Príbeh

Slovo „teplota“ vzniklo v čase, keď ľudia verili, že horúcejšie telá obsahujú väčšie množstvo špeciálnej látky – kalorickej, ako menej zahrievané. Preto bola teplota vnímaná ako sila zmesi telesných látok a kalórií. Z tohto dôvodu sa merné jednotky pre silu alkoholických nápojov a teplotu nazývajú rovnaké - stupne.

Z toho, že teplota je kinetická energia molekúl, je zrejmé, že najprirodzenejšie je ju merať v energetických jednotkách (t. j. v sústave SI v jouloch). Meranie teploty však začalo dávno pred vytvorením molekulárnej kinetickej teórie, takže praktické váhy merajú teplotu v konvenčných jednotkách – stupňoch.

Kelvinova stupnica

V termodynamike sa používa Kelvinova stupnica, v ktorej sa meria teplota od absolútna nula(stav zodpovedajúci minimu, ktoré je teoreticky možné vnútornej energie telo) a jeden kelvin sa rovná 1/273,16 vzdialenosti od absolútnej nuly po trojitý bod vody (stav, v ktorom sú ľad, voda a vodná para v rovnováhe). Boltzmannova konštanta sa používa na premenu kelvinov na energetické jednotky. Používajú sa aj odvodené jednotky: kilokelvin, megakelvin, milikelvin atď.

Celzia

V každodennom živote sa používa stupnica Celzia, v ktorej sa bod tuhnutia vody berie ako 0 a bod varu vody pri atmosférickom tlaku sa berie ako 100 °. Keďže bod tuhnutia a varu vody nie je dobre definovaný, stupnica Celzia je v súčasnosti definovaná pomocou stupnice Kelvin: stupne Celzia sa rovnajú Kelvinom, absolútna nula braná ako -273,15 °C. Celziova stupnica je prakticky veľmi pohodlná, keďže voda je na našej planéte veľmi bežná a náš život je na nej založený. Nula Celzia je pre meteorológiu špeciálny bod, keďže zamrznutie atmosférickej vody všetko výrazne mení.

Fahrenheita

V Anglicku a najmä v USA sa používa stupnica Fahrenheit. Táto stupnica je vydelená 100 stupňami od teploty najchladnejšej zimy v meste, kde žil Fahrenheit, po teplotu Ľudské telo. Nula stupňov Celzia je 32 stupňov Fahrenheita a stupeň Fahrenheita je 5/9 stupňov Celzia.

Súčasná definícia stupnice Fahrenheit je nasledovná: je to teplotná stupnica, ktorej 1 stupeň (1 °F) sa rovná 1/180 rozdielu medzi bodom varu vody a topením ľadu pri atmosférickom tlaku, a bod topenia ľadu je +32 °F. Teplota na stupnici Fahrenheita súvisí s teplotou na stupnici Celzia (t ° C) pomerom t ° C \u003d 5/9 (t ° F - 32), to znamená, že zmena teploty o 1 ° F zodpovedá na zmenu 5/9 °C. Navrhol G. Fahrenheit v roku 1724.

Reaumurova stupnica

Navrhol ho v roku 1730 R. A. Reaumur, ktorý opísal liehový teplomer, ktorý vynašiel.

Jednotka - stupeň Réaumur (°R), 1°R sa rovná 1/80 teplotného intervalu medzi referenčnými bodmi - teplota topiaceho sa ľadu (0°R) a vriacej vody (80°R)

1 °R = 1,25 °C.

V súčasnosti sa stupnica prestala používať, najdlhšie sa zachovala vo Francúzsku, v domovine autora.

Prevod teploty medzi hlavnými stupnicami
	Kelvin	Celzia	Fahrenheita
Kelvin (K)		C + 273,15	= (F + 459,67) / 1,8
Celzia (°C)	K − 273,15		= (F - 32) / 1,8
Fahrenheit (°F)	K 1,8 - 459,67	C 1,8 + 32

Porovnanie teplotných stupníc

Popis	Kelvin	Celzia	Fahrenheita	newton	Réaumur
Absolútna nula		−273.15	−459.67	−90.14	−218.52
Teplota topenia zmesi Fahrenheita (soľ a ľad v rovnakých množstvách)	255.37	−17.78		−5.87	−14.22
Bod tuhnutia vody (normálne podmienky)	273.15
Priemerná teplota ľudského tela ¹	310.0	36.8	98.2	12.21	29.6
Bod varu vody (normálne podmienky)	373.15
Povrchová teplota slnka	5800	5526	9980	1823	4421

¹ Normálna teplota ľudského tela je 36,6 °C ±0,7 °C alebo 98,2 °F ±1,3 °F. Bežne udávaná hodnota 98,6 °F je presným prepočtom Fahrenheita nemeckej hodnoty z 19. storočia 37 °C. Pretože táto hodnota je mimo normálneho teplotného rozsahu moderné nápady, môžeme povedať, že obsahuje nadmernú (nesprávnu) presnosť. Niektoré hodnoty v tejto tabuľke boli zaokrúhlené.

Porovnanie stupnice Fahrenheita a Celzia

(oF- stupnica Fahrenheita, o C- stupnica Celzia)

oF	oC		oF	oC		oF	oC		oF	oC
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

Na prevod stupňov Celzia na kelviny použite vzorec T=t+TO kde T je teplota v kelvinoch, t je teplota v stupňoch Celzia, T 0 =273,15 kelvinov. Stupeň Celzia sa rovná veľkosti Kelvina.

- 48,67 kb

Federálna štátna rozpočtová vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania

"Voronežská štátna pedagogická univerzita"

Katedra všeobecnej fyziky

na tému: "Absolútna nulová teplota"

Ukončil: študent 1. ročníka FMF,

PI, Kondratenko Irina Aleksandrovna

Kontroluje: asistentka katedry hl

fyzici Afonin G.V.

Voronež-2013

Úvod …………………………………………………………. 3

1.Absolútna nula………………………………………………...4

2.História……………………………………………………………… 6

3. Pozorované javy v blízkosti absolútnej nuly………..9

Záver……………………………………………………… 11

Zoznam použitej literatúry………………………………..12

Úvod

Vedci už dlhé roky atakujú teplotu absolútnej nuly. Ako viete, teplota rovnajúca sa absolútnej nule charakterizuje základný stav systému mnohých častíc – stav s najnižšou možnou energiou, pri ktorom atómy a molekuly vykonávajú takzvané „nulové“ vibrácie. Hlboké ochladzovanie blízko absolútnej nuly (predpokladá sa, že samotná absolútna nula je v praxi nedosiahnuteľná) teda otvára neobmedzené možnosti pre štúdium vlastností hmoty.

1. Absolútna nula

Teplota absolútnej nuly (zriedkavejšie - teplota absolútnej nuly) - minimálny teplotný limit, ktorý a fyzické telo vo Vesmíre. Absolútna nula slúži ako referenčný bod pre absolútnu teplotnú stupnicu, ako je Kelvinova stupnica. V roku 1954 X. generálna konferencia pre váhy a miery stanovila termodynamickú teplotnú stupnicu s jedným referenčným bodom - trojitým bodom vody, ktorej teplota je 273,16 K (presne), čo zodpovedá 0,01 ° C, takže na Celziovej stupnici absolútna nula zodpovedá teplote -273,15°C.

V rámci aplikovateľnosti termodynamiky je absolútna nula v praxi nedosiahnuteľná. Jeho existencia a poloha na teplotnej škále vyplýva z extrapolácie pozorovaných fyzikálnych javov, pričom takáto extrapolácia ukazuje, že pri absolútnej nule sa energia tepelného pohybu molekúl a atómov látky musí rovnať nule, teda chaotický pohyb častíc sa zastaví a vytvoria usporiadanú štruktúru zaujímajúcu jasnú polohu v uzloch kryštálovej mriežky (výnimkou je tekuté hélium). Avšak z pohľadu kvantová fyzika a pri absolútnej nulovej teplote sú nulové fluktuácie, ktoré sú spôsobené kvantovými vlastnosťami častíc a fyzikálnym vákuom, ktoré ich obklopuje.

Keďže teplota systému má tendenciu k absolútnej nule, jeho entropia, tepelná kapacita, koeficient tepelnej rozťažnosti majú tiež tendenciu k nule a chaotický pohyb častíc, ktoré tvoria systém, sa zastaví. Jedným slovom, hmota sa stáva supersubstanciou so supravodivosťou a supratekutou.

Teplota absolútnej nuly je v praxi nedosiahnuteľná a získanie teplôt, ktoré sa k nej čo najbližšie približujú, je zložitým experimentálnym problémom, ale už boli dosiahnuté teploty, ktoré sú od absolútnej nuly vzdialené len milióntiny stupňa. .

Nájdite hodnotu absolútnej nuly na stupnici Celzia tak, že objem V prirovnáme k nule a vezmeme do úvahy, že

Teplota absolútnej nuly je teda -273°C.

Toto je hraničná, najnižšia teplota v prírode, „najväčší alebo posledný stupeň chladu“, ktorého existenciu predpovedal Lomonosov.

Obr.1. Absolútna stupnica a stupnica Celzia

Jednotka SI absolútnej teploty sa nazýva kelvin (skrátene K). Preto sa jeden stupeň Celzia rovná jednému stupňu Kelvina: 1 °C = 1 K.

Absolútna teplota je teda derivačná veličina, ktorá závisí od Celziovej teploty a od experimentálne stanovenej hodnoty a. Má však zásadný význam.

Z hľadiska molekulárnej kinetickej teórie absolútna teplota súvisí s priemernou kinetickou energiou náhodného pohybu atómov alebo molekúl. Pri T = 0 K sa tepelný pohyb molekúl zastaví.

2. História

Fyzikálny pojem „teplota absolútnej nuly“ je pre modernú vedu veľmi dôležitý: s ním úzko súvisí taký pojem ako supravodivosť, ktorého objav v druhej polovici 20. storočia vyvolal veľký rozruch.

Aby sme pochopili, čo je absolútna nula, mali by sme sa odvolať na diela takých slávnych fyzikov ako G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac a W. Thomson. Práve oni zohrali kľúčovú úlohu pri vytváraní hlavných teplotných škál používaných dodnes.

Prvý, kto v roku 1714 ponúkol vlastnú teplotnú stupnicu, bol nemecký fyzik G. Fahrenheit. Zároveň bola teplota zmesi, ktorá obsahovala sneh a čpavok, braná ako absolútna nula, teda najnižší bod na tejto stupnici. Ďalším dôležitým ukazovateľom bola normálna teplota ľudského tela, ktorá sa začala rovnať 1000. Podľa toho sa každý diel tejto stupnice nazýval „stupeň Fahrenheita“ a samotná stupnica sa nazývala „stupnica Fahrenheita“.

Po 30 rokoch švédsky astronóm A. Celsius navrhol vlastnú teplotnú stupnicu, kde hlavnými bodmi bola teplota topenia ľadu a bod varu vody. Táto stupnica sa nazývala "stupnica Celzia", ​​je stále populárna vo väčšine krajín sveta vrátane Ruska.

V roku 1802 francúzsky vedec J. Gay-Lussac pri vykonávaní svojich slávnych experimentov zistil, že objem hmoty plynu pri konštantnom tlaku je priamo závislý od teploty. Najkurióznejšie však bolo, že keď sa teplota zmenila o 10 Celzia, objem plynu sa zväčšil alebo zmenšil o rovnakú hodnotu. Po vykonaní potrebných výpočtov Gay-Lussac zistil, že táto hodnota sa rovná 1/273 objemu plynu. Z tohto zákona vyplynul zrejmý záver: teplota rovnajúca sa -273 ° C je najnižšia teplota, dokonca ani pri jej priblížení nie je možné ju dosiahnuť. Táto teplota sa nazýva „teplota absolútnej nuly“. Absolútna nula sa navyše stala východiskom pre vytvorenie absolútnej teplotnej stupnice, na ktorej sa aktívne podieľal anglický fyzik W. Thomson, známy aj ako Lord Kelvin. Jeho hlavný výskum sa týkal dôkazu, že žiadne teleso v prírode nemôže byť ochladené pod absolútnu nulu. Zároveň aktívne využíval druhý termodynamický zákon, preto sa absolútna teplotná stupnica, ktorú zaviedol v roku 1848, začala nazývať termodynamická alebo Kelvinova stupnica. „absolútnej nuly“.

Obr.2. Vzťah medzi stupnicami teploty Fahrenheita (F), Celzia (C) a Kelvina (K).

Za zmienku tiež stojí, že absolútna nula hrá v sústave SI veľmi dôležitú úlohu. Ide o to, že v roku 1960 na nasledujúcej Generálnej konferencii pre váhy a miery sa jednotka termodynamickej teploty - kelvin - stala jednou zo šiestich základných jednotiek merania. Zároveň bolo konkrétne stanovené, že jeden stupeň Kelvina

sa číselne rovná jednému stupňu Celzia, len tu sa referenčný bod „podľa Kelvina“ považuje za absolútnu nulu.

Hlavným fyzikálnym významom absolútnej nuly je, že podľa základných fyzikálnych zákonov je pri takejto teplote energia pohybu elementárnych častíc, ako sú atómy a molekuly, rovná nule a v tomto prípade akýkoľvek chaotický pohyb práve tieto častice by sa mali zastaviť. Pri teplote rovnajúcej sa absolútnej nule by atómy a molekuly mali zaujať jasnú polohu v hlavných bodoch kryštálovej mriežky a vytvoriť tak usporiadaný systém.

V súčasnosti sa vedcom pomocou špeciálneho zariadenia podarilo získať teplotu len o niekoľko milióntín vyššiu ako absolútnu nulu. Je fyzikálne nemožné dosiahnuť túto hodnotu samotnú kvôli druhému zákonu termodynamiky.

3. Pozorované javy blízko absolútnej nuly

Pri teplotách blízkych absolútnej nule možno na makroskopickej úrovni pozorovať čisto kvantové efekty, ako napríklad:

1. Supravodivosť – vlastnosť niektorých materiálov mať striktne nulový elektrický odpor, keď dosiahnu teplotu pod určitú hodnotu (kritická teplota). Je známych niekoľko stoviek zlúčenín, čistých prvkov, zliatin a keramiky, ktoré prechádzajú do supravodivého stavu.

Supravodivosť je kvantový jav. Vyznačuje sa tiež Meissnerovým javom, ktorý spočíva v úplnom vytesnení magnetického poľa z objemu supravodiča. Existencia tohto efektu ukazuje, že supravodivosť nemožno opísať jednoducho ako ideálnu vodivosť v klasickom zmysle. Otvorenie v rokoch 1986-1993 množstvo vysokoteplotných supravodičov (HTSC) posunulo ďaleko teplotnú hranicu supravodivosti a umožnilo praktické využitie supravodivých materiálov nielen pri teplote tekutého hélia (4,2 K), ale aj pri teplote varu tekutého dusíka (77 K). ), oveľa lacnejšia kryogénna kvapalina.

2. Supratekutosť - schopnosť látky v špeciálnom stave (kvantová kvapalina), ktorá nastáva pri poklese teploty na absolútnu nulu (termodynamická fáza), pretekať úzkymi štrbinami a kapilárami bez trenia. Donedávna bola supratekutosť známa len pre tekuté hélium, ale v posledné roky supratekutosť bola objavená aj v iných systémoch: v riedených atómových Boseových kondenzátoch, pevnom héliu.

Supratekutosť je vysvetlená nasledovne. Keďže atómy hélia sú bozóny, kvantová mechanika umožňuje, aby bol ľubovoľný počet častíc v rovnakom stave. V blízkosti absolútnej nuly sú všetky atómy hélia v stave základnej energie. Keďže energia stavov je diskrétna, atóm nemôže prijať žiadnu energiu, ale iba takú, ktorá sa rovná energetickej medzere medzi susednými energetickými úrovňami. Ale pri nízkych teplotách môže byť energia kolízie menšia ako táto hodnota, v dôsledku čoho k rozptýleniu energie jednoducho nedôjde. Kvapalina bude prúdiť bez trenia.

3. Bose - Einsteinov kondenzát - stav agregácie látka na báze bozónov ochladená na teploty blízke absolútnej nule (menej ako milióntinu stupňa nad absolútnou nulou). V takomto silne vychladenom stave to stačí veľké číslo atómy sú v najnižších možných kvantových stavoch a kvantové efekty sa začínajú prejavovať na makroskopickej úrovni.

Záver

Štúdium vlastností hmoty blízkej absolútnej nule je predmetom veľkého záujmu vedy a techniky.

Mnohé vlastnosti látky, ktoré sú pri izbovej teplote zahalené tepelnými javmi (napríklad tepelný šum), sa začínajú prejavovať čoraz viac s klesajúcou teplotou, čo umožňuje študovať v čistej forme vzorce a vzťahy, ktoré sú vlastné danej látke. . Výskum v oblasti nízkych teplôt umožnil objaviť mnohé nové prírodné javy, ako napríklad supratekutosť hélia či supravodivosť kovov.

Pri nízkych teplotách sa vlastnosti materiálov dramaticky menia. Niektoré kovy zvyšujú svoju pevnosť, stávajú sa tvárnymi, iné sa stávajú krehkými, napríklad sklo.

Štúdium fyzikálno-chemických vlastností pri nízkych teplotách umožní v budúcnosti vytvárať nové látky s vopred určenými vlastnosťami. To všetko je veľmi cenné pre dizajn a konštrukciu kozmických lodí, staníc a prístrojov.

Je známe, že počas radarových štúdií kozmických telies je prijímaný rádiový signál veľmi malý a je ťažké ho odlíšiť od rôznych šumov. Molekulové oscilátory a zosilňovače, ktoré nedávno vytvorili vedci, pracujú pri veľmi nízkych teplotách, a preto majú veľmi nízku hladinu hluku.

Nízkoteplotné elektrické a magnetické vlastnosti kovy, polovodiče a dielektrika umožňujú vyvinúť zásadne nové rádiotechnické zariadenia mikroskopických rozmerov.

Extrémne nízke teploty sa využívajú na vytvorenie vákua potrebného napríklad na prevádzku obrích urýchľovačov jadrových častíc.

Bibliografia

1. http://wikipedia.org
2. http://rudocs.exdat.com
3. http://fb.ru

Stručný opis

Vedci už dlhé roky atakujú teplotu absolútnej nuly. Ako viete, teplota rovnajúca sa absolútnej nule charakterizuje základný stav systému mnohých častíc – stav s najnižšou možnou energiou, pri ktorom atómy a molekuly vykonávajú takzvané „nulové“ vibrácie. Hlboké ochladzovanie blízko absolútnej nuly (predpokladá sa, že samotná absolútna nula je v praxi nedosiahnuteľná) teda otvára neobmedzené možnosti pre štúdium vlastností hmoty.

Keď meteorologická správa predpovedá teploty okolo nuly, nemali by ste ísť na klzisko: ľad sa roztopí. Teplota topenia ľadu sa berie ako nula stupňov Celzia - najbežnejšia teplotná stupnica.
Dobre poznáme negatívne stupne Celziovej stupnice – stupne<ниже нуля>, stupne chladu. Najnižšia teplota na Zemi bola zaznamenaná v Antarktíde: -88,3°C. Mimo Zeme sú možné ešte nižšie teploty: na povrchu Mesiaca môže o lunárnej polnoci dosiahnuť -160 °C.
Ale nikde nemôžu byť svojvoľne nízke teploty. Extrémne nízka teplota - absolútna nula - na stupnici Celzia zodpovedá - 273,16 °.
Absolútna teplotná stupnica, Kelvinova stupnica, pochádza z absolútnej nuly. Ľad sa topí pri 273,16° Kelvina a voda vrie pri 373,16° K. Stupeň K sa teda rovná stupňu C. Ale na Kelvinovej stupnici sú všetky teploty kladné.
Prečo je 0°K hranicou chladu?
Teplo je chaotický pohyb atómov a molekúl hmoty. Pri ochladzovaní látky sa jej odoberá tepelná energia a v tomto prípade sa náhodný pohyb častíc oslabuje. V závere pri silnom chladení, tepelnom<пляска>častice sa takmer úplne zastaví. Atómy a molekuly by úplne zamrzli pri teplote, ktorá sa považuje za absolútnu nulu. Podľa zásad kvantová mechanika, pri absolútnej nule by sa zastavil práve tepelný pohyb častíc, ale samotné častice by nezamrzli, keďže nemôžu byť úplne v pokoji. Pri absolútnej nule si teda častice stále musia zachovať určitý druh pohybu, ktorý sa nazýva nula.

Ochladiť látku na teplotu pod absolútnu nulu je však nápad rovnako nezmyselný ako povedzme zámer<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Navyše aj dosiahnutie presnej absolútnej nuly je takmer nemožné. Môžete sa k nemu len priblížiť. Pretože absolútne všetku jej tepelnú energiu nemožno z látky žiadnymi prostriedkami odobrať. Časť tepelnej energie zostáva pri najhlbšom ochladení.
Ako dosahujú ultranízke teploty?
Zmrazenie látky je náročnejšie ako jej zahriatie. Vidno to aspoň z porovnania dizajnu sporáka a chladničky.
Vo väčšine domácich a priemyselných chladničiek sa teplo odvádza v dôsledku vyparovania špeciálnej kvapaliny - freónu, ktorá cirkuluje cez kovové rúrky. Tajomstvo spočíva v tom, že freón môže zostať v kvapalnom stave iba pri dostatočne nízkej teplote. V chladiacej komore sa vplyvom tepla komory zahrieva a vrie, pričom sa mení na paru. Para je však stlačená kompresorom, skvapalnená a vstupuje do výparníka, čím sa vyrovnáva strata odparujúceho sa freónu. Energia sa využíva na chod kompresora.
V hlbokochladiacich zariadeniach je nosičom chladu superstudená kvapalina – tekuté hélium. Bezfarebný, ľahký (8-krát ľahší ako voda), vrie pri atmosférickom tlaku pri 4,2 °K a vo vákuu pri 0,7 °K. Ešte nižšiu teplotu dáva svetelný izotop hélia: 0,3°K.
Je dosť ťažké zariadiť stálu héliovú chladničku. Výskum sa vykonáva jednoducho v kúpeľoch s tekutým héliom. A na skvapalnenie tohto plynu fyzici používajú rôzne techniky. Napríklad predchladené a stlačené hélium sa expanduje jeho uvoľnením cez tenký otvor do vákuovej komory. Zároveň sa teplota stále znižuje a časť plynu sa mení na kvapalinu. Je efektívnejšie nielen expandovať ochladený plyn, ale aj prinútiť ho pracovať - ​​pohybovať piestom.
Vzniknuté tekuté hélium sa skladuje v špeciálnych termoskách – Dewarových nádobách. Náklady na túto najchladnejšiu kvapalinu (jedinú, ktorá nezamrzne pri absolútnej nule) sú dosť vysoké. Napriek tomu sa tekuté hélium v ​​súčasnosti používa stále viac a viac, a to nielen vo vede, ale aj v rôznych technických zariadeniach.
Najnižšie teploty boli dosiahnuté iným spôsobom. Ukazuje sa, že molekuly niektorých solí, napríklad kamenca draselného a chrómu, sa môžu otáčať pozdĺž sily magnetické čiary. Táto soľ sa predbežne ochladí tekutým héliom na 1°K a umiestni sa do silného magnetického poľa. V tomto prípade sa molekuly otáčajú pozdĺž siločiar a uvoľnené teplo je odoberané kvapalným héliom. Potom sa magnetické pole prudko odstráni, molekuly sa opäť otočia rôznymi smermi a vyčerpajú sa

táto práca vedie k ďalšiemu ochladzovaniu soli. Získala sa tak teplota 0,001° K. Podobným spôsobom v princípe s použitím iných látok možno získať ešte nižšiu teplotu.
Najnižšia doteraz získaná teplota na Zemi je 0,00001°K.

Supratekutosť

Látka zmrazená na ultranízke teploty v tekutom héliovom kúpeli sa výrazne mení. Guma sa stáva krehkou, olovo sa stáva tvrdým ako oceľ a pružným, mnohé zliatiny zvyšujú pevnosť.

Samotné tekuté hélium sa správa zvláštnym spôsobom. Pri teplotách pod 2,2 °K získava pre bežné kvapaliny nevídanú vlastnosť - supratekutosť: časť úplne stráca viskozitu a preteká bez akéhokoľvek trenia najužšími štrbinami.
Tento jav, ktorý objavil v roku 1937 sovietsky fyzik akademik P. JI. Kapitsa, potom vysvetlil akademik JI. D. Landau.
Ukazuje sa, že pri ultranízkych teplotách začínajú citeľne ovplyvňovať kvantové zákony správania hmoty. Ako jeden z týchto zákonov vyžaduje, energia sa môže prenášať z tela do tela iba v celkom určitých množstvách - kvantách. V tekutom héliu je tak málo tepelných kvánt, že ich nie je dosť pre všetky atómy. Časť kvapaliny, zbavená tepelných kvánt, zostáva na absolútnej nulovej teplote, jej atómy sa vôbec nezúčastňujú náhodného tepelného pohybu a nijako neinteragujú so stenami nádoby. Táto časť (nazývaná hélium-H) má supratekutosť. S klesajúcou teplotou je hélium-II stále viac a viac a pri absolútnej nule by sa všetko hélium zmenilo na hélium-H.
Supratekutosť bola teraz veľmi podrobne študovaná a dokonca sa našla užitočná praktické využitie: s jeho pomocou je možné oddeliť izotopy hélia.

Supravodivosť

V blízkosti absolútnej nuly dochádza k mimoriadne kurióznym zmenám elektrických vlastností určitých materiálov.
V roku 1911 holandský fyzik Kamerling-Onnes urobil neočakávaný objav: ukázalo sa, že pri teplote 4,12 ° K elektrický odpor úplne zmizne v ortuti. Ortuť sa stáva supravodičom. Elektrický prúd indukovaný v supravodivom prstenci sa nerozpadá a môže prúdiť takmer navždy.
Nad takýmto prstencom sa bude supravodivá guľa vznášať vo vzduchu a nespadne ako z rozprávky.<гроб Магомета>, pretože jeho ťažkosť je kompenzovaná magnetickým odpudzovaním medzi prstencom a guľôčkou. Netlmený prúd v prstenci totiž vytvorí magnetické pole a to zas vyvolá v loptičke elektrický prúd a spolu s ním aj opačne smerované magnetické pole.
Okrem ortuti majú cín, olovo, zinok a hliník supravodivosť blízku absolútnej nule. Táto vlastnosť bola zistená v 23 prvkoch a viac ako stovke rôznych zliatin a iných chemických zlúčenín.
Teploty, pri ktorých sa objavuje supravodivosť (kritické teploty), sú v pomerne širokom rozsahu, od 0,35 °K (hafnium) do 18 °K (zliatina nióbu a cínu).
Fenomén supravodivosti, ako aj supravodivosti
plynulosť, podrobne študovaná. Zisťujú sa závislosti kritických teplôt od vnútornej štruktúry materiálov a vonkajšieho magnetického poľa. Bola vyvinutá hlboká teória supravodivosti (významný príspevok priniesol sovietsky vedec akademik N. N. Bogolyubov).
Podstata tohto paradoxného javu je opäť čisto kvantová. Pri ultranízkych teplotách vstupujú elektróny

supravodič tvorí systém párovo spojených častíc, ktoré nedokážu dodať energiu kryštálovej mriežke, míňať kvantá energie na jej ohrev. Dvojice elektrónov sa pohybujú podobne<танцуя>, medzi<прутьями решетки>- ióny a obísť ich bez kolízií a prenosu energie.
V technike sa čoraz viac využíva supravodivosť.
Do praxe sa dostávajú napríklad supravodivé solenoidy – supravodivé cievky ponorené do tekutého hélia. Raz indukovaný prúd a následne aj magnetické pole v nich môže byť uložený na ľubovoľne dlhý čas. Môže dosiahnuť gigantickú hodnotu – vyše 100 000 orerstedov. V budúcnosti sa nepochybne objavia výkonné priemyselné supravodivé zariadenia - elektromotory, elektromagnety atď.
V rádioelektronike začínajú hrať významnú úlohu ultracitlivé zosilňovače a generátory elektromagnetických vĺn, ktoré fungujú obzvlášť dobre v kúpeľoch s tekutým héliom - tam sa vnútorné<шумы>zariadení. V elektronickej výpočtovej technike sa sľubuje svetlá budúcnosť pre supravodivé spínače s nízkym výkonom - kryotróny (pozri čl.<Пути электроники>).
Nie je ťažké si predstaviť, aké lákavé by bolo posunúť prevádzku takýchto zariadení na vyššie, dostupnejšie teploty. Nedávno sa otvorila nádej na vytvorenie polymérových filmových supravodičov. Zvláštna povaha elektrickej vodivosti v takýchto materiáloch sľubuje skvelú príležitosť na udržanie supravodivosti aj pri izbových teplotách. Vedci vytrvalo hľadajú spôsoby, ako túto nádej zrealizovať.

V hlbinách hviezd

A teraz sa pozrime do ríše toho najhorúcejšieho na svete – do útrob hviezd. Kde teploty dosahujú milióny stupňov.
Chaotický tepelný pohyb hviezd je taký intenzívny, že tam nemôžu existovať celé atómy: ničia sa pri nespočetných zrážkach.
Preto látka tak silne zahriata nemôže byť ani pevná, ani kvapalná, ani plynná. Je v stave plazmy, t.j. je zmesou elektricky nabitých látok<осколков>atómy – atómové jadrá a elektróny.
Plazma je druh stavu hmoty. Keďže jeho častice sú elektricky nabité, citlivo poslúchajú elektrické a magnetické sily. Preto je tesná blízkosť dvoch atómových jadier (nesú kladný náboj) zriedkavým javom. Iba ak vysoké hustoty a obrovské teploty narážajúce na seba atómové jadrá schopný priblížiť sa. Vtedy prebiehajú termonukleárne reakcie – zdroj energie pre hviezdy.
Nám najbližšia hviezda – Slnko pozostáva najmä z vodíkovej plazmy, ktorá sa v útrobách hviezdy zahrieva až na 10 miliónov stupňov. Za takýchto podmienok dochádza k blízkym stretnutiam rýchlych vodíkových jadier - protónov, hoci je to zriedkavé. Niekedy prichádzajúce protóny interagujú: po prekonaní elektrického odpudzovania sa dostanú do sily obra jadrové sily príťažlivosť, rýchla<падают>navzájom a zlúčiť sa. Tu dochádza k okamžitému preskupeniu: namiesto dvoch protónov sa objaví deuterón (jadro ťažkého izotopu vodíka), pozitrón a neutríno. Uvoľnená energia je 0,46 milióna elektrónvoltov (Mev).
Každý jednotlivý slnečný protón môže vstúpiť do takejto reakcie v priemere raz za 14 miliárd rokov. Ale v útrobách svietidla je toľko protónov, že tu a tam dôjde k tejto nepravdepodobnej udalosti - a naša hviezda horí svojim rovnomerným, oslnivým plameňom.
Syntéza deuterónov je len prvým krokom k solárnym termonukleárnym transformáciám. Novonarodený deuterón sa veľmi skoro (v priemere po 5,7 sekundách) spojí s ďalším protónom. Je tu jadro z ľahkého hélia a gama kvantum elektromagnetického žiarenia. Uvoľní sa 5,48 MeV energie.
Napokon, v priemere raz za milión rokov sa dve jadrá ľahkého hélia môžu zblížiť a splynúť. Potom sa vytvorí obyčajné jadro hélia (častica alfa) a odštiepia sa dva protóny. Uvoľní sa 12,85 MeV energie.
Táto trojstupňová<конвейер>termonukleárne reakcie nie sú jediné. Existuje ďalší reťazec jadrových transformácií, rýchlejších. Zúčastňujú sa na ňom (bez toho, aby sa spotrebovali) atómové jadrá uhlíka a dusíka. Ale v oboch prípadoch sú častice alfa syntetizované z jadier vodíka. Obrazne povedané, slnečná vodíková plazma<сгорает>, mení sa na<золу>- héliová plazma. A v procese syntézy každého gramu héliovej plazmy sa uvoľní 175 tisíc kWh energie. Veľké množstvo!
Každú sekundu Slnko vyžiari 4 1033 ergov energie, pričom stratí 4 1012 g (4 milióny ton) hmoty. Celková hmotnosť Slnka je však 2 1027 ton. To znamená, že za milión rokov v dôsledku emisie žiarenia Slnko<худеет>iba jednu desaťmilióntinu svojej hmotnosti. Tieto čísla výrečne ilustrujú účinnosť termonukleárnych reakcií a gigantickú výhrevnosť slnečnej energie.<горючего>- vodík.
Termonukleárna fúzia sa zdá byť hlavným zdrojom energie pre všetky hviezdy. Pri rôznych teplotách a hustotách vnútorných hviezd prebiehajú rôzne typy reakcií. Najmä solárne<зола>- jadrá hélia - pri 100 miliónoch stupňov sa sám stáva termonukleárnym<горючим>. Potom sa z alfa častíc dajú syntetizovať ešte ťažšie atómové jadrá – uhlík a dokonca aj kyslík.
Podľa mnohých vedcov je celá naša Metagalaxia ako celok tiež ovocím termonukleárnej fúzie, ktorá prebiehala pri teplote miliardy stupňov (pozri čl.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Na umelé slnko

Výnimočný obsah kalórií termonukleárnych<горючего>prinútil vedcov, aby hľadali umelú implementáciu reakcií jadrovej fúzie.
<Горючего>Na našej planéte je veľa izotopov vodíka. Napríklad superťažký vodík trícium možno získať z kovového lítia v jadrových reaktoroch. A ťažký vodík – deutérium je súčasťou ťažkej vody, ktorú možno extrahovať z obyčajnej vody.
Ťažký vodík extrahovaný z dvoch pohárov obyčajnej vody by vo fúznom reaktore poskytol toľko energie, koľko teraz poskytuje spaľovanie suda prémiového benzínu.
Obtiažnosť spočíva v predhrievaní<горючее>na teploty, pri ktorých sa môže vznietiť mohutným termonukleárnym požiarom.
Tento problém bol prvýkrát vyriešený vo vodíkovej bombe. Izotopy vodíka sa tam zapália výbuchom atómová bomba, ktorý je sprevádzaný zahrievaním látky na mnoho desiatok miliónov stupňov. V jednej verzii vodíkovej bomby je termonukleárne palivo chemická zlúčeninaťažký vodík s ľahkým lítiom - deuterid ľahkého l a t a i. Tento biely prášok, podobný kuchynskej soli,<воспламеняясь>od<спички>, čo je atómová bomba, okamžite vybuchne a vytvorí teplotu stoviek miliónov stupňov.
Rozprúdiť pokoj termonukleárna reakcia, musíme sa najprv naučiť, ako bez služieb atómovej bomby zohriať malé dávky dostatočne hustej plazmy izotopov vodíka na teploty stoviek miliónov stupňov. Tento problém je jedným z najťažších v modernej aplikovanej fyzike. Vedci z celého sveta na ňom pracujú už dlhé roky.
Už sme si povedali, že práve chaotický pohyb častíc vytvára zahrievanie telies a priemerná energia ich náhodného pohybu zodpovedá teplote. Zahriať studené telo znamená vytvoriť túto poruchu akýmkoľvek spôsobom.
Predstavte si, že dve skupiny bežcov sa rýchlo rútia k sebe. Tak sa zrazili, pomiešali, začal sa dav, zmätok. Veľký neporiadok!
Približne rovnakým spôsobom sa fyzici najskôr pokúšali získať vysokú teplotu - tlačením vysokotlakových prúdov plynu. Plyn sa zahrial až na 10 tisíc stupňov. Svojho času to bol rekord: teplota je vyššia ako na povrchu Slnka.
Ale pri tejto metóde nie je možné ďalšie, dosť pomalé, nevýbušné zahrievanie plynu, pretože tepelná porucha sa okamžite šíri všetkými smermi a ohrieva steny experimentálnej komory a prostredie. Výsledné teplo rýchlo opúšťa systém a nie je možné ho izolovať.
Ak sú prúdy plynu nahradené prúdmi plazmy, problém tepelnej izolácie zostáva veľmi ťažký, ale existuje aj nádej na jeho riešenie.
Pravda, plazma nemôže byť chránená pred tepelnými stratami nádobami vyrobenými ani z tej najžiaruvzdornejšej látky. Pri kontakte s pevnými stenami sa horúca plazma okamžite ochladí. Na druhej strane sa možno pokúsiť zadržať a zohriať plazmu vytvorením jej akumulácie vo vákuu tak, aby sa nedotýkala stien komory, ale visela v prázdnote bez toho, aby sa čohokoľvek dotkla. Tu je potrebné využiť skutočnosť, že častice plazmy nie sú neutrálne ako atómy plynu, ale sú elektricky nabité. Preto v pohybe podliehajú pôsobeniu magnetických síl. Nastáva problém: usporiadať magnetické pole špeciálnej konfigurácie, v ktorej by horúca plazma visela ako vo vrecku s neviditeľnými stenami.
Najjednoduchšia forma takéhoto poľa sa vytvára automaticky, keď plazmou prechádzajú silné impulzy elektrický prúd. V tomto prípade sa okolo plazmového vlákna indukujú magnetické sily, ktoré majú tendenciu stláčať vlákno. Plazma sa oddeľuje od stien výbojky a teplota v blízkosti osi vlákna stúpne na 2 milióny stupňov v návale častíc.
U nás sa takéto pokusy robili už v roku 1950 pod vedením akademikov JI. A. Artsimovich a M.A. Leontovič.
Ďalším smerom experimentov je použitie magnetickej fľaše, ktorú v roku 1952 navrhol sovietsky fyzik G. I. Budker, dnes akademik. Magnetická fľaša je umiestnená v corktron - valcovej vákuovej komore vybavenej vonkajším vinutím, ktoré sa na koncoch komory zahusťuje. Prúd pretekajúci vinutím vytvára v komore magnetické pole. Jeho siločiary v strednej časti sú rovnobežné s tvoriacimi priamkami valca a na koncoch sú stlačené a tvoria magnetické zátky. Častice plazmy vstreknuté do magnetickej fľaše sa krútia okolo siločiar a odrážajú sa od zátok. Výsledkom je, že plazma sa nejaký čas udrží vo fľaši. Ak je energia častíc plazmy zavedená do fľaše dostatočne vysoká a je ich dostatok, vstupujú do zložitých silových interakcií, ich pôvodne usporiadaný pohyb sa zamotáva, je neusporiadaný - teplota jadier vodíka stúpa na desiatky miliónov stupňov .
Dodatočný ohrev je dosiahnutý elektromagnetickým<ударами>plazmou, kompresiou magnetického poľa atď. Teraz sa plazma jadier ťažkého vodíka zahrieva na stovky miliónov stupňov. Je pravda, že sa to dá urobiť buď krátkodobo, alebo pri nízkej hustote plazmy.
Na vybudenie samoudržiavacej reakcie je potrebné ďalej zvyšovať teplotu a hustotu plazmy. To je ťažké dosiahnuť. Problém je však, ako sú vedci presvedčení, nepopierateľne riešiteľný.

G.B. Anfilov

Uverejňovanie fotografií a citovanie článkov z našej stránky v iných zdrojoch je povolené za predpokladu, že je uvedený odkaz na zdroj a fotografie.

Každé fyzické telo, vrátane všetkých objektov vo vesmíre, má minimálny teplotný index alebo jeho limit. Pre referenčný bod akejkoľvek teplotnej stupnice je zvykom uvažovať s hodnotou teplôt absolútnej nuly. Ale to je len teoreticky. Chaotický pohyb atómov a molekúl, ktoré sa v tomto čase vzdávajú svojej energie, sa zatiaľ v praxi nepodarilo zastaviť.

To je hlavný dôvod, prečo nemožno dosiahnuť teploty absolútnej nuly. O dôsledkoch tohto procesu sa stále vedú spory. Z hľadiska termodynamiky je táto hranica nedosiahnuteľná, pretože tepelný pohyb atómov a molekúl sa úplne zastaví a vytvorí sa kryštálová mriežka.

Predstavitelia kvantovej fyziky zabezpečujú prítomnosť minimálnych oscilácií nulového bodu pri teplotách absolútnej nuly.

Aká je hodnota absolútnej nulovej teploty a prečo ju nemožno dosiahnuť

Na Generálnej konferencii pre váhy a miery bol po prvýkrát stanovený referenčný alebo referenčný bod pre meracie prístroje, ktoré určujú teplotné ukazovatele.

V súčasnosti je v medzinárodnom systéme jednotiek referenčným bodom pre stupnicu Celzia 0 ° C pri mrazení a 100 ° C počas procesu varu, hodnota absolútnej nulovej teploty sa rovná −273,15 ° C.

Použitím hodnôt teploty v Kelvinovej stupnici podľa rovnakého medzinárodného systému jednotiek bude vriaca voda pri referenčnej hodnote 99,975 ° C, absolútna nula sa rovná 0. Fahrenheit na stupnici zodpovedá -459,67 stupňom.

Ale ak sa tieto údaje získajú, prečo potom nie je možné v praxi dosiahnuť absolútne nulové teploty. Pre porovnanie si môžeme vziať každému známu rýchlosť svetla, ktorá sa rovná konštantnej fyzikálnej hodnote 1 079 252 848,8 km/h.

Túto hodnotu však nie je možné v praxi dosiahnuť. Závisí jednak od vlnovej dĺžky prenosu, jednak od podmienok a jednak od potrebnej absorpcie veľkého množstva energie časticami. Na získanie hodnoty teplôt absolútnej nuly je potrebná veľká návratnosť energie a absencia jej zdrojov, aby sa zabránilo jej vstupu do atómov a molekúl.

Ale ani v podmienkach úplného vákua vedci nezískali rýchlosť svetla ani absolútne nulové teploty.

Prečo je možné dosiahnuť približné nulové teploty, ale nie absolútne

Čo sa stane, keď sa veda dokáže priblížiť k dosiahnutiu extrémne nízkej teploty absolútnej nuly, zostáva zatiaľ len v teórii termodynamiky a kvantovej fyziky. Čo je dôvodom, prečo nie je možné v praxi dosiahnuť absolútne nulové teploty.

Všetky známe pokusy o ochladenie látky na najnižšiu medznú hranicu z dôvodu maximálnej straty energie viedli k tomu, že aj hodnota tepelnej kapacity látky dosiahla minimálnu hodnotu. Molekuly jednoducho neboli schopné dať zvyšok energie. V dôsledku toho sa proces chladenia zastavil pred dosiahnutím absolútnej nuly.

Pri štúdiu správania kovov v podmienkach blízkych hodnote absolútnej nuly vedci zistili, že maximálny pokles teploty by mal vyvolať stratu odolnosti.

Ale zastavenie pohybu atómov a molekúl viedlo len k vytvoreniu kryštálovej mriežky, cez ktorú prechádzajúce elektróny odovzdávali časť svojej energie nehybným atómom. Opäť sa nepodarilo dosiahnuť absolútnu nulu.

V roku 2003 k absolútnej nule chýbala len pol miliardtina 1°C. Výskumníci z NASA použili na uskutočnenie experimentov molekulu Na, ktorá bola vždy v magnetickom poli a vydávala svoju energiu.

Najbližší bol úspech vedcov z Yale University, ktorí v roku 2014 dosiahli ukazovateľ 0,0025 Kelvina. Výsledná zlúčenina monofluorid strontnatý (SrF) existoval iba 2,5 sekundy. A nakoniec sa to aj tak rozpadlo na atómy.

Pojem „teplota“ sa objavil v čase, keď si fyzici mysleli, že teplé telesá sa skladajú z viacšpecifická látka - kalorická - než tie isté telá, ale studené. A teplota bola interpretovaná ako hodnota zodpovedajúca množstvu kalórií v tele. Odvtedy sa teplota akéhokoľvek tela meria v stupňoch. V skutočnosti je to však miera kinetickej energie pohybujúcich sa molekúl a na základe toho by sa mala merať v jouloch v súlade so systémom jednotiek SI.

Pojem „teplota absolútnej nuly“ pochádza z druhého zákona termodynamiky. Proces prenosu tepla zo studeného telesa na horúce je podľa nej nemožný. Tento pojem zaviedol anglický fyzik W. Thomson. Za úspechy vo fyzike mu bol udelený šľachtický titul „Lord“ a titul „barón Kelvin“. V roku 1848 W. Thomson (Kelvin) navrhol použiť teplotnú stupnicu, v ktorej ako východiskový bod bral absolútnu nulovú teplotu zodpovedajúcu extrémnemu chladu a ako cenu divízie vzal stupne Celzia. Jednotkou Kelvina je 1/27316 teploty trojného bodu vody (asi 0 stupňov C), t.j. teplota, pri ktorej čistá voda existuje v troch formách naraz: ľad, tekutá voda a para. teplota je najnižšia možná nízka teplota, pri ktorej sa pohyb molekúl zastaví a z látky už nie je možné extrahovať tepelnú energiu. Odvtedy je po ňom pomenovaná absolútna teplotná stupnica.

Teplota sa meria na rôznych mierkach

Najčastejšie používaná teplotná stupnica sa nazýva Celziova stupnica. Je postavená na dvoch bodoch: na teplote fázového prechodu vody z kvapaliny na paru a vody na ľad. A. Celsius v roku 1742 navrhol rozdeliť vzdialenosť medzi referenčnými bodmi na 100 intervalov a brať vodu ako nulu, pričom bod mrazu je 100 stupňov. Ale Švéd K. Linné navrhol urobiť opak. Odvtedy voda zamŕza pri nula stupňoch A. Celzia. Hoci by mala vrieť presne v stupňoch Celzia. Absolútna nula v stupňoch Celzia zodpovedá mínus 273,16 stupňom Celzia.

Existuje niekoľko ďalších teplotných stupníc: Fahrenheit, Réaumur, Rankine, Newton, Roemer. Majú rôzne a cenové delenie. Napríklad Réaumurova stupnica je tiež postavená na meradlách varu a mrazenia vody, ale má 80 dielikov. Stupnica Fahrenheita, ktorá sa objavila v roku 1724, sa v každodennom živote používa iba v niektorých krajinách sveta vrátane USA; jednou je teplota zmesi vodného ľadu – čpavku a druhou je teplota ľudského tela. Stupnica je rozdelená na sto dielikov. Nula Celzia zodpovedá 32. Prevod stupňov na Fahrenheita je možné vykonať pomocou vzorca: F \u003d 1,8 C + 32. Spätný preklad: C \u003d (F - 32) / 1,8, kde: F - stupne Fahrenheita, C - stupne Celzia. Ak ste príliš leniví počítať, prejdite na online službu prepočtu stupňov Celzia na Fahrenheita. Do poľa zadajte počet stupňov Celzia, kliknite na „Vypočítať“, vyberte „Fahrenheit“ a kliknite na „Štart“. Výsledok sa dostaví okamžite.

Pomenovaný po anglickom (presnejšie škótskom) fyzikovi Williamovi J. Rankinovi, súčasný Kelvin a jeden zo zakladateľov technickej termodynamiky. V jeho stupnici sú tri dôležité body: začiatok je absolútna nula, bod tuhnutia vody je 491,67 stupňov Rankine a bod varu vody je 671,67 stupňov. Počet delení medzi zamrznutím vody a jej varom v Rankine a Fahrenheite je 180.

Väčšinu týchto mierok používajú výlučne fyzici. A 40 % opýtaných amerických stredoškolákov v týchto dňoch uviedlo, že nevedia, čo je teplota absolútnej nuly.