Բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանը և դրա ֆիզիկական նշանակությունը: Ո՞րն է բացարձակ զրոյի ֆիզիկական նշանակությունը: Ջերմաստիճանը չափվում է տարբեր սանդղակով

Պատմություն

«Ջերմաստիճան» բառն առաջացել է այն ժամանակ, երբ մարդիկ հավատում էին, որ ավելի տաք մարմինները պարունակում են ավելի մեծ քանակությամբ հատուկ նյութ՝ կալորիական, քան ավելի քիչ տաքացածները: Հետևաբար, ջերմաստիճանը ընկալվում էր որպես մարմնի նյութի և կալորիականության խառնուրդի ուժ: Այդ իսկ պատճառով ալկոհոլային խմիչքների ուժգնության և ջերմաստիճանի չափման միավորները կոչվում են նույնը՝ աստիճաններ։

Այն փաստից, որ ջերմաստիճանը մոլեկուլների կինետիկ էներգիան է, պարզ է, որ առավել բնական է այն չափել էներգիայի միավորներով (այսինքն՝ SI համակարգում՝ ջոուլներով): Այնուամենայնիվ, ջերմաստիճանի չափումը սկսվել է մոլեկուլային կինետիկ տեսության ստեղծումից շատ առաջ, ուստի գործնական կշեռքները ջերմաստիճանը չափում են սովորական միավորներով՝ աստիճաններով:

Կելվինի սանդղակ

Թերմոդինամիկայի մեջ օգտագործվում է Կելվինի սանդղակը, որում ջերմաստիճանը չափվում է բացարձակ զրո(վիճակը համապատասխանում է տեսականորեն հնարավոր նվազագույնին ներքին էներգիամարմին), իսկ մեկ կելվինը հավասար է բացարձակ զրոյից մինչև ջրի եռակի կետի հեռավորության 1/273,16-ին (վիճակը, որում սառույցը, ջուրը և ջրի գոլորշին գտնվում են հավասարակշռության մեջ)։ Բոլցմանի հաստատունը օգտագործվում է կելվինները էներգիայի միավորների փոխակերպելու համար։ Օգտագործվում են նաև ածանցյալ միավորներ՝ կիլոկելվին, մեգակելվին, միլիկելվին և այլն։

Ցելսիուս

Առօրյա կյանքում օգտագործվում է Ցելսիուսի սանդղակը, որի դեպքում ջրի սառեցման կետը վերցվում է 0, իսկ ջրի եռման կետը մթնոլորտային ճնշման դեպքում՝ 100 °։ Քանի որ ջրի սառեցման և եռման կետը լավ սահմանված չէ, Ցելսիուսի սանդղակը ներկայումս սահմանվում է Կելվինի սանդղակով. Ցելսիուսի աստիճանը հավասար է կելվինի, բացարձակ զրովերցված է −273,15 °C: Ցելսիուսի սանդղակը գործնականում շատ հարմար է, քանի որ ջուրը շատ տարածված է մեր մոլորակի վրա, և մեր կյանքը հիմնված է դրա վրա: Ցելսիուսի զրոյական ջերմաստիճանը հատուկ կետ է օդերևութաբանության համար, քանի որ մթնոլորտային ջրի սառեցումը զգալիորեն փոխում է ամեն ինչ:

Ֆարենհեյթ

Անգլիայում և հատկապես ԱՄՆ-ում կիրառվում է Ֆարենհեյթի սանդղակը։ Այս սանդղակը 100 աստիճանով բաժանված է քաղաքի ամենացուրտ ձմռան ջերմաստիճանից, որտեղ Ֆարենհեյթն ապրում էր մինչև ջերմաստիճանը: մարդու մարմինը. Ցելսիուսի զրոյական աստիճանը 32 աստիճան է, իսկ Ֆարենհեյթի աստիճանը՝ 5/9 աստիճան Ցելսիուս։

Ֆարենհեյթի սանդղակի ներկայիս սահմանումը հետևյալն է. այն ջերմաստիճանի սանդղակ է, որի 1 աստիճանը (1 °F) հավասար է ջրի եռման կետի և մթնոլորտային ճնշման ժամանակ սառույցի հալման տարբերության 1/180-ին, իսկ սառույցի հալման կետը +32 °F է։ Ֆարենհեյթի սանդղակի ջերմաստիճանը կապված է Ցելսիուսի սանդղակի ջերմաստիճանի հետ (t ° C) t ° C \u003d 5/9 (t ° F - 32) հարաբերակցությամբ, այսինքն ՝ համապատասխանում է 1 ° F ջերմաստիճանի փոփոխություն: մինչև 5/9 ° C փոփոխության: Առաջարկվել է Գ.Ֆարենհեյթի կողմից 1724 թ.

Reaumur սանդղակ

Առաջարկվել է 1730 թվականին R. A. Reaumur-ի կողմից, որը նկարագրել է իր հորինած ալկոհոլային ջերմաչափը։

Միավոր - աստիճան Réaumur (°R), 1 °R հավասար է հղման կետերի միջև ջերմաստիճանի միջակայքի 1/80-ին` հալվող սառույցի (0 °R) և եռացող ջրի ջերմաստիճանը (80 °R)

1°R = 1,25°C:

Ներկայումս կշեռքը սպառվել է, այն ամենաերկարը պահպանվել է Ֆրանսիայում՝ հեղինակի հայրենիքում։

Ջերմաստիճանի փոխակերպում հիմնական կշեռքների միջև
	Քելվին	Ցելսիուս	Ֆարենհեյթ
Քելվին (Կ)		C + 273.15	= (F + 459,67) / 1,8
Ցելսիուս (°C)	K − 273,15		= (F - 32) / 1.8
Ֆարենհեյթ (°F)	Կ 1,8 - 459,67	C 1.8 + 32

Ջերմաստիճանի սանդղակների համեմատություն

Նկարագրություն	Քելվին	Ցելսիուս	Ֆարենհեյթ	Նյուտոն	Réaumur
Բացարձակ զրո		−273.15	−459.67	−90.14	−218.52
Ֆարենհեյթի խառնուրդի հալման կետը (աղը և սառույցը հավասար քանակությամբ)	255.37	−17.78		−5.87	−14.22
Ջրի սառեցման կետ (նորմալ պայմաններ)	273.15
Մարդու մարմնի միջին ջերմաստիճանը ¹	310.0	36.8	98.2	12.21	29.6
Ջրի եռման կետը (նորմալ պայմաններում)	373.15
Արևի մակերեսի ջերմաստիճանը	5800	5526	9980	1823	4421

¹ Մարդու մարմնի նորմալ ջերմաստիճանը 36,6°C ±0,7°C է կամ 98,2°F ±1,3°F: Սովորաբար տրված 98,6 °F արժեքը 19-րդ դարի գերմանական 37 °C արժեքի ճշգրիտ ֆարենհայթի փոխակերպումն է: Քանի որ այս արժեքը դուրս է նորմալ ջերմաստիճանի միջակայքից ժամանակակից գաղափարներ, կարելի է ասել, որ այն պարունակում է ավելորդ (սխալ) ճշգրտություն։ Այս աղյուսակի որոշ արժեքներ կլորացված են:

Ֆարենհեյթի և Ցելսիուսի սանդղակների համեմատություն

(oF- Ֆարենհեյթի սանդղակ, o Գ- Ցելսիուսի սանդղակ)

oՖ	oԳ		oՖ	oԳ		oՖ	oԳ		oՖ	oԳ
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

Ցելսիուսի աստիճանները կելվինների փոխարկելու համար օգտագործեք բանաձևը T=t+T0որտեղ T-ը ջերմաստիճանն է կելվիններով, t-ը ջերմաստիճանը Ցելսիուսի աստիճաններով, T 0 =273,15 կելվին: Ցելսիուսի աստիճանը չափերով հավասար է Կելվինին։

- 48,67 Կբ

Բարձրագույն մասնագիտական կրթության դաշնային պետական բյուջետային ուսումնական հաստատություն

«Վորոնեժի պետական մանկավարժական համալսարան»

Ընդհանուր ֆիզիկայի բաժին

թեմայի շուրջ՝ «Բացարձակ զրոյական ջերմաստիճան»

Ավարտեց՝ 1-ին կուրսի ուսանող, FMF,

Պ.Ի., Կոնդրատենկո Իրինա Ալեքսանդրովնա

Ստուգել է` Գլխավոր վարչության օգնական

ֆիզիկոսներ Աֆոնին Գ.Վ.

Վորոնեժ-2013

Ներածություն …………………………………………………………………. 3

1. Բացարձակ զրո………………………………………………….4

2. Պատմություն……………………………………………………………………………………

3. Բացարձակ զրոյի մոտ դիտված երևույթներ………..9

Եզրակացություն ………………………………………………………… 11

Օգտագործված գրականության ցուցակ…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

Ներածություն

Երկար տարիներ հետազոտողները հարձակվել են բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանի վրա: Ինչպես գիտեք, բացարձակ զրոյին հավասար ջերմաստիճանը բնութագրում է բազմաթիվ մասնիկներից բաղկացած համակարգի հիմնական վիճակը՝ հնարավոր ամենացածր էներգիա ունեցող վիճակը, որի դեպքում ատոմներն ու մոլեկուլները կատարում են այսպես կոչված «զրոյական» թրթռումները: Այսպիսով, բացարձակ զրոյին մոտ խորը սառեցումը (կարծիք կա, որ բացարձակ զրոյն ինքնին գործնականում անհասանելի է) նյութի հատկությունների ուսումնասիրման անսահմանափակ հնարավորություններ է բացում։

1. Բացարձակ զրո

Բացարձակ զրո ջերմաստիճան (ավելի հազվադեպ՝ բացարձակ զրոյական ջերմաստիճան) - ջերմաստիճանի նվազագույն սահմանը, որը ա ֆիզիկական մարմինՏիեզերքում. Բացարձակ զրոն ծառայում է որպես բացարձակ ջերմաստիճանի սանդղակի հղման կետ, ինչպիսին է Քելվինի սանդղակը: 1954 թվականին կշիռների և չափումների X գլխավոր կոնֆերանսը սահմանեց ջերմադինամիկական ջերմաստիճանի սանդղակ մեկ հղման կետով՝ ջրի եռակի կետով, որի ջերմաստիճանը վերցված է 273,16 Կ (ճիշտ), որը համապատասխանում է 0,01 ° C, այնպես որ Ցելսիուսի սանդղակով բացարձակ զրոյին համապատասխանում է -273,15°C ջերմաստիճան:

Թերմոդինամիկայի կիրառելիության շրջանակներում բացարձակ զրոն գործնականում անհասանելի է։ Նրա գոյությունը և դիրքը ջերմաստիճանի սանդղակի վրա բխում են դիտարկվող ֆիզիկական երևույթների էքստրապոլյացիայից, մինչդեռ նման էքստրապոլյացիան ցույց է տալիս, որ բացարձակ զրոյի դեպքում նյութի մոլեկուլների և ատոմների ջերմային շարժման էներգիան պետք է հավասար լինի զրոյի, այսինքն՝ Մասնիկների քաոսային շարժումը դադարում է, և նրանք ձևավորում են կարգավորված կառուցվածք՝ հստակ դիրք զբաղեցնելով բյուրեղային ցանցի հանգույցներում (բացառություն է կազմում հեղուկ հելիումը)։ Այնուամենայնիվ, տեսակետից քվանտային ֆիզիկաիսկ բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանում լինում են զրոյական տատանումներ, որոնք պայմանավորված են մասնիկների քվանտային հատկություններով և նրանց շրջապատող ֆիզիկական վակուումով։

Քանի որ համակարգի ջերմաստիճանը ձգտում է բացարձակ զրոյի, դրա էնտրոպիան, ջերմային հզորությունը, ջերմային ընդարձակման գործակիցը նույնպես ձգտում են զրոյի, և համակարգը կազմող մասնիկների քաոսային շարժումը դադարում է։ Մի խոսքով, նյութը գերհաղորդականությամբ և գերհոսողությամբ դառնում է գերնյութ։

Բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանը գործնականում անհասանելի է, և դրան հնարավորինս մոտ ջերմաստիճան ստանալը բարդ փորձարարական խնդիր է, բայց արդեն ստացվել են ջերմաստիճաններ, որոնք բացարձակ զրոյից հեռու են միայն մեկ միլիոներորդական աստիճանով: .

Գտնենք բացարձակ զրոյի արժեքը Ցելսիուսի սանդղակի վրա՝ V ծավալը հավասարեցնելով զրոյի և հաշվի առնելով, որ

Ուստի բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանը -273°C է։

Սա սահմանափակող, ամենացածր ջերմաստիճանն է բնության մեջ, այդ «ամենամեծ կամ վերջին աստիճանի ցուրտը», որի գոյությունը կանխատեսել էր Լոմոնոսովը։

Նկ.1. Բացարձակ սանդղակ և Ցելսիուսի սանդղակ

Բացարձակ ջերմաստիճանի SI միավորը կոչվում է կելվին (կրճատ՝ K)։ Ուստի Ցելսիուսի մեկ աստիճանը հավասար է մեկ աստիճանի Կելվինին՝ 1 °C = 1 Կ։

Այսպիսով, բացարձակ ջերմաստիճանը ածանցյալ մեծություն է, որը կախված է Ցելսիուսի ջերմաստիճանից և a-ի փորձարարական որոշված արժեքից։ Այնուամենայնիվ, դա սկզբունքային նշանակություն ունի։

Մոլեկուլային կինետիկ տեսության տեսանկյունից բացարձակ ջերմաստիճանը կապված է ատոմների կամ մոլեկուլների պատահական շարժման միջին կինետիկ էներգիայի հետ։ T = 0 K-ում մոլեկուլների ջերմային շարժումը դադարում է:

2. Պատմություն

«Բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանի» ֆիզիկական հայեցակարգը շատ կարևոր է ժամանակակից գիտության համար. դրա հետ սերտորեն կապված է այնպիսի հասկացություն, ինչպիսին է գերհաղորդականությունը, որի հայտնաբերումը մեծ աղմուկ բարձրացրեց 20-րդ դարի երկրորդ կեսին:

Հասկանալու համար, թե ինչ է բացարձակ զրոն, պետք է անդրադառնալ այնպիսի հայտնի ֆիզիկոսների աշխատություններին, ինչպիսիք են Գ. Ֆարենհեյթը, Ա. Ցելսիուսը, Ջ. Գեյ-Լյուսակը և Վ. Թոմսոնը: Հենց նրանք էլ առանցքային դեր խաղացին մինչ օրս օգտագործվող հիմնական ջերմաստիճանի սանդղակների ստեղծման գործում։

Առաջինը, ով 1714 թվականին առաջարկեց իր սեփական ջերմաստիճանի սանդղակը, գերմանացի ֆիզիկոս Գ.Ֆարենհայթն էր: Միևնույն ժամանակ, խառնուրդի ջերմաստիճանը, որը ներառում էր ձյուն և ամոնիակ, ընդունվեց որպես բացարձակ զրո, այսինքն՝ այս սանդղակի ամենացածր կետը։ Հաջորդ կարևոր ցուցանիշը մարդու մարմնի նորմալ ջերմաստիճանն էր, որը սկսեց հավասարվել 1000-ի: Ըստ այդմ, այս սանդղակի յուրաքանչյուր բաժանում կոչվում էր «աստիճան Ֆարենհայթ», իսկ ինքնին սանդղակը կոչվում էր «Ֆարենհեյթի սանդղակ»:

30 տարի անց շվեդ աստղագետ Ա.Ցելսիուսը առաջարկեց իր սեփական ջերմաստիճանի սանդղակը, որտեղ հիմնական կետերն էին սառույցի հալման ջերմաստիճանը և ջրի եռման կետը: Այս սանդղակը կոչվում էր «Ցելսիուսի սանդղակ», այն դեռ հայտնի է աշխարհի շատ երկրներում, այդ թվում՝ Ռուսաստանում։

1802 թվականին ֆրանսիացի գիտնական Ջ. Գեյ-Լյուսակը, իր հայտնի փորձերը կատարելիս, պարզեց, որ մշտական ճնշման դեպքում գազի զանգվածի ծավալն ուղղակիորեն կախված է ջերմաստիճանից։ Բայց ամենահետաքրքիրն այն էր, որ երբ ջերմաստիճանը փոխվում էր 10 Ցելսիուսով, գազի ծավալն ավելանում կամ նվազում էր նույնքանով։ Կատարելով անհրաժեշտ հաշվարկները՝ Գեյ-Լուսակը պարզեց, որ այդ արժեքը հավասար է գազի ծավալի 1/273-ին։ Այս օրենքից բխեց ակնհայտ եզրակացությունը. -273 ° C-ի հավասար ջերմաստիճանը ամենացածր ջերմաստիճանն է, որին նույնիսկ մոտենալը անհնար է դրան հասնել։ Այս ջերմաստիճանը կոչվում է «բացարձակ զրոյական ջերմաստիճան»։ Ավելին, բացարձակ զրոն դարձավ բացարձակ ջերմաստիճանի սանդղակի ստեղծման մեկնարկային կետ, որին ակտիվ մասնակցություն ունեցավ անգլիացի ֆիզիկոս Վ.Թոմսոնը, նույն ինքը՝ լորդ Քելվինը։ Նրա հիմնական հետազոտությունը վերաբերում էր այն ապացույցին, որ բնության մեջ ոչ մի մարմին չի կարող սառչել բացարձակ զրոյից ցածր: Միևնույն ժամանակ, նա ակտիվորեն օգտագործեց թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը, հետևաբար, 1848 թվականին նրա կողմից ներկայացված բացարձակ ջերմաստիճանի սանդղակը սկսեց կոչվել թերմոդինամիկ կամ «Կելվինի սանդղակ»: Հետագա տարիներին և տասնամյակներում հայեցակարգի միայն թվային ճշգրտումը: տեղի է ունեցել «բացարձակ զրոյի»:

Նկ.2. Հարաբերակցությունը Ֆարենհեյթի (F), Ցելսիուսի (C) և Կելվինի (K) ջերմաստիճանի սանդղակների միջև:

Հարկ է նաև նշել, որ բացարձակ զրոն շատ կարևոր դեր է խաղում SI համակարգում։ Բանն այն է, որ 1960 թվականին կշիռների և չափումների հաջորդ գլխավոր կոնֆերանսում թերմոդինամիկական ջերմաստիճանի միավորը՝ կելվինը, դարձավ չափման վեց հիմնական միավորներից մեկը։ Ընդ որում, հատուկ ամրագրված էր, որ մեկ աստիճանի Քելվին

թվային առումով հավասար է Ցելսիուսի մեկ աստիճանի, միայն այստեղ «ըստ Քելվինի» հղման կետը համարվում է բացարձակ զրո։

Բացարձակ զրոյի հիմնական ֆիզիկական իմաստն այն է, որ, ըստ հիմնական ֆիզիկական օրենքների, նման ջերմաստիճանում տարրական մասնիկների շարժման էներգիան, ինչպիսիք են ատոմները և մոլեկուլները, հավասար է զրոյի, և այս դեպքում՝ ցանկացած քաոսային շարժում. հենց այս մասնիկները պետք է դադարեն: Բացարձակ զրոյին հավասար ջերմաստիճանում ատոմները և մոլեկուլները պետք է հստակ դիրք գրավեն բյուրեղային ցանցի հիմնական կետերում՝ ձևավորելով կարգավորված համակարգ։

Ներկայումս, օգտագործելով հատուկ սարքավորումներ, գիտնականները կարողացել են ստանալ բացարձակ զրոյից ընդամենը մի քանի միլիոներորդական բարձր ջերմաստիճան: Ֆիզիկապես անհնար է հասնել այս արժեքին ինքնին թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի պատճառով:

3. Բացարձակ զրոյի մոտ նկատված երեւույթներ

Բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճանում մակրոսկոպիկ մակարդակում կարելի է դիտարկել զուտ քվանտային էֆեկտներ, ինչպիսիք են.

1. Գերհաղորդականություն - որոշ նյութերի հատկություն ունենալ խիստ զրոյական էլեկտրական դիմադրություն, երբ դրանք հասնում են որոշակի արժեքից (կրիտիկական ջերմաստիճան) ցածր ջերմաստիճանի: Հայտնի են մի քանի հարյուր միացություններ, մաքուր տարրեր, համաձուլվածքներ և կերամիկա, որոնք անցնում են գերհաղորդիչ վիճակի։

Գերհաղորդականությունը քվանտային երեւույթ է։ Այն նաև բնութագրվում է Մայսների էֆեկտով, որը բաղկացած է մագնիսական դաշտի ամբողջական տեղաշարժից գերհաղորդիչի հիմնական մասից։ Այս էֆեկտի առկայությունը ցույց է տալիս, որ գերհաղորդականությունը չի կարող դասական իմաստով պարզապես նկարագրվել որպես իդեալական հաղորդունակություն։ Բացումը 1986-1993 թթ մի շարք բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներ (HTSC) հեռու են մղել գերհաղորդականության ջերմաստիճանի սահմանը և թույլ են տվել գերհաղորդիչ նյութերի գործնական օգտագործումը ոչ միայն հեղուկ հելիումի (4,2 Կ), այլև հեղուկ ազոտի եռման կետում (77 Կ)։ ), շատ ավելի էժան կրիոգեն հեղուկ։

2. Գերհոսունություն - հատուկ վիճակում գտնվող նյութի (քվանտային հեղուկ) կարողություն, որն առաջանում է, երբ ջերմաստիճանն իջնում է բացարձակ զրոյի (թերմոդինամիկական փուլ), նեղ անցքերով և մազանոթներով առանց շփման հոսելու։ Մինչև վերջերս գերհոսունությունը հայտնի էր միայն հեղուկ հելիումի համար, սակայն ք վերջին տարիներըԳերհեղուկություն հայտնաբերվել է նաև այլ համակարգերում՝ հազվագյուտ ատոմային Bose կոնդենսատներում, պինդ հելիում։

Գերհոսունությունը բացատրվում է հետևյալ կերպ. Քանի որ հելիումի ատոմները բոզոններ են, քվանտային մեխանիկա թույլ է տալիս կամայական թվով մասնիկներ լինել նույն վիճակում։ Բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանի մոտ հելիումի բոլոր ատոմները գտնվում են հիմնական էներգիայի վիճակում: Քանի որ վիճակների էներգիան դիսկրետ է, ատոմը կարող է ստանալ ոչ թե որևէ էներգիա, այլ միայն էներգիա, որը հավասար է էներգիայի հարակից մակարդակների միջև եղած էներգիայի բացմանը: Բայց ցածր ջերմաստիճանի դեպքում բախման էներգիան կարող է պակաս լինել այս արժեքից, ինչի արդյունքում էներգիայի ցրում պարզապես տեղի չի ունենա։ Հեղուկը կհոսի առանց շփման:

3. Բոզ - Էյնշտեյն կոնդենսատ - ագրեգացման վիճակմի նյութ, որը հիմնված է բոզոնների վրա, որոնք սառչում են բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճանում (բացարձակ զրոյից բարձր աստիճանի մեկ միլիոներորդականից պակաս)։ Նման խիստ սառեցված վիճակում դա բավական է մեծ թիվատոմները գտնվում են իրենց ամենացածր քվանտային վիճակներում, և քվանտային էֆեկտները սկսում են դրսևորվել մակրոսկոպիկ մակարդակում:

Եզրակացություն

Բացարձակ զրոյին մոտ նյութի հատկությունների ուսումնասիրությունը մեծ հետաքրքրություն է ներկայացնում գիտության և տեխնիկայի համար։

Նյութի շատ հատկություններ, որոնք քողարկված են սենյակային ջերմաստիճանում ջերմային երևույթներով (օրինակ՝ ջերմային աղմուկ), սկսում են ավելի ու ավելի դրսևորվել, երբ ջերմաստիճանը նվազում է, ինչը թույլ է տալիս ուսումնասիրել տվյալ նյութին բնորոշ օրինաչափություններն ու հարաբերությունները։ . Ցածր ջերմաստիճանների ոլորտում հետազոտությունները հնարավորություն տվեցին բացահայտել բազմաթիվ նոր բնական երևույթներ, ինչպիսիք են, օրինակ, հելիումի գերհոսքը և մետաղների գերհաղորդականությունը։

Ցածր ջերմաստիճանի դեպքում նյութերի հատկությունները կտրուկ փոխվում են: Որոշ մետաղներ մեծացնում են իրենց ամրությունը, դառնում ճկուն, մյուսները դառնում են փխրուն, ինչպես ապակին:

Ցածր ջերմաստիճաններում ֆիզիկաքիմիական հատկությունների ուսումնասիրությունը հնարավորություն կտա ապագայում ստեղծել նոր նյութեր՝ նախապես որոշված հատկություններով։ Այս ամենը շատ արժեքավոր է տիեզերանավերի, կայանների և գործիքների նախագծման և կառուցման համար։

Հայտնի է, որ տիեզերական մարմինների ռադարային ուսումնասիրությունների ժամանակ ստացված ռադիոազդանշանը շատ փոքր է, և այն դժվար է տարբերել տարբեր աղմուկներից։ Վերջերս գիտնականների կողմից ստեղծված մոլեկուլային տատանիչներն ու ուժեղացուցիչները գործում են շատ ցածր ջերմաստիճաններում, հետևաբար ունեն շատ ցածր աղմուկի մակարդակ:

Ցածր ջերմաստիճանի էլեկտրական և մագնիսական հատկություններմետաղները, կիսահաղորդիչները և դիէլեկտրիկները հնարավորություն են տալիս մշակել մանրադիտակային չափերի սկզբունքորեն նոր ռադիոտեխնիկական սարքեր:

Չափազանց ցածր ջերմաստիճանները օգտագործվում են վակուումի ստեղծման համար, որն անհրաժեշտ է, օրինակ, հսկա միջուկային մասնիկների արագացուցիչների աշխատանքի համար։

Մատենագիտություն

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

Կարճ նկարագրություն

Երբ եղանակի հաշվետվությունը կանխատեսում է զրոյի մոտ ջերմաստիճան, դուք չպետք է սահադաշտ գնաք. սառույցը կհալվի: Սառույցի հալման ջերմաստիճանը վերցվում է զրոյական աստիճանի Ցելսիուսի ջերմաստիճանի ամենատարածված սանդղակը:
Մենք լավ գիտենք Ցելսիուսի սանդղակի բացասական աստիճանները՝ աստիճաններ<ниже нуля>, ցրտի աստիճաններ. Երկրի վրա ամենացածր ջերմաստիճանը գրանցվել է Անտարկտիդայում՝ -88,3°C։ Երկրից դուրս հնարավոր է նույնիսկ ավելի ցածր ջերմաստիճան՝ Լուսնի մակերևույթի վրա լուսնային կեսգիշերին այն կարող է հասնել -160°C:
Բայց ոչ մի տեղ չի կարող լինել կամայական ցածր ջերմաստիճան: Չափազանց ցածր ջերմաստիճանը` բացարձակ զրո - Ցելսիուսի սանդղակով համապատասխանում է - 273,16 °:
Ջերմաստիճանի բացարձակ սանդղակը` Կելվինի սանդղակը, ծագում է բացարձակ զրոյից: Սառույցը հալվում է 273,16° Կելվինում, իսկ ջուրը եռում է 373,16° Կ-ում: Այսպիսով, K աստիճանը հավասար է C աստիճանին: Բայց Քելվինի սանդղակի վրա բոլոր ջերմաստիճանները դրական են:
Ինչու՞ է 0°K ցրտի սահմանը:
Ջերմությունը նյութի ատոմների և մոլեկուլների քաոսային շարժումն է։ Երբ նյութը սառչում է, նրանից ջերմային էներգիա է վերցվում, և այս դեպքում մասնիկների պատահական շարժումը թուլանում է։ Վերջում ուժեղ սառեցմամբ, ջերմային<пляска>մասնիկները գրեթե ամբողջությամբ դադարում են: Ատոմները և մոլեկուլները լիովին կսառչեն մի ջերմաստիճանում, որը ընդունվում է որպես բացարձակ զրո: Ըստ սկզբունքների քվանտային մեխանիկա, բացարձակ զրոյի դեպքում, մասնիկների հենց ջերմային շարժումն է, որը կդադարի, բայց մասնիկները իրենք չեն սառչի, քանի որ չեն կարող լիովին հանգստանալ։ Այսպիսով, բացարձակ զրոյի դեպքում մասնիկները դեռ պետք է պահպանեն ինչ-որ շարժում, որը կոչվում է զրո։

Այնուամենայնիվ, նյութը բացարձակ զրոյից ցածր ջերմաստիճանում սառեցնելը նույնքան անիմաստ գաղափար է, որքան, ասենք, մտադրությունը<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Ավելին, նույնիսկ ճշգրիտ բացարձակ զրոյի հասնելը նույնպես գրեթե անհնար է։ Դուք կարող եք միայն մտերմանալ նրա հետ: Որովհետև նրա բացարձակապես ողջ ջերմային էներգիան ոչ մի կերպ չի կարող խլվել նյութից։ Ջերմային էներգիայի մի մասը մնում է ամենախոր հովացման ժամանակ:
Ինչպե՞ս են նրանք հասնում ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի:
Նյութը սառեցնելն ավելի դժվար է, քան տաքացնելը։ Սա կարելի է տեսնել առնվազն վառարանի և սառնարանի դիզայնի համեմատությունից:
Կենցաղային և արդյունաբերական սառնարանների մեծ մասում ջերմությունը հանվում է հատուկ հեղուկի՝ ֆրեոնի գոլորշիացման պատճառով, որը շրջանառվում է մետաղական խողովակներով։ Գաղտնիքն այն է, որ ֆրեոնը կարող է հեղուկ վիճակում մնալ միայն բավական ցածր ջերմաստիճանում: Սառնարանային խցիկում խցիկի ջերմությունից այն տաքանում է ու եռում՝ վերածվելով գոլորշու։ Բայց գոլորշին սեղմվում է կոմպրեսորով, հեղուկացվում և մտնում է գոլորշիատոր՝ լրացնելով գոլորշիացող ֆրեոնի կորուստը: Էներգիան օգտագործվում է կոմպրեսորը գործարկելու համար:
Խորը հովացման սարքերում ցրտի կրողը գերսառը հեղուկն է՝ հեղուկ հելիումը։ Անգույն, բաց (ջրից 8 անգամ բաց), այն եռում է մթնոլորտային ճնշման տակ 4,2°K, իսկ վակուումում՝ 0,7°K։ Նույնիսկ ավելի ցածր ջերմաստիճան է տալիս հելիումի լույսի իզոտոպը՝ 0,3°K։
Մշտական հելիումի սառնարան կազմակերպելը բավականին դժվար է։ Հետազոտություններն իրականացվում են պարզապես հեղուկ հելիումի վաննաներում։ Եվ այս գազը հեղուկացնելու համար ֆիզիկոսները տարբեր տեխնիկա են օգտագործում։ Օրինակ, նախապես սառեցված և սեղմված հելիումը ընդլայնվում է` այն բարակ անցքով բաց թողնելով վակուումային խցիկի մեջ: Միաժամանակ ջերմաստիճանը դեռ նվազում է, և գազի որոշ հատված վերածվում է հեղուկի։ Ավելի արդյունավետ է ոչ միայն ընդլայնել սառեցված գազը, այլև ստիպել այն գործարկել՝ շարժել մխոցը:
Ստացված հեղուկ հելիումը պահվում է հատուկ թերմոսներում՝ Dewar անոթներում։ Այս ամենացուրտ հեղուկի արժեքը (միակը, որը չի սառչում բացարձակ զրոյի դեպքում) բավականին բարձր է։ Այնուամենայնիվ, հեղուկ հելիումն այժմ ավելի ու ավելի լայնորեն օգտագործվում է ոչ միայն գիտության մեջ, այլև տարբեր տեխնիկական սարքերում։
Ամենացածր ջերմաստիճանները ձեռք են բերվել այլ կերպ. Պարզվում է, որ որոշ աղերի մոլեկուլները, ինչպիսիք են կալիումի քրոմի շիբը, կարող են պտտվել ուժի երկայնքով մագնիսական գծեր. Այս աղը նախապես սառեցվում է հեղուկ հելիումով մինչև 1°K և տեղադրվում ուժեղ մագնիսական դաշտում։ Այս դեպքում մոլեկուլները պտտվում են ուժի գծերով, իսկ արձակված ջերմությունը հեռացնում է հեղուկ հելիումը։ Այնուհետև մագնիսական դաշտը կտրուկ հեռացվում է, մոլեկուլները կրկին պտտվում են տարբեր ուղղություններով, և ծախսվում է

այս աշխատանքը հանգեցնում է աղի հետագա սառեցմանը: Այսպիսով, ստացվել է 0,001°K ջերմաստիճան, սկզբունքորեն նմանատիպ մեթոդով, օգտագործելով այլ նյութեր, կարելի է ստանալ էլ ավելի ցածր ջերմաստիճան։
Երկրի վրա մինչ այժմ ստացված ամենացածր ջերմաստիճանը 0,00001°K է։

Գերհոսունություն

Հեղուկ հելիումի բաղնիքներում սառեցված մինչև ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանը զգալիորեն փոխվում է: Ռետինը դառնում է փխրուն, կապարը դառնում է պողպատի պես կարծր և առաձգական, շատ համաձուլվածքներ մեծացնում են ամրությունը:

Հեղուկ հելիումն ինքն իրեն յուրահատուկ կերպով է պահում։ 2,2 °K-ից ցածր ջերմաստիճանում այն ձեռք է բերում սովորական հեղուկների համար աննախադեպ հատկություն՝ գերհոսունություն. դրա մի մասն ամբողջությամբ կորցնում է մածուցիկությունը և առանց շփման հոսում է ամենանեղ անցքերով:
Այս ֆենոմենը, որը հայտնաբերեց 1937 թվականին խորհրդային ֆիզիկոս ակադեմիկոս Պ.Ջ.Ի. Կապիցան, այնուհետև բացատրեց ակադեմիկոս Ջ.Ի. Դ. Լանդաու.
Պարզվում է, որ ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի դեպքում նյութի վարքագծի քվանտային օրենքները սկսում են նկատելիորեն ազդել։ Ինչպես պահանջում է այս օրենքներից մեկը, էներգիան կարող է փոխանցվել մարմնից մարմին միայն միանգամայն որոշակի մասերով՝ քվանտներով: Հեղուկ հելիումի մեջ այնքան քիչ ջերմային քվանտա կա, որ դրանք բավարար չեն բոլոր ատոմների համար: Ջերմային քվանտներից զուրկ հեղուկի մի մասը մնում է բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանում, նրա ատոմներն ընդհանրապես չեն մասնակցում պատահական ջերմային շարժմանը և որևէ կերպ չեն փոխազդում անոթների պատերի հետ։ Այս մասը (այն կոչվում էր հելիում-H) ունի գերհոսունություն։ Ջերմաստիճանի նվազման հետ հելիում-II դառնում է ավելի ու ավելի, և բացարձակ զրոյի դեպքում ամբողջ հելիումը կվերածվի հելիում-H-ի:
Գերհոսունությունն այժմ շատ մանրամասն ուսումնասիրվել է և նույնիսկ օգտակար է գտել գործնական օգտագործումՆրա օգնությամբ հնարավոր է առանձնացնել հելիումի իզոտոպները։

Գերհաղորդունակություն

Բացարձակ զրոյի մոտ, չափազանց հետաքրքիր փոփոխություններ են տեղի ունենում որոշ նյութերի էլեկտրական հատկությունների մեջ:
1911 թվականին հոլանդացի ֆիզիկոս Կամերլինգ-Օննեսը անսպասելի բացահայտում արեց. պարզվեց, որ 4,12 ° K ջերմաստիճանի դեպքում էլեկտրական դիմադրությունը ամբողջովին անհետանում է սնդիկի մեջ: Մերկուրին դառնում է գերհաղորդիչ։ Գերհաղորդիչ օղակում առաջացած էլեկտրական հոսանքը չի քայքայվում և կարող է հոսել գրեթե ընդմիշտ:
Նման օղակի վերևում գերհաղորդիչ գնդակը կբողարկի օդում և չի ընկնի, կարծես հեքիաթից:<гроб Магомета>, քանի որ նրա ծանրությունը փոխհատուցվում է օղակի և գնդակի միջև մագնիսական վանմամբ։ Ի վերջո, ռինգում չխոնարհված հոսանքը կստեղծի մագնիսական դաշտ, և այն, իր հերթին, էլեկտրական հոսանք կառաջացնի գնդակի մեջ և դրա հետ մեկտեղ՝ հակառակ ուղղված մագնիսական դաշտ:
Բացի սնդիկից, անագը, կապարը, ցինկը և ալյումինը գերհաղորդականություն ունեն բացարձակ զրոյի մոտ։ Այս հատկությունը հայտնաբերվել է 23 տարրերի և ավելի քան հարյուր տարբեր համաձուլվածքների և այլ քիմիական միացությունների մեջ:
Ջերմաստիճանները, որոնցում հայտնվում է գերհաղորդականությունը (կրիտիկական ջերմաստիճանները) բավականին լայն միջակայքում են՝ 0,35°K-ից (հաֆնիում) մինչև 18°K (նիոբիում-անագ համաձուլվածք):
Գերհաղորդականության երևույթը, ինչպես նաև սուպեր-
հոսունություն, մանրամասն ուսումնասիրված։ Գտնվում են կրիտիկական ջերմաստիճանների կախվածությունը նյութերի ներքին կառուցվածքից և արտաքին մագնիսական դաշտից։ Մշակվեց գերհաղորդականության խորը տեսություն (կարևոր ներդրումն ունեցավ սովետական գիտնական ակադեմիկոս Ն. Ն. Բոգոլյուբովը)։
Այս պարադոքսալ երեւույթի էությունը կրկին զուտ քվանտային է։ Գերցածր ջերմաստիճանի դեպքում էլեկտրոնները ներս են մտնում

գերհաղորդիչը կազմում է զույգ միացված մասնիկների համակարգ, որը չի կարող էներգիա տալ բյուրեղային ցանցին, էներգիայի քվանտա է ծախսում այն տաքացնելու համար: Էլեկտրոնների զույգերը շարժվում են նման<танцуя>, միջեւ<прутьями решетки>- իոններ և շրջանցել դրանք առանց բախումների և էներգիայի փոխանցման:
Գերհաղորդականությունն ավելի ու ավելի է օգտագործվում տեխնոլոգիայի մեջ:
Օրինակ, գերհաղորդիչ solenoids- ը մտնում է պրակտիկայում `գերհաղորդիչ պարույրներ, որոնք ընկղմված են հեղուկ հելիումի մեջ: Հոսանք առաջացնելուց հետո և, հետևաբար, մագնիսական դաշտը կարող է պահպանվել դրանցում կամայականորեն երկար ժամանակ: Այն կարող է հասնել հսկա արժեքի՝ ավելի քան 100,000 էերստեդ: Ապագայում, անկասկած, կհայտնվեն հզոր արդյունաբերական գերհաղորդիչ սարքեր՝ էլեկտրական շարժիչներ, էլեկտրամագնիսներ և այլն։
Ռադիոէլեկտրոնիկայի մեջ էական դեր են սկսում խաղալ գերզգայուն ուժեղացուցիչները և էլեկտրամագնիսական ալիքների գեներատորները, որոնք հատկապես լավ են աշխատում հեղուկ հելիումով լոգարաններում.<шумы>սարքավորումներ. Էլեկտրոնային հաշվողական տեխնոլոգիայի մեջ պայծառ ապագա է խոստանում ցածր էներգիայի գերհաղորդիչ անջատիչների՝ կրիոտրոնների համար (տես Արվեստ.<Пути электроники>).
Դժվար չէ պատկերացնել, թե որքան գայթակղիչ կլիներ նման սարքերի շահագործումը ավելի բարձր, ավելի մատչելի ջերմաստիճանի հասցնելը: Վերջերս բացվել է պոլիմերային թաղանթային գերհաղորդիչներ ստեղծելու հույսը։ Նման նյութերի էլեկտրական հաղորդունակության յուրօրինակ բնույթը հիանալի հնարավորություն է խոստանում պահպանել գերհաղորդականությունը նույնիսկ սենյակային ջերմաստիճանում: Գիտնականները համառորեն ուղիներ են փնտրում այս հույսն իրականացնելու համար։

Աստղերի խորքերում

Եվ հիմա եկեք նայենք աշխարհի ամենաթեժ բանի տիրույթին՝ աստղերի փորոտիքներին: Այնտեղ, որտեղ ջերմաստիճանը հասնում է միլիոնավոր աստիճանի:
Աստղերի քաոսային ջերմային շարժումն այնքան ինտենսիվ է, որ ամբողջ ատոմներն այնտեղ չեն կարող գոյություն ունենալ. դրանք ոչնչացվում են անթիվ բախումների ժամանակ:
Հետևաբար, այդքան ուժեղ տաքացվող նյութը չի կարող լինել պինդ, հեղուկ կամ գազային: Այն գտնվում է պլազմայի վիճակում, այսինքն՝ էլեկտրական լիցքավորված խառնուրդի մեջ<осколков>ատոմներ - ատոմային միջուկներ և էլեկտրոններ:
Պլազման նյութի մի տեսակ վիճակ է։ Քանի որ դրա մասնիկները էլեկտրական լիցքավորված են, նրանք զգայունորեն ենթարկվում են էլեկտրական և մագնիսական ուժերին: Ուստի երկու ատոմային միջուկների մոտիկությունը (դրանք դրական լիցք են կրում) հազվադեպ երեւույթ է։ Միայն այն ժամանակ, երբ բարձր խտություններև հսկայական ջերմաստիճաններ, որոնք բախվում են միմյանց ատոմային միջուկներկարողանալ մոտենալ: Այնուհետև տեղի են ունենում ջերմամիջուկային ռեակցիաներ՝ աստղերի էներգիայի աղբյուր։
Մեզ ամենամոտ աստղը՝ Արևը հիմնականում բաղկացած է ջրածնի պլազմայից, որը աստղի աղիքներում տաքացվում է մինչև 10 միլիոն աստիճան: Նման պայմաններում տեղի են ունենում արագ ջրածնի միջուկների՝ պրոտոնների սերտ հանդիպումներ, թեև հազվադեպ են լինում: Երբեմն մոտեցող պրոտոնները փոխազդում են՝ հաղթահարելով էլեկտրական վանումը, նրանք ընկնում են հսկայի ուժի մեջ միջուկային ուժերգրավչություն, արագ<падают>միմյանց և միաձուլվել: Այստեղ տեղի է ունենում ակնթարթային վերադասավորում՝ երկու պրոտոնների փոխարեն հայտնվում է դեյտրոնը (ջրածնի ծանր իզոտոպի միջուկը), պոզիտրոնը և նեյտրինոն։ Ազատված էներգիան կազմում է 0,46 միլիոն էլեկտրոն վոլտ (Mev):
Յուրաքանչյուր առանձին արևային պրոտոն կարող է նման ռեակցիայի մեջ մտնել միջինը 14 միլիարդ տարին մեկ անգամ: Բայց լուսատուի աղիքներում այնքան շատ պրոտոններ կան, որ արի ու տես, որ տեղի է ունենում այս անհավանական իրադարձությունը, և մեր աստղը այրվում է իր հավասար, շլացուցիչ բոցով:
Դեյտրոնների սինթեզը արեգակնային ջերմամիջուկային փոխակերպումների միայն առաջին քայլն է։ Նորածին դեյտրոնը շատ շուտով (միջինում 5,7 վայրկյանից հետո) միավորվում է ևս մեկ պրոտոնի հետ։ Կա թեթև հելիումի միջուկ և էլեկտրամագնիսական ճառագայթման գամմա քվանտ։ Ազատվում է 5,48 ՄէՎ էներգիա։
Վերջապես, միջին հաշվով, յուրաքանչյուր միլիոն տարին մեկ, թեթև հելիումի երկու միջուկները կարող են միանալ և միաձուլվել: Այնուհետև ձևավորվում է սովորական հելիումի միջուկ (ալֆա մասնիկ), և երկու պրոտոն բաժանվում են: Ազատվում է 12,85 ՄէՎ էներգիա։
Այս եռաստիճան<конвейер>ջերմամիջուկային ռեակցիաները միակը չեն. Կա միջուկային փոխակերպումների մեկ այլ շղթա՝ ավելի արագ։ Դրան մասնակցում են ածխածնի և ազոտի ատոմային միջուկները (առանց սպառվելու)։ Բայց երկու դեպքում էլ ալֆա մասնիկները սինթեզվում են ջրածնի միջուկներից։ Պատկերավոր ասած՝ արեգակնային ջրածնի պլազման<сгорает>, վերածվելով<золу>- հելիումի պլազմա. Իսկ հելիումի պլազմայի յուրաքանչյուր գրամի սինթեզի ընթացքում արտազատվում է 175 հազար կՎտժ էներգիա։ Մեծ գումար!
Ամեն վայրկյան Արևը ճառագայթում է 41033 Էրգ էներգիա՝ կորցնելով 41012 գ (4 միլիոն տոննա) նյութ։ Բայց Արեգակի ընդհանուր զանգվածը կազմում է 2 1027 տոննա, ինչը նշանակում է, որ մեկ միլիոն տարի հետո ճառագայթման արտանետման պատճառով Արևը<худеет>իր զանգվածի միայն մեկ տասն միլիոներորդ մասը: Այս թվերը պերճախոս կերպով ցույց են տալիս ջերմամիջուկային ռեակցիաների արդյունավետությունը և արեգակնային էներգիայի հսկայական ջերմային արժեքը:<горючего>- ջրածին.
Ջերմամիջուկային միաձուլումը կարծես էներգիայի հիմնական աղբյուրն է բոլոր աստղերի համար։ Աստղերի ինտերիերի տարբեր ջերմաստիճանների և խտությունների դեպքում տեղի են ունենում տարբեր տեսակի ռեակցիաներ։ Մասնավորապես՝ արևային<зола>- հելիումի միջուկներ - 100 միլիոն աստիճանի դեպքում այն ինքնին դառնում է ջերմամիջուկային<горючим>. Այնուհետև ալֆա մասնիկներից կարող են սինթեզվել նույնիսկ ավելի ծանր ատոմային միջուկներ՝ ածխածին և նույնիսկ թթվածին:
Շատ գիտնականների կարծիքով, մեր ամբողջ Մետագալակտիան որպես ամբողջություն նույնպես ջերմամիջուկային միաձուլման պտուղ է, որը տեղի է ունեցել միլիարդ աստիճանի ջերմաստիճանում (տես Արվեստ.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Արհեստական արևին

Ջերմամիջուկային էներգիայի արտասովոր կալորիականությունը<горючего>գիտնականներին դրդեց փնտրել միջուկային միաձուլման ռեակցիաների արհեստական իրականացում:
<Горючего>Մեր մոլորակի վրա կան ջրածնի բազմաթիվ իզոտոպներ։ Օրինակ՝ գերծանր ջրածնային տրիտում կարելի է ստանալ միջուկային ռեակտորներում լիթիումի մետաղից։ Իսկ ծանր ջրածինը` դեյտերիումը ծանր ջրի մի մասն է, որը կարելի է արդյունահանել սովորական ջրից:
Երկու բաժակ սովորական ջրից արդյունահանվող ծանր ջրածինը միաձուլման ռեակտորում այնքան էներգիա կապահովի, որքան այժմ ապահովում է մեկ բարել պրեմիում բենզինի այրումը:
Դժվարությունը նախապես տաքացնելու մեջ է<горючее>այն ջերմաստիճանների, որոնց դեպքում այն կարող է բռնկվել հզոր ջերմամիջուկային կրակով:
Այս խնդիրը առաջին անգամ լուծվել է ջրածնային ռումբում։ Այնտեղ ջրածնի իզոտոպները բռնկվում են պայթյունից ատոմային ռումբ, որն ուղեկցվում է նյութի տասնյակ միլիոնավոր աստիճանների տաքացմամբ։ Ջրածնային ռումբի տարբերակներից մեկում ջերմամիջուկային վառելիքն է քիմիական միացությունծանր ջրածին թեթև լիթիումով՝ դեյտերիդ՝ թեթև l և t և i։ Այս սպիտակ փոշին, որը նման է ճաշի աղին,<воспламеняясь>-ից<спички>, որը ատոմային ռումբն է, ակնթարթորեն պայթում է և ստեղծում հարյուր միլիոնավոր աստիճանի ջերմաստիճան։
Խաղաղություն խթանելու համար ջերմամիջուկային ռեակցիա, մենք նախ պետք է սովորենք, թե ինչպես, առանց ատոմային ռումբի ծառայությունների, տաքացնել ջրածնի իզոտոպների բավականաչափ խիտ պլազմայի փոքր չափաբաժինները հարյուր միլիոնավոր աստիճանի ջերմաստիճանի: Այս խնդիրը ժամանակակից կիրառական ֆիզիկայի ամենադժվարներից է։ Ամբողջ աշխարհից գիտնականները երկար տարիներ աշխատել են դրա վրա։
Մենք արդեն ասացինք, որ մասնիկների քաոսային շարժումն է առաջացնում մարմինների տաքացում, և նրանց պատահական շարժման միջին էներգիան համապատասխանում է ջերմաստիճանին։ Սառը մարմինը տաքացնել նշանակում է ամեն կերպ ստեղծել այս խանգարումը։
Պատկերացրեք, որ վազորդների երկու խումբ արագորեն շտապում են միմյանց: Այսպիսով, նրանք բախվեցին, խառնվեցին իրար, սկսվեց ամբոխ, խառնաշփոթ: Մեծ խառնաշփոթ!
Մոտավորապես նույն կերպ, ֆիզիկոսները սկզբում փորձում էին բարձր ջերմաստիճան ստանալ՝ բարձր ճնշման գազի շիթերը հրելով։ Գազը տաքացրել են մինչեւ 10 հազար աստիճան։ Ժամանակին դա ռեկորդային էր՝ ջերմաստիճանն ավելի բարձր է, քան Արեգակի մակերեսին։
Բայց այս մեթոդով գազի հետագա, բավականին դանդաղ, ոչ պայթուցիկ ջեռուցումն անհնար է, քանի որ ջերմային խանգարումն ակնթարթորեն տարածվում է բոլոր ուղղություններով՝ տաքացնելով փորձարարական պալատի պատերը և շրջակա միջավայրը։ Ստացված ջերմությունը արագ հեռանում է համակարգից, և անհնար է այն մեկուսացնել։
Եթե գազի շիթերը փոխարինվեն պլազմային հոսքերով, ապա ջերմամեկուսացման խնդիրը մնում է շատ բարդ, բայց կա նաև դրա լուծման հույս։
Ճիշտ է, պլազման չի կարող պաշտպանվել ջերմության կորստից նույնիսկ առավել հրակայուն նյութից պատրաստված անոթներով։ Կոշտ պատերի հետ շփվելիս տաք պլազման անմիջապես սառչում է։ Մյուս կողմից, կարելի է փորձել պահել և տաքացնել պլազման՝ ստեղծելով դրա կուտակումը վակուումում, որպեսզի այն չդիպչի խցիկի պատերին, այլ կախված լինի դատարկության մեջ՝ առանց որևէ բանի դիպչելու։ Այստեղ պետք է օգտվել այն հանգամանքից, որ պլազմայի մասնիկները չեզոք չեն, ինչպես գազի ատոմները, այլ էլեկտրական լիցքավորված։ Հետեւաբար, շարժման մեջ նրանք ենթարկվում են մագնիսական ուժերի գործողությանը: Խնդիրն առաջանում է. կազմակերպել հատուկ կոնֆիգուրացիայի մագնիսական դաշտ, որում տաք պլազման կախված կլինի, ինչպես անտեսանելի պատերով տոպրակի մեջ:
Նման դաշտի ամենապարզ ձևը ստեղծվում է ավտոմատ կերպով, երբ ուժեղ իմպուլսներ են անցնում պլազմայի միջով էլեկտրական հոսանք. Այս դեպքում պլազմայի թելի շուրջ առաջանում են մագնիսական ուժեր, որոնք հակված են սեղմել թելքը։ Պլազման բաժանվում է արտանետվող խողովակի պատերից, և ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև 2 միլիոն աստիճան՝ թելիկի առանցքի մոտ մասնիկների հոսքով:
Մեր երկրում նման փորձեր իրականացվել են դեռևս 1950 թվականին՝ ակադեմիկոս Ջ.Ի.-ի ղեկավարությամբ։ Ա.Արցիմովիչ և Մ.Ա.Լեոնտովիչ։
Փորձերի մեկ այլ ուղղություն մագնիսական շշի օգտագործումն է, որն առաջարկվել է 1952 թվականին խորհրդային ֆիզիկոս Գ. Ի. Բադքերի կողմից, այժմ ակադեմիկոս: Մագնիսական շիշը տեղադրվում է կորկտրոնի մեջ՝ գլանաձև վակուումային խցիկում, որը հագեցած է արտաքին ոլորունով, որը խիտ է խցիկի ծայրերում: Ընթացքը, որը հոսում է ոլորուն միջով, խցիկում ստեղծում է մագնիսական դաշտ: Նրա ուժային գծերը միջին մասում զուգահեռ են գլանի գեներատորներին, իսկ ծայրերում սեղմվում են և կազմում մագնիսական խցաններ։ Մագնիսական շշի մեջ ներարկվող պլազմայի մասնիկները պտտվում են ուժի գծերի շուրջ և արտացոլվում են խցաններից: Արդյունքում պլազման որոշ ժամանակ պահվում է շշի ներսում։ Եթե շշի մեջ մտցված պլազմայի մասնիկների էներգիան բավականաչափ բարձր է, և դրանք բավարար են, նրանք մտնում են բարդ ուժային փոխազդեցությունների մեջ, դրանց սկզբնական կարգավորված շարժումը խճճվում է, խանգարվում. ջրածնի միջուկների ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև տասնյակ միլիոնավոր աստիճաններ։ .
Լրացուցիչ ջեռուցումն իրականացվում է էլեկտրամագնիսական միջոցով<ударами>պլազմայի, մագնիսական դաշտի սեղմման և այլնի միջոցով: Այժմ ծանր ջրածնի միջուկների պլազման տաքացվում է մինչև հարյուր միլիոնավոր աստիճաններ: Ճիշտ է, դա կարելի է անել կամ կարճ ժամանակով, կամ ցածր պլազմայի խտությամբ:
Ինքնապահպանվող ռեակցիա առաջացնելու համար անհրաժեշտ է հետագայում բարձրացնել պլազմայի ջերմաստիճանը և խտությունը: Սա դժվար է հասնել: Սակայն խնդիրը, ինչպես համոզված են գիտնականները, անհերքելիորեն լուծելի է։

Գ.Բ. Անֆիլովը

Լուսանկարներ տեղադրելը և մեր կայքի հոդվածները այլ ռեսուրսների վրա հղում կատարելը թույլատրվում է աղբյուրին և լուսանկարներին հղում տրամադրելու պայմանով:

Ցանկացած ֆիզիկական մարմին, ներառյալ Տիեզերքի բոլոր առարկաները, ունեն նվազագույն ջերմաստիճանի ինդեքս կամ դրա սահմանը: Ցանկացած ջերմաստիճանի սանդղակի հենակետային կետի համար ընդունված է դիտարկել բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանների արժեքը: Բայց սա միայն տեսականորեն է։ Քաոսային շարժումատոմներն ու մոլեկուլները, որոնք այս պահին հրաժարվում են իրենց էներգիայից, գործնականում դեռ չեն դադարեցվել:

Սա է հիմնական պատճառը, թե ինչու հնարավոր չէ հասնել բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանի։ Այս գործընթացի հետեւանքների շուրջ դեռ վեճեր կան։ Թերմոդինամիկայի տեսանկյունից այս սահմանն անհասանելի է, քանի որ ատոմների և մոլեկուլների ջերմային շարժումն ամբողջությամբ դադարում է, և առաջանում է բյուրեղային ցանց։

Քվանտային ֆիզիկայի ներկայացուցիչները ապահովում են նվազագույն զրոյական տատանումների առկայությունը բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանում։

Ո՞րն է բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանի արժեքը և ինչու չի կարող հասնել դրան

Կշիռների և չափումների գլխավոր կոնֆերանսում առաջին անգամ ստեղծվել է ջերմաստիճանի ցուցիչները որոշող չափիչ գործիքների տեղեկանք կամ հղման կետ:

Ներկայումս միավորների միջազգային համակարգում Ցելսիուսի սանդղակի հղման կետը 0 ° C է սառչելիս և 100 ° C եռման գործընթացում, բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանների արժեքը հավասար է −273,15 ° C:

Օգտագործելով ջերմաստիճանի արժեքները Քելվինի սանդղակի համաձայն նույն Միջազգային միավորների համակարգի, եռացող ջուրը տեղի կունենա 99,975 ° C հղման արժեքով, բացարձակ զրոն հավասար է 0-ի: Ֆարենհեյթը սանդղակի վրա համապատասխանում է -459,67 աստիճանի:

Բայց, եթե այս տվյալները ստացվում են, ապա ինչու՞, ապա գործնականում անհնար է հասնել բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանի։ Համեմատության համար կարող ենք վերցնել բոլորին հայտնի լույսի արագությունը, որը հավասար է 1,079,252,848.8 կմ/ժ հաստատուն ֆիզիկական արժեքի։

Այնուամենայնիվ, այս արժեքը գործնականում հնարավոր չէ հասնել: Դա կախված է և՛ փոխանցման ալիքի երկարությունից, և՛ պայմաններից, և՛ մասնիկների կողմից մեծ քանակությամբ էներգիայի անհրաժեշտ կլանումից։ Բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանի արժեքը ստանալու համար անհրաժեշտ է էներգիայի մեծ վերադարձ և դրա աղբյուրների բացակայություն՝ կանխելու այն ատոմների և մոլեկուլների մուտքը:

Բայց նույնիսկ ամբողջական վակուումի պայմաններում գիտնականները չեն ստացել ոչ լույսի արագություն, ոչ էլ բացարձակ զրոյական ջերմաստիճան։

Ինչու է հնարավոր հասնել մոտավոր զրոյական ջերմաստիճանի, բայց ոչ բացարձակ

Ինչ կլինի, երբ գիտությունը մոտենա բացարձակ զրոյի ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանի հասնելուն, առայժմ մնում է միայն թերմոդինամիկայի և քվանտային ֆիզիկայի տեսության մեջ: Ինչն է պատճառը, որ գործնականում անհնար է հասնել բացարձակ զրոյի ջերմաստիճանի։

Էներգիայի առավելագույն կորստի պատճառով նյութը մինչև նվազագույն սահմանաչափը սառեցնելու բոլոր հայտնի փորձերը հանգեցրին նրան, որ նյութի ջերմային հզորության արժեքը նույնպես հասավ նվազագույն արժեքի: Մոլեկուլները պարզապես չեն կարողացել տալ մնացած էներգիան։ Արդյունքում սառեցման գործընթացը դադարեց մինչև բացարձակ զրոյի հասնելը։

Բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանի արժեքին մոտ գտնվող պայմաններում մետաղների վարքագիծն ուսումնասիրելիս գիտնականները պարզել են, որ ջերմաստիճանի առավելագույն նվազումը պետք է առաջացնի դիմադրության կորուստ։

Բայց ատոմների և մոլեկուլների շարժման դադարեցումը հանգեցրեց միայն բյուրեղային ցանցի ձևավորմանը, որի միջով անցնող էլեկտրոնները իրենց էներգիայի մի մասը փոխանցում էին անշարժ ատոմներին: Այն կրկին չկարողացավ հասնել բացարձակ զրոյի։

2003 թվականին բացարձակ զրոյից բացակայում էր 1°C-ի միայն կես միլիարդերորդ մասը: ՆԱՍԱ-ի հետազոտողները փորձեր անցկացնելու համար օգտագործել են Na մոլեկուլը, որը միշտ եղել է մագնիսական դաշտում և արձակել իր էներգիան։

Ամենամոտը եղել է Յեյլի համալսարանի գիտնականների ձեռքբերումը, որը 2014 թվականին հասել է 0,0025 Կելվինի ցուցանիշի։ Ստացված միացությունը ստրոնցիումի մոնոֆտորիդը (SrF) գոյություն է ունեցել ընդամենը 2,5 վայրկյան: Եվ ի վերջո, այն դեռ բաժանվեց ատոմների:

«Ջերմաստիճան» տերմինը հայտնվել է այն ժամանակ, երբ ֆիզիկոսները կարծում էին, որ տաք մարմինները կազմված են ավելինկոնկրետ նյութ - կալորիական - քան նույն մարմինները, բայց սառը: Իսկ ջերմաստիճանը մեկնաբանվել է որպես օրգանիզմում կալորիականության քանակին համապատասխան արժեք։ Այդ ժամանակից ի վեր ցանկացած մարմնի ջերմաստիճանը չափվում է աստիճաններով: Բայց իրականում դա շարժվող մոլեկուլների կինետիկ էներգիայի չափումն է, և դրա հիման վրա այն պետք է չափվի Ջուլերով՝ SI միավորների համակարգի համաձայն։

«Բացարձակ զրոյական ջերմաստիճան» հասկացությունը բխում է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքից։ Ըստ դրա՝ սառը մարմնից տաք մարմնին ջերմություն փոխանցելու գործընթացը անհնար է։ Այս հայեցակարգը ներկայացրել է անգլիացի ֆիզիկոս Վ.Թոմսոնը։ Ֆիզիկայի բնագավառում նվաճումների համար նրան շնորհվել է «Լորդ» ազնվական կոչում և «Բարոն Քելվին» կոչում։ 1848թ.-ին Վ. Թոմսոնը (Քելվին) առաջարկեց օգտագործել ջերմաստիճանի սանդղակ, որտեղ նա որպես մեկնարկային կետ վերցրեց ծայրահեղ ցրտին համապատասխանող բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանը, իսկ որպես բաժանման գին վերցրեց Ցելսիուսի աստիճանները: Կելվինի միավորը ջրի եռակի կետի ջերմաստիճանի 1/27316 է (մոտ 0 աստիճան C), այսինքն. ջերմաստիճանը, որի դեպքում մաքուր ջուրը գոյություն ունի միանգամից երեք ձևով՝ սառույց, հեղուկ ջուր և գոլորշու։ ջերմաստիճանը հնարավոր ամենացածր ցածր ջերմաստիճանն է, որի դեպքում մոլեկուլների շարժումը դադարում է, և այլևս անհնար է նյութից ջերմային էներգիա կորզել: Այդ ժամանակից ի վեր նրա անունով է կոչվում բացարձակ ջերմաստիճանի սանդղակը։

Ջերմաստիճանը չափվում է տարբեր սանդղակով

Առավել հաճախ օգտագործվող ջերմաստիճանի սանդղակը կոչվում է Ցելսիուսի սանդղակ: Այն կառուցված է երկու կետի վրա՝ ջրի հեղուկից գոլորշու և ջրի սառույցի փուլային անցման ջերմաստիճանի վրա։ Ա. Ցելսիուսը 1742թ.-ին առաջարկել է հենակետերի միջև հեռավորությունը բաժանել 100 ընդմիջումների և ջուրն ընդունել որպես զրո, մինչդեռ սառեցման կետը 100 աստիճան է: Բայց շվեդ Կ.Լիննեուսն առաջարկեց հակառակն անել։ Այդ ժամանակից ի վեր ջուրը սառչում է զրոյական աստիճանի A. Celsius-ի դեպքում: Թեեւ այն պետք է եփվի հենց Ցելսիուսում։ Ցելսիուսի բացարձակ զրոյին համապատասխանում է Ցելսիուսի մինուս 273,16 աստիճան:

Կան ևս մի քանի ջերմաստիճանի սանդղակներ՝ Fahrenheit, Réaumur, Rankine, Newton, Roemer: Նրանք ունեն տարբեր և գնային բաժանումներ։ Օրինակ, Réaumur սանդղակը նույնպես կառուցված է ջրի եռման և սառեցման չափանիշների վրա, բայց այն ունի 80 բաժանում: Ֆարենհեյթի սանդղակը, որը հայտնվել է 1724 թվականին, առօրյա կյանքում օգտագործվում է միայն աշխարհի որոշ երկրներում, այդ թվում՝ ԱՄՆ-ում; մեկը ջրի սառույցի խառնուրդի ջերմաստիճանն է՝ ամոնիակ, մյուսը՝ մարդու մարմնի ջերմաստիճանը։ Սանդղակը բաժանված է հարյուր բաժինների։ Ցելսիուսի զրոյին համապատասխանում է 32 աստիճանի փոխարկումը Ֆարենհայթի կարող է իրականացվել բանաձևով. F \u003d 1.8 C + 32: Հակադարձ թարգմանություն՝ C \u003d (F - 32) / 1.8, որտեղ՝ F - աստիճան Ֆարենհեյթ, C - աստիճան: Ցելսիուս։ Եթե դուք չափազանց ծույլ եք հաշվել, գնացեք Ցելսիուսից Ֆարենհայթի փոխակերպման առցանց ծառայություն: Վանդակում մուտքագրեք Ցելսիուսի աստիճանների թիվը, սեղմեք «Հաշվարկեք», ընտրեք «Ֆարենհայթ» և սեղմեք «Սկսել»: Արդյունքը անմիջապես կհայտնվի։

Անգլիացի (ավելի ճիշտ՝ շոտլանդացի) ֆիզիկոս Ուիլյամ Ջ. Ռանկինի անունով, ժամանակակիցՔելվինը և տեխնիկական թերմոդինամիկայի հիմնադիրներից մեկը։ Նրա սանդղակի մեջ կա երեք կարևոր կետ՝ սկիզբը բացարձակ զրո է, ջրի սառեցման կետը՝ 491,67 աստիճան Ռանկին, իսկ ջրի եռմանը՝ 671,67 աստիճան։ Ինչպես Ռանկինում, այնպես էլ Ֆարենհեյթում ջրի սառեցման և եռման միջև բաժանումների թիվը 180 է:

Այս կշեռքների մեծ մասն օգտագործվում է բացառապես ֆիզիկոսների կողմից: Եվ այս օրերին հարցված ամերիկյան ավագ դպրոցի աշակերտների 40%-ն ասել է, որ չգիտի, թե ինչ է բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանը: