní stupnice (viz TERMODYNAMICKÁ TEPLOTA STUPEŇ). Absolutní nula se nachází 273,16 °C pod teplotou trojného bodu (viz TRIPLE POINT) vody, pro kterou ... ... encyklopedický slovník

ABSOLUTNÍ NULA- nejnižší teplota, při které se zastaví tepelný pohyb molekul. Tlak a objem ideálního plynu se podle Boyle Mariotteho zákona rovná nule a bere se referenční bod pro absolutní teplotu na Kelvinově stupnici ... ... Ekologický slovník

ABSOLUTNÍ NULA- referenční bod absolutní teploty. Odpovídá 273,16 °C. V současnosti bylo ve fyzikálních laboratořích možné získat teplotu překračující absolutní nulu jen o pár miliontin stupně, ale dosáhnout jí podle zákonů ... ... Collierova encyklopedie

> Absolutní nula

Naučte se, co se rovná absolutní nulová teplota a hodnotu entropie. Zjistěte, jaká je teplota absolutní nuly na Celsiově a Kelvinově stupnici.

Absolutní nula- minimální teplota. To je bod, ve kterém dosáhne entropie nejmenší hodnotu.

Učební úkol

Pochopte, proč je absolutní nula přirozeným ukazatelem nulového bodu.

Klíčové body

Absolutní nula je univerzální, to znamená, že veškerá hmota je s tímto indikátorem v základním stavu.
K má kvantově mechanickou nulovou energii. Ale v interpretaci může být kinetická energie nulová a tepelná energie zmizí.
Nejnižší možná teplota v laboratorních podmínkách dosahovala 10-12 K. Minimální přirozená teplota byla 1K (expanze plynů v mlhovině Bumerang).

Podmínky

Entropie je měřítkem toho, jak je v systému distribuována rovnoměrná energie.
Termodynamika je vědní obor, který studuje teplo a jeho vztah k energii a práci.

Absolutní nula je minimální teplota, při které entropie dosáhne své nejnižší hodnoty. To znamená, že se jedná o nejmenší ukazatel, který lze v systému pozorovat. Jedná se o univerzální koncept a funguje jako nulový bod v systému teplotních jednotek.

Graf závislosti tlaku na teplotě pro různé plyny s konstantním objemem. Všimněte si, že všechny grafy jsou extrapolovány na nulový tlak při jedné teplotě.

Systém v absolutní nule je stále vybaven kvantově mechanickou nulovou energií. Podle principu neurčitosti nelze polohu částic určit s absolutní přesností. Pokud je částice přemístěna v absolutní nule, pak má stále minimální energetickou rezervu. Ale v klasické termodynamice může být kinetická energie nulová a tepelná energie mizí.

Nulový bod termodynamické stupnice, stejně jako Kelvin, se rovná absolutní nule. Mezinárodní dohoda stanovila, že teplota absolutní nuly dosahuje 0 K na Kelvinově stupnici a -273,15 °C na Celsiově stupnici. Látka při minimální teplotě vykazuje kvantové efekty, jako je supravodivost a supratekutost. Nejnižší teplota v laboratorních podmínkách byla 10-12 K a v přírodním prostředí - 1 K (rychlá expanze plynů v mlhovině Bumerang).

Rychlá expanze plynů vede k minimální pozorované teplotě

- 48,67 kb

Federální státní rozpočtová vzdělávací instituce vyššího odborného vzdělávání

"Voroněžská státní pedagogická univerzita"

Katedra obecné fyziky

na téma: "Absolutní nulová teplota"

Ukončil: student 1. ročníku FMF,

PI, Kondratenko Irina Aleksandrovna

Kontroloval: Asistentka odboru všeobecná

fyzikové Afonin G.V.

Voroněž-2013

Úvod………………………………………………………. 3

1. Absolutní nula………………………………………………...4

2.Historie……………………………………………………… 6

3. Jevy pozorované blízko absolutní nuly………..9

Závěr ………………………………………………… 11

Seznam použité literatury………………………………..12

Úvod

Již řadu let vědci atakují teplotu absolutní nuly. Jak víte, teplota rovna absolutní nule charakterizuje základní stav systému mnoha částic – stav s nejnižší možnou energií, při kterém atomy a molekuly provádějí takzvané „nulové“ vibrace. Hluboké ochlazení blízko absolutní nuly (věří se, že absolutní nula samotná je v praxi nedosažitelná) tedy otevírá neomezené možnosti pro studium vlastností hmoty.

1. Absolutní nula

Teplota absolutní nuly (vzácněji - teplota absolutní nuly) je minimální teplotní limit, který může mít fyzické tělo ve vesmíru. Absolutní nula slouží jako referenční bod pro absolutní teplotní stupnici, jako je Kelvinova stupnice. V roce 1954 X General Conference on Weights and Measures stanovila termodynamickou teplotní stupnici s jedním referenčním bodem - trojným bodem vody, jehož teplota je 273,16 K (přesně), což odpovídá 0,01 °C, takže na Celsiově stupnici absolutní nula odpovídá teplotě -273,15°C.

V rámci aplikovatelnosti termodynamiky je absolutní nula v praxi nedosažitelná. Jeho existence a poloha na teplotní stupnici vyplývá z extrapolace pozorovaných fyzikálních jevů, přičemž taková extrapolace ukazuje, že při absolutní nule musí být energie tepelného pohybu molekul a atomů látky rovna nule, tj. chaotický pohyb částic se zastaví a ty vytvoří uspořádanou strukturu, zaujímající jasnou pozici v uzlech krystalové mřížky (výjimkou je kapalné helium). Z hlediska kvantové fyziky však i při absolutní nulové teplotě dochází k nulovým fluktuacím, které jsou dány kvantovými vlastnostmi částic a fyzikálním vakuem, které je obklopuje.

Jelikož teplota systému směřuje k absolutní nule, jeho entropie, tepelná kapacita, koeficient tepelné roztažnosti také klesají k nule a chaotický pohyb částic, které systém tvoří, se zastaví. Jedním slovem se hmota se supravodivostí a supratekutou stává supersubstancí.

Teplota absolutní nuly je v praxi nedosažitelná a získání teplot, které se jí co nejvíce přibližují, je složitý experimentální problém, ale již byly získány teploty, které jsou od absolutní nuly vzdáleny pouhé miliontiny stupně. .

Nalezněme hodnotu absolutní nuly na Celsiově stupnici tak, že objem V přirovnáme k nule a vezmeme v úvahu, že

Teplota absolutní nuly je tedy -273°C.

Toto je limitní, nejnižší teplota v přírodě, onen „největší nebo poslední stupeň chladu“, jehož existenci Lomonosov předpověděl.

Obr. 1. Absolutní stupnice a stupnice Celsia

Jednotka SI absolutní teploty se nazývá kelvin (zkráceně K). Proto se jeden stupeň Celsia rovná jednomu stupni Kelvina: 1 °C = 1 K.

Absolutní teplota je tedy derivační veličina, která závisí na Celsiově teplotě a na experimentálně stanovené hodnotě a. Má však zásadní význam.

Z hlediska molekulární kinetické teorie je absolutní teplota vztažena k průměrné kinetické energii náhodného pohybu atomů nebo molekul. Při T = 0 K se tepelný pohyb molekul zastaví.

2. Historie

Fyzikální koncept „teploty absolutní nuly“ je pro moderní vědu velmi důležitý: s ním úzce souvisí koncept supravodivosti, jehož objev ve druhé polovině 20. století vyvolal velký rozruch.

Abychom pochopili, co je absolutní nula, měli bychom odkázat na díla takových slavných fyziků jako G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac a W. Thomson. Právě oni sehráli klíčovou roli při vytváření hlavních teplotních stupnic používaných dodnes.

První, kdo v roce 1714 nabídl vlastní teplotní stupnici, byl německý fyzik G. Fahrenheit. Zároveň byla teplota směsi, která zahrnovala sníh a čpavek, brána jako absolutní nula, tedy nejnižší bod na této stupnici. Dalším důležitým ukazatelem byla normální teplota lidského těla, která se začala rovnat 1000. Podle toho se každý dílek této stupnice nazýval „stupeň Fahrenheita“ a samotná stupnice se nazývala „stupnice Fahrenheita“.

Po 30 letech navrhl švédský astronom A. Celsius vlastní teplotní stupnici, kde hlavními body byla teplota tání ledu a bod varu vody. Tato stupnice se nazývala „stupnice Celsia“, stále je populární ve většině zemí světa, včetně Ruska.

V roce 1802 francouzský vědec J. Gay-Lussac při provádění svých slavných experimentů zjistil, že objem hmoty plynu při konstantním tlaku je přímo závislý na teplotě. Nejkurióznější ale bylo, že když se teplota změnila o 10 Celsia, objem plynu se o stejnou hodnotu zvětšil nebo zmenšil. Po provedení nezbytných výpočtů Gay-Lussac zjistil, že tato hodnota se rovná 1/273 objemu plynu. Z tohoto zákona vyplynul zřejmý závěr: teplota rovna -273 °C je nejnižší teplota, ani při přiblížení k ní není možné ji dosáhnout. Tato teplota se nazývá „teplota absolutní nuly“. Absolutní nula se navíc stala výchozím bodem pro vytvoření absolutní teplotní stupnice, na níž se aktivně podílel anglický fyzik W. Thomson, známý také jako Lord Kelvin. Jeho hlavní výzkum se týkal důkazu, že žádné těleso v přírodě nelze ochladit pod absolutní nulu. Současně aktivně využíval druhý termodynamický zákon, proto se jím zavedená absolutní teplotní stupnice v roce 1848 začala říkat termodynamická nebo „Kelvinova stupnice“. došlo k „absolutní nule“.

Obr.2. Vztah mezi teplotními stupnicemi Fahrenheita (F), Celsia (C) a Kelvina (K).

Za zmínku také stojí, že absolutní nula hraje v soustavě SI velmi důležitou roli. Věc se má tak, že v roce 1960 na příští Všeobecné konferenci o vahách a mírách se jednotka termodynamické teploty – kelvin – stala jednou ze šesti základních jednotek měření. Zároveň bylo konkrétně stanoveno, že jeden stupeň Kelvina

se číselně rovná jednomu stupni Celsia, pouze zde je referenční bod "podle Kelvina" považován za absolutní nulu.

Hlavním fyzikálním významem absolutní nuly je, že podle základních fyzikálních zákonů při takové teplotě je energie pohybu elementární částice, jako jsou atomy a molekuly, se rovná nule a v tomto případě by se jakýkoli chaotický pohyb právě těchto částic měl zastavit. Při teplotě rovné absolutní nule by atomy a molekuly měly zaujmout jasnou pozici v hlavních bodech krystalové mřížky a vytvořit tak uspořádaný systém.

V současnosti se vědcům pomocí speciálního vybavení podařilo získat teplotu jen o několik milióntin vyšší než absolutní nulu. Je fyzikálně nemožné dosáhnout této hodnoty samotné kvůli druhému termodynamickému zákonu.

3. Jevy pozorované blízko absolutní nuly

Při teplotách blízkých absolutní nule lze na makroskopické úrovni pozorovat čistě kvantové efekty, jako jsou:

1. Supravodivost - vlastnost některých materiálů mít striktně nulový elektrický odpor, když dosáhnou teploty pod určitou hodnotu (kritická teplota). Je známo několik stovek sloučenin, čistých prvků, slitin a keramiky, které přecházejí do supravodivého stavu.

Supravodivost je kvantový jev. Vyznačuje se také Meissnerovým efektem, který spočívá v úplném vytěsnění magnetické pole z větší části supravodiče. Existence tohoto efektu ukazuje, že supravodivost nelze jednoduše popsat jako ideální vodivost v klasickém smyslu. Otevření v letech 1986-1993 řada vysokoteplotních supravodičů (HTSC) posunula daleko teplotní hranici supravodivosti a umožnila praktické využití supravodivých materiálů nejen při teplotě kapalného helia (4,2 K), ale i při teplotě varu kapalného dusíku (77 K). ), mnohem levnější kryogenní kapalina.

2. Supratekutost - schopnost látky ve zvláštním stavu (kvantová kapalina), ke které dochází při poklesu teploty k absolutní nule (termodynamická fáze), proudit úzkými štěrbinami a kapilárami bez tření. Donedávna byla supratekutost známá pouze pro kapalné helium, ale v minulé roky supratekutost byla objevena i v jiných systémech: ve zředěných atomárních Boseových kondenzátech, pevném héliu.

Supratekutost je vysvětlena následovně. Protože atomy helia jsou bosony, kvantová mechanika umožňuje, aby byl libovolný počet částic ve stejném stavu. V blízkosti absolutní nuly jsou všechny atomy helia ve stavu základní energie. Protože energie stavů je diskrétní, atom nemůže přijímat žádnou energii, ale pouze takovou, která se rovná energetické mezeře mezi sousedními energetickými hladinami. Ale při nízkých teplotách může být srážková energie menší než tato hodnota, v důsledku čehož k disipaci energie jednoduše nedojde. Kapalina bude proudit bez tření.

3. Bose - Einsteinův kondenzát - skupenství látka na bázi bosonů ochlazená na teploty blízké absolutní nule (méně než miliontinu stupně nad absolutní nulou). V takto silně vychlazeném stavu to stačí velké číslo atomy jsou ve svých nejnižších možných kvantových stavech a kvantové efekty se začínají projevovat na makroskopické úrovni.

Závěr

Studium vlastností hmoty blízké absolutní nule je předmětem velkého zájmu vědy a techniky.

Mnoho vlastností látky, zahalené při pokojové teplotě tepelnými jevy (například tepelným šumem), se začíná projevovat stále více s klesající teplotou, což umožňuje studovat v její čisté formě vzory a vztahy vlastní dané látce. . Výzkum v oblasti nízkých teplot umožnil objevit mnoho nových přírodních jevů, jako je například supratekutost helia a supravodivost kovů.

Při nízkých teplotách se vlastnosti materiálů dramaticky mění. Některé kovy zvyšují svou pevnost, stávají se tažnými, jiné se stávají křehkými, jako je sklo.

Studium fyzikálně-chemických vlastností při nízkých teplotách umožní v budoucnu vytvářet nové látky s předem určenými vlastnostmi. To vše je velmi cenné pro návrh a konstrukci kosmických lodí, stanic a přístrojů.

Je známo, že při radarových studiích kosmických těles je přijímaný rádiový signál velmi malý a je obtížné jej odlišit od různých šumů. Molekulární oscilátory a zesilovače nedávno vytvořené vědci pracují při velmi nízkých teplotách, a proto mají velmi nízkou hladinu hluku.

Nízkoteplotní elektrické a magnetické vlastnosti kovů, polovodičů a dielektrik umožňují vyvinout zásadně nová radiotechnická zařízení mikroskopických rozměrů.

Extrémně nízké teploty se využívají k vytvoření vakua potřebného například pro provoz obřích urychlovačů jaderných částic.

Bibliografie

http://wikipedia.org
http://rudocs.exdat.com
http://fb.ru

Stručný popis

Absolutní nula (absolutní nula) - začátek absolutní teploty, počínaje 273,16 K pod trojným bodem vody (bod rovnováhy tří fází - led, voda a vodní pára); při absolutní nule se pohyb molekul zastaví a ty jsou ve stavu „nulových“ pohybů. Nebo: nejnižší teplota, při které látka neobsahuje žádnou tepelnou energii.

Absolutní nula Startúdaj o absolutní teplotě. Odpovídá -273,16 ° С. V současnosti se fyzikálním laboratořím podařilo získat teplotu překračující absolutní nulu jen o pár miliontin stupně, ale podle zákonů termodynamiky je nemožné ji dosáhnout. Při absolutní nule by byl systém ve stavu s nejnižší možnou energií (v tomto stavu by atomy a molekuly dělaly „nulové“ vibrace) a měl by nulovou entropii (nulovou porucha). Objem ideálního plynu v bodě absolutní nuly se musí rovnat nule a pro určení tohoto bodu se změří objem skutečného plynu helia při konzistentní snížení teploty, dokud nezkapalní při nízkém tlaku (-268,9 °C) a extrapoluje se na teplotu, při které by se objem plynu dostal na nulu bez zkapalnění. Absolutní teplota termodynamické Stupnice se měří v kelvinech a označuje se symbolem K. Absolutní termodynamické stupnice a stupnice Celsia jsou jednoduše vůči sobě posunuty a souvisí vztahem K = °C + 273,16 °.

Příběh

Slovo „teplota“ vzniklo v době, kdy lidé věřili, že teplejší těla obsahují velké množství speciální látka - kalorická, než v méně zahřívaných. Proto byla teplota vnímána jako síla směsi tělesných látek a kalorií. Z tohoto důvodu se měrné jednotky pro sílu alkoholických nápojů a teplotu nazývají stejné - stupně.

Z toho, že teplota je kinetická energie molekul, je zřejmé, že nejpřirozenější je měřit ji v energetických jednotkách (tedy v soustavě SI v joulech). Měření teploty však začalo dávno před vznikem molekulární kinetické teorie, takže praktické váhy měří teplotu v konvenčních jednotkách – stupních.

Kelvinova stupnice

V termodynamice se používá Kelvinova stupnice, ve které se teplota měří od absolutní nuly (stav odpovídající minimu teoreticky možnému vnitřní energie tělo) a jeden kelvin se rovná 1/273,16 vzdálenosti od absolutní nuly k trojnému bodu vody (stav, ve kterém jsou led, voda a vodní pára v rovnováze). Boltzmannova konstanta se používá k převodu kelvinů na energetické jednotky. Používají se také odvozené jednotky: kilokelvin, megakelvin, milikelvin atd.

Celsia

V každodenním životě se používá stupnice Celsia, ve které se bod tuhnutí vody bere jako 0 a bod varu vody při atmosférickém tlaku se bere jako 100 °. Protože body tuhnutí a varu vody nejsou dobře definovány, stupnice Celsia je v současné době definována pomocí stupnice Kelvin: stupně Celsia se rovnají Kelvinům, za absolutní nulu se považuje -273,15 °C. Celsiova stupnice je prakticky velmi pohodlná, protože voda je na naší planetě velmi běžná a náš život je na ní založen. Nula Celsia je zvláštní bod pro meteorologii, protože zamrzání atmosférické vody vše výrazně mění.

Fahrenheita

V Anglii a zejména v USA se používá stupnice Fahrenheit. Tato stupnice je dělena 100 stupni od teploty nejchladnější zimy ve městě, kde žil Fahrenheit, po teplotu Lidské tělo. Nula stupňů Celsia je 32 stupňů Fahrenheita a stupeň Fahrenheita je 5/9 stupňů Celsia.

Současná definice stupnice Fahrenheit je následující: je to teplotní stupnice, jejíž 1 stupeň (1 °F) se rovná 1/180 rozdílu mezi bodem varu vody a táním ledu při atmosférickém tlaku, a bod tání ledu je +32 °F. Teplota na Fahrenheitově stupnici souvisí s teplotou na Celsiově stupnici (t ° С) poměrem t ° С = 5/9 (t ° F - 32), 1 ° F = 5/9 ° С. Navrhl G. Fahrenheit v roce 1724.

Reaumurova stupnice

Navrhl jej v roce 1730 R. A. Reaumur, který popsal lihový teploměr, který vynalezl.

Jednotka - stupeň Réaumur (°R), 1°R se rovná 1/80 teplotního intervalu mezi referenčními body - teplota tajícího ledu (0°R) a vroucí vody (80°R)

1 °R = 1,25 °C.

V současnosti stupnice zanikla, nejdéle se dochovala ve Francii, v domovině autora.

Porovnání teplotních stupnic

Popis	Kelvin	Celsia	Fahrenheita	Newton	Réaumur
Absolutní nula		−273.15	−459.67	−90.14	−218.52
Bod tání směsi Fahrenheita (sůl a led ve stejném množství)			0	−5.87
Bod tuhnutí vody (normální podmínky)		0	32	0
Průměrná teplota lidského těla¹		36.8	98.2	12.21
Bod varu vody (normální podmínky)		100	212	33
Povrchová teplota Slunce	5800	5526	9980	1823

Normální teplota lidského těla je 36,6 °C ±0,7 °C nebo 98,2 °F ±1,3 °F. Běžně uváděná hodnota 98,6 °F je přesný převod Fahrenheita na německou hodnotu z 19. století 37 °C. Protože tato hodnota je mimo normální teplotní rozsah pro moderní nápady, můžeme říci, že obsahuje nadměrnou (nesprávnou) přesnost. Některé hodnoty v této tabulce byly zaokrouhleny.

Porovnání stupnice Fahrenheita a Celsia

(z- stupnice Fahrenheita, o C- stupnice Celsia)

ÓF	ÓC		ÓF	ÓC		ÓF	ÓC		ÓF	ÓC
-459.67 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -190 -180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70 -65	-273.15 -267.8 -240.0 -212.2 -184.4 -156.7 -128.9 -123.3 -117.8 -112.2 -106.7 -101.1 -95.6 -90.0 -84.4 -78.9 -73.3 -70.6 -67.8 -65.0 -62.2 -59.4 -56.7 -53.9		-60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5	-51.1 -48.3 -45.6 -42.8 -40.0 -37.2 -34.4 -31.7 -28.9 -28.3 -27.8 -27.2 -26.7 -26.1 -25.6 -25.0 -24.4 -23.9 -23.3 -22.8 -22.2 -21.7 -21.1 -20.6		-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19	-20.0 -19.4 -18.9 -18.3 -17.8 -17.2 -16.7 -16.1 -15.6 -15.0 -14.4 -13.9 -13.3 -12.8 -12.2 -11.7 -11.1 -10.6 -10.0 -9.4 -8.9 -8.3 -7.8 -7.2		20 21 22 23 24 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 125 150 200	-6.7 -6.1 -5.6 -5.0 -4.4 -3.9 -1.1 1.7 4.4 7.2 10.0 12.8 15.6 18.3 21.1 23.9 26.7 29.4 32.2 35.0 37.8 51.7 65.6 93.3

Chcete-li převést stupně Celsia na kelviny, použijte vzorec T=t+TO kde T je teplota v kelvinech, t je teplota ve stupních Celsia, T 0 =273,15 kelvinů. Stupeň Celsia se rovná velikosti kelvinu.

Když meteorologická zpráva předpovídá teploty kolem nuly, neměli byste chodit na kluziště: led roztaje. Teplota tání ledu se bere jako nula stupňů Celsia - nejběžnější teplotní stupnice.
Jsme si dobře vědomi negativních stupňů Celsiovy stupnice – stupňů<ниже нуля>, stupně chladu. Nejnižší teplota na Zemi byla zaznamenána v Antarktidě: -88,3°C. Mimo Zemi jsou možné ještě nižší teploty: na povrchu Měsíce může o měsíční půlnoci dosáhnout -160 °C.
Nikde ale nemohou být libovolně nízké teploty. Extrémně nízká teplota - absolutní nula - na Celsiově stupnici odpovídá - 273,16 °.
Absolutní teplotní stupnice, Kelvinova stupnice, pochází z absolutní nuly. Led taje při 273,16° Kelvina a voda se vaří při 373,16° K. Stupeň K se tedy rovná stupni C. Ale na Kelvinově stupnici jsou všechny teploty kladné.
Proč je 0°K hranicí chladu?
Teplo je chaotický pohyb atomů a molekul hmoty. Když se látka ochladí, odebere se jí tepelná energie a v tomto případě náhodný pohyb částic slábne. Nakonec při silném chlazení, tepelné<пляска>částice se téměř úplně zastaví. Atomy a molekuly by zcela zmrzly při teplotě, která je brána jako absolutní nula. Podle zásad kvantová mechanika, při absolutní nule by se zastavil právě tepelný pohyb částic, ale samotné částice by nezamrzly, protože nemohou být zcela v klidu. V absolutní nule si tedy částice musí stále zachovávat nějaký druh pohybu, který se nazývá nula.

Ochladit látku na teplotu pod absolutní nulou je však nápad stejně nesmyslný jako třeba záměr<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Navíc i dosažení přesné absolutní nuly je také téměř nemožné. Můžete se k němu pouze přiblížit. Protože absolutně veškerou její tepelnou energii nelze látce žádným způsobem odebrat. Část tepelné energie zůstává i při nejhlubším ochlazení.
Jak dosahují ultra nízkých teplot?
Zmrazit látku je obtížnější než ji zahřát. Je to vidět alespoň ze srovnání provedení sporáku a lednice.
Ve většině domácích a průmyslových chladniček je teplo odváděno díky odpařování speciální kapaliny - freonu, která cirkuluje kovovými trubicemi. Tajemství spočívá v tom, že freon může zůstat v kapalném stavu pouze při dostatečně nízké teplotě. V chladicí komoře se vlivem tepla komory zahřívá a vaří a mění se v páru. Pára je však kompresorem stlačena, zkapalněna a vstupuje do výparníku, čímž se kompenzuje ztráta vypařujícího se freonu. Energie se spotřebuje na provoz kompresoru.
V hlubinných chladicích zařízeních je nositelem chladu superchladná kapalina – kapalné helium. Bezbarvý, lehký (8krát lehčí než voda), vře za atmosférického tlaku při 4,2 °K a ve vakuu při 0,7 °K. Ještě nižší teplota je dána světelným izotopem helia: 0,3°K.
Zařídit stálou heliovou lednici je poměrně obtížné. Výzkum se provádí jednoduše v kapalných héliových lázních. A ke zkapalnění tohoto plynu používají fyzici různé techniky. Například předchlazené a stlačené helium expanduje jeho uvolněním přes tenký otvor do vakuové komory. Teplota přitom stále klesá a část plynu se mění v kapalinu. Efektivnější je ochlazený plyn nejen rozpínat, ale také ho přimět k práci – pohybovat pístem.
Vzniklé kapalné helium se ukládá do speciálních termosek – Dewarových nádob. Cena této nejchladnější kapaliny (jediné, která nezamrzá na absolutní nule) je poměrně vysoká. Přesto se nyní kapalné helium stále více využívá nejen ve vědě, ale také v různých technických zařízeních.
Nejnižších teplot bylo dosaženo jiným způsobem. Ukazuje se, že molekuly některých solí, například kamence draselného a chromitého, mohou rotovat podél síly magnetické čáry. Tato sůl je předběžně ochlazena kapalným heliem na 1°K a umístěna do silného magnetického pole. V tomto případě molekuly rotují podél siločar a uvolněné teplo je odebíráno kapalným héliem. Poté se magnetické pole ostře odstraní, molekuly se opět otočí různými směry a utratí se

tato práce vede k dalšímu ochlazování soli. Tak byla získána teplota 0,001 ° K. Podobným způsobem v principu s použitím jiných látek lze získat ještě nižší teplotu.
Nejnižší dosud získaná teplota na Zemi je 0,00001°K.

Supratekutost

Látka zmrazená na ultra nízké teploty v kapalných héliových lázních se znatelně mění. Pryž se stává křehkou, olovo se stává tvrdým jako ocel a pružným, mnoho slitin zvyšuje pevnost.

Samotné kapalné helium se chová zvláštním způsobem. Při teplotách pod 2,2 °K získává pro běžné kapaliny nevídanou vlastnost - supratekutost: část zcela ztrácí viskozitu a protéká bez jakéhokoli tření nejužšími štěrbinami.
Tento jev, objevený v roce 1937 sovětským fyzikem akademikem P. JI. Kapitsa, pak vysvětlil akademik JI. D. Landau.
Ukazuje se, že při ultranízkých teplotách začínají znatelně ovlivňovat kvantové zákony chování hmoty. Jak jeden z těchto zákonů vyžaduje, energie může být přenášena z těla do těla pouze ve zcela určitých porcích - kvantech. V kapalném heliu je tak málo tepelných kvant, že jich není dost pro všechny atomy. Část kapaliny, zbavená tepelných kvant, zůstává na teplotě absolutní nuly, její atomy se vůbec neúčastní náhodného tepelného pohybu a nijak neinteragují se stěnami nádoby. Tato část (nazývaná helium-H) má supratekutost. S klesající teplotou je helium-II stále více a více a při absolutní nule by se veškeré helium změnilo na helium-H.
Supratekutost byla nyní velmi podrobně studována a dokonce se ukázalo, že je užitečná praktické využití: s jeho pomocí je možné oddělit izotopy helia.

Supravodivost

V blízkosti absolutní nuly dochází k mimořádně kuriózním změnám elektrických vlastností určitých materiálů.
V roce 1911 holandský fyzik Kamerling-Onnes učinil nečekaný objev: ukázalo se, že při teplotě 4,12 ° K rtuť úplně zmizí elektrický odpor. Merkur se stává supravodičem. Elektrický proud indukovaný v supravodivém prstenci se nerozpadá a může téci téměř věčně.
Nad takovým prstencem se bude supravodivá kulička vznášet ve vzduchu a nespadne jako z pohádky.<гроб Магомета>, protože jeho tíže je kompenzována magnetickým odpuzováním mezi kroužkem a kuličkou. Netlumený proud v prstenci totiž vytvoří magnetické pole a to zase indukuje v kouli elektrický proud a spolu s ním i opačně nasměrované magnetické pole.
Kromě rtuti mají cín, olovo, zinek a hliník supravodivost blízkou absolutní nule. Tato vlastnost byla nalezena u 23 prvků a více než stovky různých slitin a dalších chemických sloučenin.
Teploty, při kterých se objevuje supravodivost (kritické teploty), jsou v poměrně širokém rozmezí, od 0,35 °K (hafnium) do 18 °K (slitina niob-cín).
Fenomén supravodivosti, stejně jako supravodivosti
tekutost, podrobně studovaná. Jsou zjištěny závislosti kritických teplot na vnitřní struktuře materiálů a vnějším magnetickém poli. Byla vyvinuta hluboká teorie supravodivosti (významný příspěvek přinesl sovětský vědec akademik N. N. Bogolyubov).
Podstata tohoto paradoxního jevu je opět čistě kvantová. Při ultranízkých teplotách vnikají elektrony

supravodič tvoří systém párově spojených částic, které nemohou dát energii krystalové mřížce, vynaložit kvanta energie na její zahřátí. Dvojice elektronů se pohybují podobně<танцуя>, mezi<прутьями решетки>- ionty a obejít je bez kolizí a přenosu energie.
V technologii se stále více využívá supravodivost.
Do praxe se dostávají například supravodivé solenoidy – supravodivé cívky ponořené do kapalného helia. Jednou indukovaný proud a následně i magnetické pole v nich může být uloženo na libovolně dlouhou dobu. Může dosáhnout gigantické hodnoty - přes 100 000 orerstedů. V budoucnu se nepochybně objeví výkonná průmyslová supravodivá zařízení - elektromotory, elektromagnety atp.
V radioelektronice začínají hrát významnou roli ultracitlivé zesilovače a generátory elektromagnetických vln, které se osvědčují zejména v lázních s kapalným heliem - tam vnitřní<шумы>zařízení. V elektronické výpočetní technice je slibná světlá budoucnost pro nízkoenergetické supravodivé spínače - kryotrony (viz čl.<Пути электроники>).
Není těžké si představit, jak lákavé by bylo posunout provoz takových zařízení na vyšší, dostupnější teploty. Nedávno se otevřela naděje na vytvoření polymerních filmových supravodičů. Zvláštní povaha elektrické vodivosti v takových materiálech slibuje skvělou příležitost k udržení supravodivosti i při pokojových teplotách. Vědci vytrvale hledají způsoby, jak tuto naději realizovat.

V hlubinách hvězd

A nyní se podíváme do říše toho nejžhavějšího na světě – do útrob hvězd. Kde teploty dosahují milionů stupňů.
Chaotický tepelný pohyb ve hvězdách je tak intenzivní, že tam nemohou existovat celé atomy: jsou zničeny v nesčetných srážkách.
Proto látka tak silně zahřátá nemůže být ani pevná, kapalná, ani plynná. Je ve stavu plazmy, tj. směsi elektricky nabitých<осколков>atomy - atomová jádra a elektrony.
Plazma je druh skupenství hmoty. Protože jeho částice jsou elektricky nabité, citlivě poslouchají elektrické a magnetické síly. Proto je těsná blízkost dvou atomových jader (nesou kladný náboj) vzácným jevem. Pouze když vysoké hustoty a obrovské teploty narážející na sebe atomová jádra schopen se přiblížit. Poté probíhají termonukleární reakce – zdroj energie pro hvězdy.
Nám nejbližší hvězda – Slunce se skládá převážně z vodíkového plazmatu, které se v útrobách hvězdy zahřívá až na 10 milionů stupňů. Za takových podmínek dochází k blízkým setkáním rychlých vodíkových jader - protonů, i když vzácně. Někdy se blížící se protony vzájemně ovlivňují: po překonání elektrického odpuzování upadnou do síly obra jaderné síly přitažlivost, rychlá<падают>navzájem a splývat. Zde dochází k okamžitému přeskupení: místo dvou protonů se objeví deuteron (jádro těžkého izotopu vodíku), pozitron a neutrino. Uvolněná energie je 0,46 milionů elektronvoltů (Mev).
Každý jednotlivý sluneční proton může vstoupit do takové reakce v průměru jednou za 14 miliard let. Ale v útrobách svítidla je tolik protonů, že tu a tam dojde k této nepravděpodobné události – a naše hvězda hoří svým rovnoměrným, oslnivým plamenem.
Syntéza deuteronů je pouze prvním krokem slunečních termonukleárních přeměn. Novorozený deuteron se velmi brzy (v průměru po 5,7 sekundách) spojí s jedním dalším protonem. Je zde jádro z lehkého helia a gama kvantum elektromagnetického záření. Uvolní se 5,48 MeV energie.
Konečně, v průměru jednou za milion let se dvě jádra lehkého helia mohou sblížit a splynout. Poté se vytvoří obyčejné jádro helia (částice alfa) a odštěpí se dva protony. Uvolní se 12,85 MeV energie.
Tento třístupňový<конвейер>termonukleární reakce není jediná. Existuje další řetězec jaderných přeměn, rychlejší. Podílejí se na něm (aniž by se spotřebovávaly) atomová jádra uhlíku a dusíku. Ale v obou případech jsou částice alfa syntetizovány z jader vodíku. Obrazně řečeno, sluneční vodíkové plazma<сгорает>, měnící se na<золу>- heliové plazma. A v procesu syntézy každého gramu heliového plazmatu se uvolní 175 tisíc kWh energie. Skvělé množství!
Každou sekundu vyzáří Slunce 4 1033 ergů energie a ztrácí 4 1012 g (4 miliony tun) hmoty. Celková hmotnost Slunce je však 2 1027 t. To znamená, že za milion let díky emisi záření Slunce<худеет>pouze jednu desetimiliontinu své hmotnosti. Tato čísla výmluvně ilustrují účinnost termonukleárních reakcí a gigantickou výhřevnost sluneční energie.<горючего>- vodík.
Termonukleární fúze se zdá být hlavním zdrojem energie pro všechny hvězdy. Při různých teplotách a hustotách hvězdných vnitřků probíhají různé typy reakcí. Zejména solární<зола>- jádra helia - při 100 milionech stupňů se sama stává termonukleární<горючим>. Pak lze z částic alfa syntetizovat ještě těžší atomová jádra – uhlík a dokonce i kyslík.
Podle mnoha vědců je celá naše Metagalaxie jako celek také plodem termonukleární fúze, která probíhala při teplotě miliardy stupňů (viz čl.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Na umělé slunce

Mimořádný obsah kalorií termonukleární<горючего>přiměl vědce k hledání umělé implementace reakcí jaderné fúze.
<Горючего>Na naší planetě je mnoho izotopů vodíku. Například supertěžký vodík tritium lze získat z kovového lithia v jaderných reaktorech. A těžký vodík – deuterium je součástí těžké vody, kterou lze extrahovat z obyčejné vody.
Těžký vodík extrahovaný ze dvou sklenic obyčejné vody by ve fúzním reaktoru poskytl tolik energie, jako nyní poskytuje spálení barelu prémiového benzinu.
Obtíž spočívá v předehřívání<горючее>na teploty, při kterých se může vznítit mohutným termonukleárním požárem.
Tento problém byl poprvé vyřešen ve vodíkové bombě. Izotopy vodíku se tam zapálí výbuchem atomová bomba, což je doprovázeno zahřátím látky na mnoho desítek milionů stupňů. V jedné verzi vodíkové bomby je termonukleární palivo chemická sloučenina těžký vodík s lehkým lithiem - deuterid lehkého la tai. Tento bílý prášek, podobný kuchyňské soli,<воспламеняясь>z<спички>, což je atomová bomba, okamžitě exploduje a vytvoří teplotu stovek milionů stupňů.
Abychom rozproudili mír termonukleární reakce, musíme se nejprve naučit, jak bez služeb atomové bomby zahřát malé dávky dostatečně husté plazmy izotopů vodíku na teploty stovek milionů stupňů. Tento problém je jedním z nejobtížnějších v moderní aplikované fyzice. Vědci z celého světa na tom pracují už řadu let.
Již jsme si řekli, že právě chaotický pohyb částic vytváří zahřívání těles a průměrná energie jejich náhodného pohybu odpovídá teplotě. Zahřát studené tělo znamená vytvořit tuto poruchu jakýmkoli způsobem.
Představte si, že se k sobě rychle řítí dvě skupiny běžců. Takže se srazili, smíchali, začal dav, zmatek. Velký nepořádek!
Přibližně stejným způsobem se fyzici nejprve pokoušeli získat vysokou teplotu - tlačením vysokotlakých trysek plynu. Plyn se zahřál až na 10 tisíc stupňů. Svého času to byl rekord: teplota je vyšší než na povrchu Slunce.
Ale s touto metodou je další, dosti pomalé, nevýbušné zahřívání plynu nemožné, protože tepelná porucha se okamžitě šíří všemi směry a ohřívá stěny experimentální komory a prostředí. Vzniklé teplo rychle opouští systém a není možné jej izolovat.
Pokud jsou proudy plynu nahrazeny proudy plazmy, zůstává problém tepelné izolace velmi obtížný, ale existuje také naděje na jeho řešení.
Pravda, plazma nemůže být chráněna před tepelnými ztrátami nádobami vyrobenými ani z té nejodolnější látky. Při kontaktu s pevnými stěnami se horké plazma okamžitě ochladí. Na druhé straně se lze pokusit udržet a zahřát plazmu vytvořením její akumulace ve vakuu tak, aby se nedotýkala stěn komory, ale visela v prázdnotě, aniž by se něčeho dotkla. Zde je třeba využít skutečnosti, že částice plazmatu nejsou neutrální, jako atomy plynu, ale jsou elektricky nabité. Proto v pohybu podléhají působení magnetických sil. Nastává problém: uspořádat magnetické pole speciální konfigurace, ve kterém by žhavé plazma viselo jako v pytli s neviditelnými stěnami.
Nejjednodušší forma takového pole se vytváří automaticky, když plazmou procházejí silné pulzy elektrický proud. V tomto případě se kolem plazmového vlákna indukují magnetické síly, které mají tendenci vlákno stlačovat. Plazma se oddělí od stěn výbojkové trubice a teplota se v blízkosti osy vlákna zvýší na 2 miliony stupňů v přívalu částic.
U nás se takové pokusy prováděly již v roce 1950 pod vedením akademiků JI. A. Artsimovič a M.A. Leontovič.
Dalším směrem experimentů je použití magnetické láhve, navržené v roce 1952 sovětským fyzikem G. I. Budkerem, nyní akademikem. Magnetická láhev je umístěna v corktronu - válcové vakuové komoře vybavené vnějším vinutím, které se na koncích komory zahušťuje. Proud procházející vinutím vytváří v komoře magnetické pole. Jeho siločáry ve střední části jsou rovnoběžné s tvořícími přímkami válce a na koncích jsou stlačeny a tvoří magnetické zátky. Částice plazmy vstřikované do magnetické láhve se kroutí kolem siločar a odrážejí se od zátek. Výsledkem je, že plazma je nějakou dobu udržována uvnitř láhve. Pokud je energie částic plazmatu vnesená do lahvičky dostatečně vysoká a je jich dostatek, vstupují do složitých silových interakcí, jejich původně uspořádaný pohyb se zamotává, stává se neuspořádaným - teplota jader vodíku stoupá na desítky milionů stupňů .
Dodatečného ohřevu je dosaženo elektromagnetickým<ударами>plazmatem, kompresí magnetického pole atd. Nyní je plazma jader těžkého vodíku zahřátá na stovky milionů stupňů. Je pravda, že to lze provést buď krátkodobě, nebo při nízké hustotě plazmatu.
Pro vybuzení samoudržující reakce je nutné dále zvyšovat teplotu a hustotu plazmatu. Toho je obtížné dosáhnout. Problém je však, jak jsou vědci přesvědčeni, nepopiratelně řešitelný.

G.B. Anfilov

Zveřejňování fotografií a citování článků z našich stránek na jiných zdrojích je povoleno za předpokladu, že je uveden odkaz na zdroj a fotografie.