Absoluutne null vastab temperatuurile –273,15 °C.
Arvatakse, et absoluutne null on praktikas saavutamatu. Selle olemasolu ja asukoht temperatuuriskaalal tuleneb vaadeldava ekstrapoleerimisest füüsikalised nähtused, samas kui selline ekstrapoleerimine näitab, et absoluutses nullis peaks aine molekulide ja aatomite soojusliikumise energia olema võrdne nulliga, see tähendab, et osakeste kaootiline liikumine peatub ja nad moodustavad järjestatud struktuuri, hõivates selge asukoha. kristallvõre sõlmed. Kuid tegelikult säilivad isegi absoluutse nulltemperatuuri korral aine moodustavate osakeste korrapärased liikumised. Ülejäänud võnkumised, näiteks nullpunkti võnkumised, on tingitud osakeste kvantomadustest ja neid ümbritsevast füüsikalisest vaakumist.
Praegu on füüsikalistes laborites olnud võimalik saavutada absoluutset nulli ületavaid temperatuure vaid mõne miljondik kraadi võrra; seda ise saavutada termodünaamika seaduste järgi on võimatu.
Märkmed
Kirjandus
- G. Burmin. Torm absoluutne null. - M.: "Lastekirjandus", 1983.
Vaata ka
Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.
Vaadake, mis on "absoluutne null" teistes sõnaraamatutes:
ABSOLUUTNE NULL, temperatuur, mille juures süsteemi kõikidel komponentidel on KVANTMEHAANIKA seadustega lubatud kõige väiksem energiahulk; null Kelvini temperatuuriskaalal ehk 273,15°C (459,67° Fahrenheiti järgi). Sellel temperatuuril... Teaduslik ja tehniline entsüklopeediline sõnastik
Temperatuur on minimaalne temperatuuripiirang, mis võib olla füüsiline keha. Absoluutne null on absoluutse temperatuuriskaala, näiteks Kelvini skaala, lähtepunktiks. Celsiuse skaalal vastab absoluutne null temperatuurile –273 ... Wikipedia
ABSOLUUTNE NULLTEMPERATUUR- termodünaamilise temperatuuriskaala algus; mis asub 273,16 K (Kelvin) allpool (vt) vett, s.o. võrdne 273,16 °C (Celsiuse järgi). Absoluutne null on madalaim temperatuur looduses ja praktiliselt kättesaamatu... Suur polütehniline entsüklopeedia
See on minimaalne temperatuuripiir, mis füüsilisel kehal võib olla. Absoluutne null on absoluutse temperatuuriskaala, näiteks Kelvini skaala, lähtepunktiks. Celsiuse skaalal vastab absoluutne null temperatuurile –273,15 °C.... ... Wikipedia
Absoluutne nulltemperatuur on minimaalne temperatuuripiir, mis füüsilisel kehal võib olla. Absoluutne null on absoluutse temperatuuriskaala, näiteks Kelvini skaala, lähtepunktiks. Celsiuse skaalal vastab absoluutne null... ... Wikipediale
Razg. Tähelepanuta jäetud Ebaoluline, tähtsusetu inimene. FSRY, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 ...
null- absoluutne null… Vene idioomide sõnastik
Null ja null nimisõna, m., kasutatud. võrdlema sageli Morfoloogia: (ei) mida? null ja null, miks? null ja null, (vaata) mida? null ja null, mis? null ja null, kuidas on? umbes null, null; pl. Mida? nullid ja nullid, (ei) mis? nullid ja nullid, miks? nullid ja nullid, (ma näen)…… Sõnastik Dmitrijeva
Absoluutne null (null). Razg. Tähelepanuta jäetud Ebaoluline, tähtsusetu inimene. FSRY, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 V null. 1. Jarg. nad ütlesid Nalja tegemine. raud. Raske joobeseisundi kohta. Juganovs, 471; Vakhitov 2003, 22. 2. Žarg. muusika Täpselt, täielikus kooskõlas ... ... Suur sõnaraamat Vene ütlused
absoluutne- absoluutne absurd, absoluutne autoriteet, absoluutne laitmatus, absoluutne korralagedus, absoluutne väljamõeldis, absoluutne puutumatus, absoluutne juht, absoluutne miinimum, absoluutne monarh, absoluutne moraal, absoluutne null… Vene idioomide sõnastik
Raamatud
- Absoluutne null, absoluutne Pavel. Nes'i rassi hullu teadlase kogu loomingu eluiga on väga lühike. Kuid järgmisel katsel on võimalus eksisteerida. Mis teda ees ootab?...
Kui ilmateade ennustab nullilähedast temperatuuri, siis uisuväljakule ei tasu minna: jää sulab. Jää sulamistemperatuuriks on võetud null kraadi Celsiuse järgi, mis on kõige levinum temperatuuriskaala.
Oleme väga tuttavad negatiivsete Celsiuse kraadide skaalaga – kraadidega<ниже
нуля>, külmakraadid. Madalaim temperatuur Maal registreeriti Antarktikas: -88,3°C. Väljaspool Maad on võimalik isegi madalam temperatuur: Kuu pinnal võib Kuu keskööl ulatuda -160°C.
Kuid suvaliselt madalaid temperatuure ei saa kuskil eksisteerida. Äärmiselt madal temperatuur – absoluutne null – vastab Celsiuse skaalal temperatuurile – 273,16°.
Absoluutne temperatuuriskaala, Kelvini skaala, pärineb absoluutsest nullist. Jää sulab temperatuuril 273,16 °K ja vesi keeb temperatuuril 373,16 °K. Seega on K-kraad võrdne kraadiga C. Kuid Kelvini skaalal on kõik temperatuurid positiivsed.
Miks on 0°K külmapiir?
Soojus on aine aatomite ja molekulide kaootiline liikumine. Aine jahutamisel eemaldatakse sellest soojusenergia ja osakeste juhuslik liikumine nõrgeneb. Lõpuks tugeva jahutusega termiline<пляска>osakesed peatuvad peaaegu täielikult. Aatomid ja molekulid külmuksid täielikult temperatuuril, mida peetakse absoluutseks nulliks. Vastavalt põhimõtetele kvantmehaanika, absoluutses nullis lakkaks osakeste soojusliikumine, kuid osakesed ise ei külmuks, kuna nad ei saa olla täielikus puhkeolekus. Seega peavad osakesed absoluutses nullis siiski säilitama mingisuguse liikumise, mida nimetatakse nullliikumiseks.
Aine jahutamine temperatuurini alla absoluutse nulli on aga sama mõttetu idee kui näiteks kavatsus<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Pealegi on isegi täpse absoluutse nulli saavutamine peaaegu võimatu. Sa saad talle ainult lähemale jõuda. Sest mingil juhul ei saa te ainelt absoluutselt kogu soojusenergiat ära võtta. Osa soojusenergiast jääb kõige sügavamale jahtumisele.
Kuidas saavutate ülimadala temperatuuri?
Aine külmutamine on keerulisem kui kuumutamine. Seda on näha isegi pliidi ja külmkapi disaini võrdlusest.
Enamikus majapidamis- ja tööstuslikes külmikutes eemaldatakse kuumus spetsiaalse vedeliku - freooni - aurustumise tõttu, mis ringleb läbi metalltorude. Saladus seisneb selles, et freoon võib vedelas olekus püsida ainult piisavalt madalal temperatuuril. Külmkapis kuumeneb see kambri kuumuse tõttu ja keeb, muutudes auruks. Kuid aur surub kompressor kokku, vedeldub ja siseneb aurustisse, täiendades aurustunud freooni kadu. Kompressori tööks kulub energiat.
Sügavjahutusseadmetes on külmakandjaks ülikülm vedelik – vedel heelium. Värvitu, kerge (8 korda kergem kui vesi), see keeb all atmosfääri rõhk temperatuuril 4,2 °K ja vaakumis temperatuuril 0,7 °K. Veelgi madalama temperatuuri annab heeliumi kerge isotoop: 0,3°K.
Püsiva heeliumi külmiku seadistamine on üsna keeruline. Uuringud viiakse läbi lihtsalt vedela heeliumiga vannides. Ja selle gaasi veeldamiseks kasutavad füüsikud erinevaid tehnikaid. Näiteks eeljahutatud ja kokkupressitud heelium paisutatakse, lastakse läbi õhukese augu vaakumkambrisse. Samal ajal langeb temperatuur veelgi ja osa gaasist muutub vedelaks. Tõhusam on mitte ainult jahutatud gaasi laiendada, vaid ka sundida seda tegema - kolvi liigutama.
Saadud vedelat heeliumi hoitakse spetsiaalsetes termostes - Dewari kolbides. Selle väga külma vedeliku (ainsa, mis absoluutse nulli juures ei külmu) maksumus osutub üsna kõrgeks. Sellest hoolimata kasutatakse vedelat heeliumi tänapäeval üha laiemalt mitte ainult teaduses, vaid ka erinevates tehnilistes seadmetes.
Madalaimad temperatuurid saavutati teistmoodi. Selgub, et mõnede soolade, näiteks kaaliumkroommaarja molekulid võivad pöörlema mööda magnetilisi jõujooni. See sool eeljahutatakse vedela heeliumiga temperatuurini 1°K ja asetatakse tugevasse magnetvälja. Sel juhul pöörlevad molekulid mööda jõujooni ja eralduv soojus võetakse vedela heeliumiga ära. Seejärel eemaldatakse järsult magnetväli, molekulid pöörduvad uuesti erinevatesse suundadesse ja kulutatud
See töö viib soola edasise jahutamiseni. Nii saime temperatuuriks 0,001° K. Põhimõtteliselt sarnast meetodit kasutades, kasutades teisi aineid, saame veelgi madalama temperatuuri.
Madalaim temperatuur seni Maal on 0,00001° K.
Vedela heeliumivannides ülimadala temperatuurini külmunud aine muutub märgatavalt. Kumm muutub rabedaks, plii muutub kõvaks nagu teras ja elastseks, paljud sulamid suurendavad tugevust.
Vedel heelium ise käitub omapäraselt. Temperatuuril alla 2,2° K omandab see tavaliste vedelike jaoks enneolematu omaduse – ülivoolavuse: osa sellest kaotab täielikult viskoossuse ja voolab hõõrdumiseta läbi kitsaimate pragude.
See nähtus avastati 1937. aastal. Nõukogude füüsik Akadeemik P. JI. Kapitsa, selgitas seejärel akadeemik JI. D. Landau.
Selgub, et koos üle madalad temperatuurid Aine käitumise kvantseadused hakkavad avaldama märgatavat mõju. Nagu üks neist seadustest nõuab, saab energiat kehast kehasse üle kanda ainult täpselt määratletud osadena – kvantidena. Vedelas heeliumis on nii vähe soojuskvante, et kõigi aatomite jaoks ei jätku neid. Soojuskvantideta osa vedelikust jääb justkui absoluutsele nulltemperatuurile, selle aatomid ei osale üldse juhuslikus soojusliikumises ega interakteeru mingil viisil anuma seintega. Sellel osal (seda nimetati heelium-H-ks) on ülivoolavus. Temperatuuri langedes muutub heelium-P üha enam ja absoluutse nulli korral muutuks kogu heelium heelium-H-ks.
Superfluidsust on nüüd väga põhjalikult uuritud ja see on osutunud isegi kasulikuks praktiline kasutamine: selle abil on võimalik eraldada heeliumi isotoope.
Absoluutse nulli lähedal toimuvad mõnede materjalide elektrilistes omadustes äärmiselt huvitavad muutused.
1911. aastal tegi Hollandi füüsik Kamerlingh Onnes ootamatu avastuse: selgus, et temperatuuril 4,12 °K kaob elavhõbeda elektritakistus täielikult. Elavhõbedast saab ülijuht. Ülijuhtivas rõngas indutseeritud elektrivool ei sure välja ja võib voolata peaaegu igavesti.
Sellise rõnga kohal hõljub ülijuhtiv pall õhus ega kuku, nagu muinasjutt<гроб Магомета>, sest selle gravitatsiooni kompenseerib rõnga ja kuuli vaheline magnetiline tõukejõud. Lõppkokkuvõttes tekitab rõngas pidev vool magnetvälja ja see omakorda indutseerib kuulis elektrivoolu ja koos sellega vastupidise magnetvälja.
Lisaks elavhõbedale on tina, plii, tsingi ja alumiiniumi ülijuhtivus absoluutse nulli lähedal. Seda omadust on leitud 23 elemendist ja enam kui sajast erinevast sulamist ja muust keemilisest ühendist.
Temperatuurid, mille juures ülijuhtivus ilmneb (kriitilised temperatuurid), hõlmavad üsna laia vahemikku – 0,35° K (hafnium) kuni 18° K (nioobium-tina sulam).
Ülijuhtivuse nähtus, nagu ülijuhtivus
voolavust on üksikasjalikult uuritud. Kriitiliste temperatuuride sõltuvused sisemine struktuur materjalid ja väline magnetväli. Töötati välja sügav ülijuhtivuse teooria (olulise panuse andis Nõukogude teadlane akadeemik N. N. Bogolyubov).
Selle paradoksaalse nähtuse olemus on jällegi puhtalt kvant. Ülimadalatel temperatuuridel sisenevad elektronid
ülijuhid moodustavad paarikaupa seotud osakeste süsteemi, mis ei saa anda kristallvõrele energiat ega raisata selle kuumutamisel energiakvante. Elektronide paarid liiguvad justkui<танцуя>, vahel<прутьями решетки>- ioone ja mööduda neist ilma kokkupõrgete ja energiaülekandeta.
Ülijuhtivust kasutatakse tehnoloogias üha enam.
Praktikas kasutatakse näiteks ülijuhtivaid solenoide – vedelasse heeliumisse sukeldatud ülijuhi pooli. Kord indutseeritud voolu ja sellest tulenevalt ka magnetvälja saab neis säilitada nii kaua, kui soovitakse. See võib ulatuda hiiglaslikule suurusele - üle 100 000 oerstedi. Tulevikus ilmuvad kahtlemata võimsad tööstuslikud ülijuhtivad seadmed - elektrimootorid, elektromagnetid jne.
Raadioelektroonikas olulist rolli hakkavad mängima ülitundlikud võimendid ja ostsillaatorid elektromagnetlained, mis töötavad eriti hästi vedela heeliumiga vannides - seal sisemine<шумы>varustus. Elektroonilises andmetöötlustehnoloogias lubatakse väikese võimsusega ülijuhtivatele lülititele - krüotronidele hiilgavat tulevikku (vt art.<Пути электроники>).
Pole raske ette kujutada, kui ahvatlev oleks selliste seadmete tööd kõrgemate ja paremini ligipääsetavate temperatuuride piirkonda viia. IN Hiljuti avaneb lootus luua polümeerkile ülijuhte. Elektrijuhtivuse omapärane olemus sellistes materjalides tõotab suurepärase võimaluse säilitada ülijuhtivus isegi toatemperatuurid. Teadlased otsivad järjekindlalt võimalusi selle lootuse realiseerimiseks.
Ja nüüd vaatame maailma kuumima asja valdkonda – tähtede sügavustesse. Kus temperatuur ulatub miljonite kraadideni.
Juhuslik soojusliikumine tähtedes on nii intensiivne, et terveid aatomeid seal eksisteerida ei saa: need hävivad lugematutes kokkupõrgetes.
Nii kuum aine ei saa seetõttu olla ei tahke, vedel ega gaasiline. See on plasma olekus, st elektriliselt laetud segu<осколков>aatomid – aatomituumad ja elektronid.
Plasma on ainulaadne aine olek. Kuna selle osakesed on elektriliselt laetud, on nad tundlikud elektri- ja magnetjõudude suhtes. Seetõttu on kahe aatomituuma lähedus (need kannavad positiivne laeng) on haruldane nähtus. Ainult kui kõrge tihedusega ja tohutul temperatuuril on üksteisega põrkuvad aatomituumad võimelised lähenema üksteisele lähedale. Seejärel toimuvad termotuumareaktsioonid – tähtede energiaallikas.
Meile lähim täht Päike koosneb peamiselt vesinikplasmast, mis kuumutatakse tähe soolestikus 10 miljoni kraadini. Sellistes tingimustes toimuvad kiirete vesiniku tuumade – prootonite – tihedad kohtumised, kuigi harvad. Mõnikord interakteeruvad lähedased prootonid: olles ületanud elektrilise tõukejõu, langevad nad kiiresti hiiglaslike tuumatõmbejõudude võimu alla<падают>üksteise peale ja ühinevad. Siin toimub hetkeline ümberstruktureerimine: kahe prootoni asemel ilmuvad deuteron (raske vesiniku isotoobi tuum), positroon ja neutriino. Vabanev energia on 0,46 miljonit elektronvolti (MeV).
Iga päikeseprooton võib sellisesse reaktsiooni astuda keskmiselt kord 14 miljardi aasta jooksul. Kuid valguse sisikonnas on nii palju prootoneid, et siin-seal juhtub see ebatõenäoline sündmus - ja meie täht põleb oma ühtlase pimestava leegiga.
Deuteroonide süntees on päikeseenergia termotuumamuutuste esimene samm. Vastsündinud deuteron ühineb väga kiiresti (keskmiselt 5,7 sekundi pärast) teise prootoniga. Ilmub kerge heeliumi tuum ja gammakiir elektromagnetiline kiirgus. Vabaneb 5,48 MeV energiat.
Lõpuks, keskmiselt kord miljoni aasta jooksul võivad kaks kerget heeliumi tuuma koonduda ja ühineda. Seejärel moodustub tavalise heeliumi tuum (alfaosake) ja kaks prootonit jagunevad. Vabaneb 12,85 MeV energiat.
See kolmeastmeline<конвейер>termotuumareaktsioonid pole ainsad. On veel üks tuumatransformatsioonide ahel, kiiremad. Selles osalevad (ilma tarbimata) süsiniku ja lämmastiku aatomituumad. Kuid mõlema variandi puhul sünteesitakse alfaosakesed vesiniku tuumadest. Piltlikult öeldes Päikese vesinikplasma<сгорает>, muutudes<золу>- heeliumi plasma. Ja iga heeliumiplasma grammi sünteesi käigus vabaneb 175 tuhat kWh energiat. Suurepärane summa!
Igas sekundis kiirgab Päike 41033 ergit energiat, kaotades 41012 g (4 miljonit tonni) ainet. Kuid Päikese kogumass on 21027 tonni.See tähendab, et miljoni aasta pärast on Päike tänu kiirgusele<худеет>vaid üks kümnemiljonik selle massist. Need arvud illustreerivad kõnekalt termotuumareaktsioonide tõhusust ja päikeseenergia hiiglaslikku kütteväärtust.<горючего>- vesinik.
Termotuumasüntees on ilmselt kõigi tähtede peamine energiaallikas. Tähtede sisemuse erinevatel temperatuuridel ja tihedustel toimuvad erinevat tüüpi reaktsioonid. Eelkõige päikeseenergia<зола>-heeliumi tuumad - 100 miljoni kraadi juures muutub see ise termotuumaliseks<горючим>. Siis saab alfaosakestest sünteesida isegi raskemaid aatomituumasid – süsinikku ja isegi hapnikku.
Paljude teadlaste sõnul on kogu meie metagalaktika tervikuna ka termotuumasünteesi vili, mis toimus miljardikraadisel temperatuuril (vt art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Termotuuma erakordne kütteväärtus<горючего>ajendas teadlasi saavutama tuumasünteesi reaktsioonide kunstliku rakendamise.
<Горючего>- Meie planeedil on palju vesiniku isotoope. Näiteks ülirasket vesiniktriitiumi saab toota metallist liitiumist tuumareaktorites. Ja raske vesinik – deuteerium on osa raskest veest, mida saab ekstraheerida tavaline vesi.
Kahest klaasist tavalisest veest eraldatud raske vesinik toodaks termotuumareaktoris sama palju energiat, kui praegu toodetakse esmaklassilise bensiini barreli põletamisel.
Raskus on eelsoojendamine<горючее>temperatuurini, mille juures see võib süttida võimsa termotuumatulega.
See probleem lahendati esmakordselt vesinikupommis. Sealsed vesiniku isotoobid süttivad plahvatusel aatompomm, millega kaasneb aine kuumenemine mitmekümne miljoni kraadini. Ühes vesinikupommi versioonis on termotuumakütus keemiline ühend raske vesinik kerge liitiumiga - kerge liitiumdeuteriid. See lauasoola sarnane valge pulber,<воспламеняясь>alates<спички>, mis on aatomipomm, plahvatab hetkega ja tekitab sadade miljonite kraadide temperatuuri.
Rahumeelse termotuumareaktsiooni käivitamiseks tuleb kõigepealt õppida, kuidas kuumutada väikeseid doose piisavalt tihedat vesiniku isotoopide plasmat sadade miljonite kraadide temperatuurini ilma aatomipommi abita. See probleem on tänapäeva rakendusfüüsikas üks keerulisemaid. Teadlased üle maailma on selle kallal töötanud juba aastaid.
Oleme juba öelnud, et osakeste kaootiline liikumine tekitab kehade kuumenemise ja nende juhusliku liikumise keskmine energia vastab temperatuurile. Külma keha soojendamine tähendab selle häire tekitamist mis tahes viisil.
Kujutage ette kahte gruppi jooksjaid, kes üksteise poole tormavad. Nii nad põrkasid kokku, läksid segamini, algas muljumine ja segadus. Suur segadus!
Umbes samamoodi püüdsid füüsikud algselt saavutada kõrgeid temperatuure – gaasijugasid kokku põrgades. kõrgsurve. Gaas soojenes kuni 10 tuhande kraadini. Omal ajal oli see rekord: temperatuur oli kõrgem kui Päikese pinnal.
Kuid selle meetodi abil on gaasi edasine, üsna aeglane, mitteplahvatuslik kuumutamine võimatu, kuna termiline häire levib koheselt igas suunas, soojendades katsekambri seinu ja keskkonda. Saadud soojus lahkub süsteemist kiiresti ja seda pole võimalik isoleerida.
Kui gaasijoad asendada plasmavooludega, jääb soojapidavuse probleem väga keeruliseks, kuid lootust on ka selle lahendamiseks.
Tõsi, plasmat ei saa soojuskadude eest kaitsta ka kõige tulekindlamast ainest valmistatud anumad. Kokkupuutel tahkete seintega jahtub kuum plasma koheselt maha. Kuid võite proovida plasmat hoida ja soojendada, luues selle akumuleerumise vaakumis, nii et see ei puuduta kambri seinu, vaid ripub tühjuses, mitte midagi puudutamata. Siin tuleks ära kasutada asjaolu, et plasmaosakesed ei ole neutraalsed, nagu gaasiaatomid, vaid elektriliselt laetud. Seetõttu puutuvad nad liikumisel kokku magnetjõududega. Tekib ülesanne: luua erikonfiguratsiooniga magnetväli, milles kuum plasma ripuks justkui nähtamatute seintega kotis.
Lihtsaim vorm Seda tüüpi energia tekib automaatselt, kui tugevad impulsid lastakse läbi plasma elektrivool. Sel juhul indutseeritakse plasmajuhtme ümber magnetjõud, mis kipuvad juhet kokku suruma. Plasma eraldatakse tühjendustoru seintest ja nööri teljel osakeste purustamisel tõuseb temperatuur 2 miljoni kraadini.
Meie riigis tehti selliseid katseid juba 1950. aastal akadeemikute JI eestvedamisel. A. Artsimovitš ja M. A. Leontovitš.
Teine katsete suund on magnetpudeli kasutamine, mille pakkus 1952. aastal välja nõukogude füüsik G.I.Budker, kes on praegu akadeemik. Magnetpudel asetatakse korgikambrisse - silindrilisse vaakumkambrisse, mis on varustatud välise mähisega, mis kondenseeritakse kambri otstes. Mähist läbiv vool loob kambris magnetvälja. Selle keskmises osas asuvad jõujooned asetsevad paralleelselt silindri generaatoritega ning otstes on need kokku surutud ja moodustavad magnetkorgid. Magnetpudelisse süstitud plasmaosakesed kõverduvad ümber jõujoonte ja peegelduvad pistikutelt. Selle tulemusena säilib plasma mõnda aega pudelis. Kui pudelisse sisestatud plasmaosakeste energia on piisavalt suur ja neid on piisavalt, astuvad nad keerulistesse jõudude vastastikmõjudesse, nende algselt järjestatud liikumine läheb segaseks, muutub korratuks - vesiniku tuumade temperatuur tõuseb kümnete miljonite kraadid.
Täiendav küte saavutatakse elektromagnetiliselt<ударами>plasmaga, magnetvälja kokkusurumisega jne. Nüüd kuumutatakse raskete vesiniku tuumade plasma sadade miljonite kraadideni. Tõsi, seda saab teha kas lühikest aega või madala plasmatihedusega.
Isemajanduva reaktsiooni käivitamiseks tuleb plasma temperatuuri ja tihedust veelgi tõsta. Seda on raske saavutada. Probleem on aga, nagu teadlased on veendunud, kahtlemata lahendatav.
G.B. Anfilov
Fotode postitamine ja artiklite tsiteerimine meie veebisaidilt muudele ressurssidele on lubatud tingimusel, et esitatakse link allikale ja fotodele.
Igal füüsilisel kehal, sealhulgas kõigil universumi objektidel, on minimaalne temperatuur või selle piir. Mis tahes temperatuuriskaala lähtepunktiks loetakse absoluutse nulltemperatuuri väärtust. Kuid see on ainult teoreetiline. Praegu energiast loobuvate aatomite ja molekulide kaootiline liikumine pole praktikas veel peatatud.
See on peamine põhjus, miks absoluutset nulltemperatuuri ei saavutata. Selle protsessi tagajärgede üle vaieldakse endiselt. Termodünaamika seisukohalt on see piir saavutamatu, kuna aatomite ja molekulide termiline liikumine peatub täielikult ning moodustub kristallvõre.
esindajad kvantfüüsika ette näha minimaalsete nullvõnkumiste olemasolu absoluutse nulltemperatuuri juures.
Mis on absoluutse nulltemperatuuri väärtus ja miks seda ei ole võimalik saavutada
Kaalude ja mõõtude peakonverentsil kehtestati esmakordselt võrdlus- ehk võrdluspunkt temperatuurinäitajaid määravatele mõõteriistadele.
Praegu on rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis Celsiuse skaala võrdluspunktiks külmumisel 0°C ja keemisel 100°C, absoluutse nulltemperatuuri väärtus võrdub –273,15°C.
Temperatuuri väärtuste kasutamine Kelvini skaalal vastavalt samale Rahvusvaheline süsteem mõõtühikutes, keeb vesi kontrollväärtusel 99,975 °C, absoluutne null on 0. Fahrenheiti skaala vastab -459,67 kraadile.
Aga kui need andmed saadakse, siis miks on siis praktikas võimatu saavutada absoluutset nulltemperatuuri? Võrdluseks võib võtta üldtuntud valguse kiiruse, mis võrdub püsiva füüsilise väärtusega 1 079 252 848,8 km/h.
Seda väärtust ei saa aga praktikas saavutada. See sõltub ülekande lainepikkusest, tingimustest ja nõutavast neeldumisest suur kogus energia osakesed. Absoluutse nulltemperatuuri väärtuse saamiseks on vaja suurt energiaväljundit ja selle allikate puudumist, mis takistaksid selle sisenemist aatomitesse ja molekulidesse.
Kuid isegi täieliku vaakumi tingimustes ei suutnud teadlased saada ei valguse kiirust ega absoluutset nulltemperatuuri.
Miks on võimalik saavutada ligikaudu nulltemperatuuri, kuid mitte absoluutset nulli?
Mis saab siis, kui teadus läheneb ülima saavutamisele madal määr absoluutse nulli temperatuur, jääb seni vaid termodünaamika ja kvantfüüsika teooriasse. Mis on põhjus, miks absoluutset nulltemperatuuri praktikas saavutada ei saa.
Kõik teadaolevad katsed jahutada ainet madalaima piirini maksimaalse energiakao tõttu viisid selleni, et ka aine soojusmahtuvus saavutas miinimumväärtuse. Molekulid lihtsalt ei suutnud enam järelejäänud energiat ära anda. Selle tulemusena peatus jahutusprotsess absoluutse nullini jõudmata.
Uurides metallide käitumist absoluutse nulltemperatuuri lähedastes tingimustes, leidsid teadlased, et maksimaalne temperatuuri langus peaks provotseerima takistuse kaotust.
Kuid aatomite ja molekulide liikumise peatumine viis ainult nende tekkeni kristallvõre, mille kaudu edastasid elektronid osa oma energiast statsionaarsetele aatomitele. Jällegi ei õnnestunud absoluutsesse nulli jõuda.
2003. aastal jäi temperatuur absoluutsest nullist puudu vaid pool miljardit 1°C. NASA teadlased kasutasid katsete läbiviimiseks Na molekuli, mis oli alati magnetväljas ja andis oma energia ära.
Lähima saavutuse saavutasid Yale'i ülikooli teadlased, kes saavutasid 2014. aastal näitaja 0,0025 kelvinit. Saadud ühend strontsiummonofluoriid (SrF) kestis vaid 2,5 sekundit. Ja lõpuks lagunes see ikkagi aatomiteks.
Absoluutne nulltemperatuur
Piirtemperatuur, mille juures muutub ideaalse gaasi maht võrdne nulliga, võetud absoluutne nulltemperatuur.
Leiame absoluutse nulli väärtuse Celsiuse skaalal.
Mahu võrdsustamine V valemis (3.1) null ja seda arvestades
.
Seega on absoluutne nulltemperatuur
t= –273 °C. 2
See on äärmuslik, madalaim temperatuur looduses, see "külma suurim või viimane aste", mille olemasolu ennustas Lomonosov.
Maa kõrgeimad temperatuurid – sajad miljonid kraadid – saadi plahvatuste käigus termotuumapommid. Veelgi kõrgem temperatuur on tüüpiline mõne tähe sisepiirkondadele.
2 Absoluutse nulli täpsem väärtus: –273,15 °C.
Kelvini skaala
Inglise teadlane W. Kelvin tutvustas absoluutne skaala temperatuurid Nulltemperatuur Kelvini skaalal vastab absoluutsele nullile ja selle skaala temperatuuriühik on võrdne kraadiga Celsiuse skaalal, seega absoluutne temperatuur T on seotud temperatuuriga Celsiuse skaalal valemiga
T = t + 273. (3.2)
Joonisel fig. 3.2 on toodud võrdluseks absoluutne skaala ja Celsiuse skaala.
Absoluuttemperatuuri ühikut SI nimetatakse kelvin(lühendatult K). Seetõttu võrdub üks kraad Celsiuse skaalal ühe kraadiga Kelvini skaalal:
Seega on absoluutne temperatuur valemiga (3.2) antud definitsiooni kohaselt tuletatud suurus, mis sõltub Celsiuse temperatuurist ja katseliselt määratud a väärtusest.
Lugeja: Mis füüsikaline tähendus on absoluutsel temperatuuril?
Kirjutame avaldise (3.1) vormile
.
Arvestades, et temperatuur Kelvini skaalal on suhtega seotud temperatuuriga Celsiuse skaalal T = t + 273, saame
Kus T 0 = 273 K või
Kuna see seos kehtib suvalise temperatuuri korral T, siis saab Gay-Lussaci seaduse sõnastada järgmiselt:
Antud gaasi massi korral p = const kehtib järgmine seos:
Ülesanne 3.1. Temperatuuril T 1 = 300 K gaasimaht V 1 = 5,0 l. Määrake gaasi maht samal rõhul ja temperatuuril T= 400 K.
STOP! Otsustage ise: A1, B6, C2.
Probleem 3.2. Isobaarsel kuumutamisel suurenes õhu maht 1%. Mitme protsendi võrra tõusis absoluutne temperatuur?
= 0,01.
Vastus: 1 %.
Meenutagem saadud valemit
STOP! Otsustage ise: A2, A3, B1, B5.
Charlesi seadus
Prantsuse teadlane Charles tegi eksperimentaalselt kindlaks, et kui gaasi kuumutada nii, et selle maht jääb konstantseks, suureneb gaasi rõhk. Rõhu sõltuvus temperatuurist on järgmine:
R(t) = lk 0 (1 + b t), (3.6)
Kus R(t) – rõhk temperatuuril t°C; R 0 – rõhk 0 °C juures; b on rõhu temperatuuritegur, mis on kõigi gaaside puhul sama: 1/K.
Lugeja:Üllataval kombel on rõhu b temperatuuritegur täpselt võrdne temperatuuri koefitsient mahulaiendus a!
Võtame teatud koguse gaasi ruumalaga V 0 temperatuuril T 0 ja rõhk R 0 . Esimest korda, hoides gaasirõhku konstantsena, soojendame selle temperatuurini T 1 . Siis on gaasil maht V 1 = V 0 (1 + a t) ja survet R 0 .
Teist korda, hoides gaasi mahtu konstantsena, soojendame selle samale temperatuurile T 1 . Siis tekib gaasil rõhk R 1 = R 0 (1 + b t) ja helitugevust V 0 .
Kuna mõlemal juhul on gaasi temperatuur sama, kehtib Boyle-Mariotte'i seadus:
lk 0 V 1 = lk 1 V 0 Þ R 0 V 0 (1 + a t) = R 0 (1 + b t)V 0 Þ
Þ 1 + a t = 1 + b tÞ a = b.
Seega pole üllatav, et a = b, ei!
Kirjutame Charlesi seaduse ümber kujul
.
Võttes arvesse, et T = t°С + 273 °С, T 0 = 273 °C, saame
Mis on absoluutne null (tavaliselt null)? Kas see temperatuur on tõesti kuskil universumis olemas? Kas me saame midagi absoluutse nullini jahutada päris elu? Kui kahtlete, kas külmalainest on võimalik jagu saada, siis uurime külmakraadide kaugeimaid piirkondi...
Mis on absoluutne null (tavaliselt null)? Kas see temperatuur on tõesti kuskil universumis olemas? Kas me saame päriselus midagi absoluutse nullini jahutada? Kui kahtlete, kas külmalainest on võimalik jagu saada, siis uurime külmakraadide kaugeimaid piirkondi...
Isegi kui te pole füüsik, olete ilmselt temperatuuri mõistega tuttav. Temperatuur on materjali sisemise juhusliku energia hulga mõõt. Sõna "sisemine" on väga oluline. Viska lumepalli ja kuigi põhiliigutus tuleb üsna kiire, jääb lumepall üsna külmaks. Teisest küljest, kui vaadata ruumis ringi lendavaid õhumolekule, siis tavaline hapnikumolekul praadib tuhandeid kilomeetreid tunnis.
Me kipume tehniliste üksikasjade osas vaikseks jääma, nii et ainult ekspertide jaoks pangem tähele, et temperatuur on pisut keerulisem, kui me ütlesime. Temperatuuri tõeline määratlus hõlmab seda, kui palju energiat peate kulutama iga entroopiaühiku jaoks (häire, kui soovite selgemat sõna). Kuid jätame peensused vahele ja keskendume lihtsalt sellele, et juhuslikud õhu- või veemolekulid jääs hakkavad temperatuuri langedes aina aeglasemalt liikuma või vibreerima.
Absoluutne null on temperatuur -273,15 kraadi Celsiuse järgi, -459,67 Fahrenheiti ja lihtsalt 0 kelvinit. See on punkt, kus termiline liikumine peatub täielikult.
Kas kõik peatub?
Küsimuse klassikalises käsitluses peatub kõik absoluutsel nullil, kuid just sel hetkel piilub nurga tagant välja kvantmehaanika kohutav pale. Üks kvantmehaanika ennustusi, mis on rikkunud rohkem kui mõne füüsiku verd, on see, et osakese täpset asukohta või impulssi ei saa kunagi mõõta täiesti kindlalt. Seda nimetatakse Heisenbergi määramatuse printsiibiks.
Kui saaksite suletud ruumi jahutada absoluutse nullini, juhtuks kummalisi asju (sellest lähemalt hiljem). Õhurõhk langeks peaaegu nullini ja kuna õhurõhk on tavaliselt gravitatsiooni vastu, vajuks õhk põrandal väga õhukeseks kihiks.
Kuid isegi nii, kui saate mõõta üksikuid molekule, leiate midagi huvitavat: need vibreerivad ja pöörlevad, tööl on vaid natuke kvantebakindlust. Kui mõõta süsinikdioksiidi molekulide pöörlemist absoluutse nulli juures, siis märkate, et hapnikuaatomid lendavad ümber süsiniku kiirusega mitu kilomeetrit tunnis – palju kiiremini, kui arvasite.
Vestlus jõuab ummikusse. Kui me räägime kvantmaailmast, kaotab liikumine oma tähenduse. Nendel skaaladel on kõik määratletud määramatusega, nii et asi pole selles, et osakesed on paigal, vaid lihtsalt te ei saa neid kunagi mõõta nii, nagu nad oleksid paigal.
Kui madalale saab minna?
Absoluutse nulli poole püüdlemine seisavad silmitsi samade probleemidega nagu valguse kiiruse taotlemine. Valguse kiiruse saavutamiseks on vaja lõpmatult palju energiat ja absoluutse nulli saavutamiseks on vaja eraldada lõpmatu hulk soojust. Mõlemad protsessid on võimatud, kui üldse.
Vaatamata sellele, et me pole veel saavutanud tegelikku absoluutse nulli olekut, oleme sellele väga lähedal (kuigi “väga” on antud juhul väga lõtv mõiste; nagu lasteriim: kaks, kolm, neli, neli ja a pool, neli nööril, neli juuksekarva kaugusel, viis). Kõige külmem temperatuur, mis Maal kunagi registreeritud, registreeriti Antarktikas 1983. aastal –89,15 kraadi Celsiuse järgi (184K).
Muidugi, kui tahad end lapselikult jahutada, pead sukelduma kosmosesügavustesse. Kogu universum on üle ujutatud pärit kiirguse jäänustest Suur pauk, kosmose kõige tühjemates piirkondades - 2,73 Kelvini kraadi, mis on veidi külmem kui vedela heeliumi temperatuur, mida suutsime Maalt sajand tagasi saada.
Kuid madala temperatuuriga füüsikud kasutavad külmutuskiiri, et viia tehnoloogia täiesti uuele tasemele. Teid võib üllatada teadmine, et külmumiskiired on laserite kujul. Aga kuidas? Laserid peaksid põlema.
Kõik on tõsi, kuid laseritel on üks omadus – võib isegi öelda, ülim: kogu valgus kiirgab ühel sagedusel. Tavalised neutraalsed aatomid ei suhtle valgusega üldse, kui sagedus pole täpselt häälestatud. Kui aatom lendab valgusallika poole, saab valgus Doppleri nihke ja jõuab kõrgemale kõrgsagedus. Aatom neelab vähem footonite energiat, kui suudaks. Nii et kui häälestate laserit madalamale, neelavad kiiresti liikuvad aatomid valgust ja kiirgades footoni juhuslikus suunas, kaotavad nad keskmiselt veidi energiat. Protsessi kordamisel saate gaasi jahutada temperatuurini, mis on alla ühe nanoKelvini ehk miljardikraadi.
Kõik võtab ekstreemsema tooni. Madalaima temperatuuri maailmarekord on vähem kui kümnendik miljardist kraadist üle absoluutse nulli. Seadmed, mis seda saavutavad, püüavad aatomid sisse magnetväljad. “Temperatuur” ei sõltu niivõrd aatomitest endist, vaid aatomituumade pöörlemisest.
Nüüd peame õigluse taastamiseks olema veidi loomingulised. Kui me tavaliselt kujutame ette, et midagi on külmunud kuni miljardikraadini, saate tõenäoliselt pildi isegi õhumolekulidest, mis külmuvad paigale. Võib isegi ette kujutada hävitavat apokalüptilist seadet, mis külmutab aatomite tagaküljed.
Lõppkokkuvõttes, kui soovite tõesti kogeda madalaid temperatuure, peate ainult ootama. Umbes 17 miljardi aasta pärast jahtub universumi taustkiirgus 1K-ni. 95 miljardi aasta pärast on temperatuur ligikaudu 0,01 K. 400 miljardi aasta pärast on süvakosmos sama külm kui kõige külmem katse Maal ja pärast seda veelgi külmem.
Kui mõtlete, miks universum nii kiiresti jahtub, tänage meie vanu sõpru: entroopiat ja tumedat energiat. Universum on kiirendusrežiimis, sisenedes eksponentsiaalse kasvu perioodi, mis kestab igavesti. Asjad külmuvad väga kiiresti.
Mis meid huvitab?
Kõik see on muidugi imeline ja ka rekordite purustamine on tore. Aga mis mõte sellel on? Noh, seal on tonn head põhjused mõista madalaid temperatuure ja mitte ainult võitjana.
Näiteks NISTi head inimesed tahaksid seda lihtsalt teha lahe kell. Ajastandardid põhinevad sellistel asjadel nagu tseesiumi aatomi sagedus. Kui tseesiumi aatom liigub liiga palju, tekitab see mõõtmistes ebakindlust, mis lõpuks põhjustab kella talitlushäireid.
Kuid mis veelgi olulisem, eriti teaduslikust vaatenurgast, materjalid käituvad hullumeelselt väga madalatel temperatuuridel. Näiteks nii nagu laser on valmistatud footonitest, mis on üksteisega sünkroniseeritud – sama sageduse ja faasiga –, nii saab luua materjali, mida tuntakse Bose-Einsteini kondensaadina. Selles on kõik aatomid samas olekus. Või kujutage ette amalgaami, milles iga aatom kaotab oma individuaalsuse ja kogu mass reageerib ühe null-superaatomina.
Väga madalatel temperatuuridel muutuvad paljud materjalid ülivedelikeks, mis tähendab, et neil ei pruugi olla üldse viskoossust, need võivad olla üliõhukeste kihtidena ja isegi trotsida gravitatsiooni, et saavutada minimaalset energiat. Samuti muutuvad paljud materjalid madalatel temperatuuridel ülijuhtivaks, mis tähendab, et puudub elektritakistus.
Ülijuhid on võimelised reageerima välistele magnetväljadele nii, et need metalli sees täielikult tühistavad. Selle tulemusena saate kombineerida külm temperatuur ja magnet ja saada midagi levitatsiooni sarnast.
Miks on absoluutne null, aga mitte absoluutne maksimum?
Vaatame teist äärmust. Kui temperatuur on lihtsalt energia mõõt, siis võime lihtsalt ette kujutada, et aatomid lähenevad valguse kiirusele järjest lähemale. See ei saa kesta igavesti, eks?
Lühike vastus on: me ei tea. Võimalik, et sõna otseses mõttes on olemas selline asi nagu lõpmatu temperatuur, kuid kui on olemas absoluutne piir, annab noor universum päris huvitavaid vihjeid selle kohta, mis see on. Kõige soojust kunagi eksisteerinud (vähemalt meie universumis), tõenäoliselt juhtus nn Plancki ajal.
See oli hetk 10^-43 sekundit pärast Suurt Pauku, kui gravitatsioon eraldus kvantmehaanikast ja füüsika muutus täpselt selliseks, nagu ta praegu on. Temperatuur oli sel ajal ligikaudu 10^32 K. See on septiljon korda kuumem kui meie Päikese sisemus.
Jällegi, me pole sugugi kindlad, kas see on kõige rohkem kuum temperatuur kõigest, mis oleks võinud olla. Kuna meil polnud Plancki ajal isegi suurt universumi mudelit, pole me isegi kindlad, kas universum sellisesse olekusse kees. Igal juhul oleme absoluutsele nullile kordades lähemal kui absoluutsele kuumusele.