Абсолютный ноль (absolute zero) – начало отсчета абсолютной температуры, начинающей отчет от 273.16 К ниже тройной точки воды (точка равновесия трех фаз – льда, воды и водяного пара); при абсолютном ноле движение молекул прекращается, и они находятся в состоянии «нулевых» движений. Или: самая низкая температура, при которой вещество не содержит тепловой энергии.
Абсолютный ноль начало отсчета абсолютной температуры . Соответствует -273 ,16 ° С . В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру , превышающую абсолютный ноль всего на несколько миллионных долей градуса , достичь же его , согласно законам термодинамики , невозможно . При абсолютном ноле система находилась бы в состоянии с наименьшей возможной энергией (в этом состоянии атомы и молекулы совершали бы "нулевые " колебания ) и обладала нулевой энтропией (нулевой неупорядоченностью ). Объем идеального газа в точке абсолютного ноля должен быть равен нолю , и чтобы определить эту точку , измеряют объем реального газа гелия при последовательном понижении температуры вплоть до его ожижения при низком давлении (-268 ,9 ° С ) и проводят экстраполяцию к температуре , при которой объем газа в отсутствие ожижения обратился бы в ноль . Температура по абсолютной термодинамической шкале измеряется в кельвинах , обозначаемых символом К . Абсолютная термодинамическая шкала и шкала Цельсия просто смещены одна относительно другой и связаны соотношением К = °C + 273 ,16 °.
История
Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества - теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково - градусами.
Из того, что температура - это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах - градусах.
Шкала Кельвина
В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.
Шкала Цельсия
В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия - особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.
Шкала Фаренгейта
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия - это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.
В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F - 32), 1 °F = 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.
Шкала Реомюра
Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.
Единица - градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками - температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)
1 °R = 1,25 °C.
В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.
Сравнение температурных шкал
| Описание | Кельвин | Цельсий | Фаренгейт | Ньютон | Реомюр |
| Абсолютный ноль | −273.15 | −459.67 | −90.14 | −218.52 | |
| Температура таяния смеси Фаренгейта (соли и льда в равных количествах) | 0 | −5.87 | |||
| Температура замерзания воды (нормальные условия) | 0 | 32 | 0 | ||
| Средняя температура человеческого тела ¹ | 36.8 | 98.2 | 12.21 | ||
| Температура кипения воды (нормальные условия) | 100 | 212 | 33 | ||
| Температура поверхности Солнца | 5800 | 5526 | 9980 | 1823 |
Нормальная температура человеческого тела - 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F - это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность. Некоторые значения в этой таблице были округлены.
Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия
( o F - шкала Фаренгейта, o C - шкала Цельсия)
| o F | o C | o F | o C | o F | o C | o F | o C | |||
| -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 |
Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T 0 где T- температура в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T 0 =273.15 кельвина. По размеру градус цельсия равен кельвину.
Абсолютный нуль температуры
Абсолю́тный нуль температу́ры (реже - абсолютный ноль температуры ) - минимальный предел температуры , которую может иметь физическое тело во Вселенной. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина . В 1954 X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой - тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C .
Явления, наблюдаемые вблизи абсолютного нуля
При температурах, близких к абсолютному нулю, на макроскопическом уровне могут наблюдаться чисто квантовые эффекты, такие как:
Примечания
Литература
- Г. Бурмин. Штурм абсолютного нуля. - М.: «Детская литература», 1983
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Геринг
- Кшапанака
Смотреть что такое "Абсолютный нуль температуры" в других словарях:
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ - начало отсчёта термодинамич. темп ры; расположен на 273,16 К ниже темп ры тройной точки (0,01°С) воды (на 273, 15°С ниже нуля темп ры по шкале Цельсия, (см. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ). Существование термодинамической температурной шкалы и А. н. т.… … Физическая энциклопедия
абсолютный нуль температуры - начало отсчёта абсолютной температуры по термодинамической температурной шкале. Абсолютный нуль расположен на 273,16ºC ниже температуры тройной точки воды, для которой принято значение 0,01ºC. Абсолютный нуль температуры принципиально недостижим… … Энциклопедический словарь
абсолютный нуль температуры - absoliutusis nulis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273,16 K žemiau trigubojo vandens taško. Pagal trečiąjį termodinamikos dėsnį, absoliutusis nulis nepasiekiamas. atitikmenys: angl.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Абсолютный нуль температуры - начальный отсчет по шкале Кельвина, составляет по шкале Цельсия отрицательную температуру в 273,16 градуса … Начала современного естествознания
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - температуры, начало отсчета температуры по термодинамической температурной шкале. Абсолютный нуль расположен на 273,16шC ниже температуры тройной точки воды (0,01шC). Абсолютный нуль принципиально недостижим, практически достигнуты температуры,… … Современная энциклопедия
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - температуры начало отсчета температуры по термодинамической температурной шкале. Абсолютный нуль расположен на 273,16 .С ниже температуры тройной точки воды, для которой принято значение 0,01 .С. Абсолютный нуль принципиально недостижим (см.… … Большой Энциклопедический словарь
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - температура, выражающая отсутствие теплоты, равна 218° Ц. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Павленков Ф., 1907. абсолютный нуль температуры (физ.) – наиболее низкая возможная температура (273,15°C). Большой словарь… … Словарь иностранных слов русского языка
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - температуры, начало отсчета температуры по термодинамической температурной шкале (см. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА). Абсолютный нуль расположен на 273,16 °С ниже температуры тройной точки (см. ТРОЙНАЯ ТОЧКА) воды, для которой принято… … Энциклопедический словарь
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - предельно низкая температура, при которой прекращается тепловое движение молекул. Давление и объем идеального газа, согласно закону Бойля Мариотта, становится равным нулю, а за начало отсчета абсолютной температуры по шкале Кельвина принимается… … Экологический словарь
АБСОЛЮТНЫЙ НУЛЬ - начало отсчета абсолютной температуры. Соответствует 273,16° С. В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру, превышающую абсолютный нуль всего на несколько миллионных долей градуса, достичь же его, согласно законам… … Энциклопедия Кольера
Когда в сводке погоды предсказывают температуру около нуля, на каток
идти не стоит: лед будет таять. Температура таяния льда принята за нуль
градусов по шкале Цельсия - самой распространенной температурной шкале.
Нам отлично знакомы отрицательные градусы шкалы Цельсия - градусы <ниже
нуля>, градусы холода. Наиболее низкая температура на Земле была
зарегистрирована в Антарктиде: -88,3°Ц. Вне Земли возможны и еще более
низкие температуры: на поверхности Луны в лунную полночь бывает до -
160°Ц.
Но нигде не могут существовать сколь угодно низкие температуры.
Предельно низкая температура - абсолютный нуль - по шкале Цельсия
соответствует - 273,16°.
От абсолютного нуля берет начало абсолютная температурная шкала, шкала
Кельвина. Лед тает при 273,16° Кельвина, а вода кипит при 373,16° К.
Таким образом, градус К равен градусу Ц. Но по шкале Кельвина все
температуры положительны.
Почему же 0°К - предел холода?
Тепло - хаотическое движение атомов и молекул вещества. Когда вещество
охлаждают, у него отнимают тепловую энергию, и при этом беспорядочное
движение частиц ослабевает. В конце концов, при сильном охлаждении,
тепловая <пляска> частиц почти полностью прекращается. Совсем замерли бы
атомы и молекулы при температуре, которая и принята за абсолютный нуль.
Согласно принципам квантовой механики, при абсолютном нуле прекратилось
бы именно тепловое движение частиц, но сами частицы не замерли бы, так
как они не могут находиться в полном покое. Таким образом, при
абсолютном нуле частицы все же должны сохранять какое-то движение,
которое называют нулевым.
Однако охладить вещество до температуры ниже абсолютного нуля - замысел столь же бессмысленный, как, скажем, намерение <идти медленнее, чем стоять на месте>.
Более того, даже достичь точного абсолютного нуля практически тоже
невозможно. К нему можно лишь приблизиться. Потому что никакими способами нельзя отнять у вещества абсолютно всю его
тепловую энергию. Некоторая доля тепловой энергии остается при самом
глубоком охлаждении.
Как же достигают сверхнизких температур?
Заморозить вещество сложнее, чем нагреть. Это видно хотя бы из сравнения
устройства печки и холодильника.
В большинстве бытовых и промышленных холодильников тепло отнимается
благодаря испарению особой жидкости - фреона, который циркулирует по
металлическим трубкам. Секрет в том, что фреон может пребывать в жидком
состоянии лишь при достаточно низкой температуре. В холодильной камере
за счет тепла камеры он нагревается и кипит, превращаясь в пар. Но пар
сжимается компрессором, сжижается и поступает в испаритель, восполняя
убыль испаряющегося фреона. Энергия расходуется на работу компрессора.
В аппаратах глубокого охлаждения носителем холода служит сверххолодная
жидкость - жидкий гелий. Бесцветный, легкий (в 8 раз легче воды), он
кипит под атмосферным давлением при 4,2°К, а в вакууме - при 0,7°К. Еще
более низкую температуру дает легкий изотоп гелия: 0,3°К.
Устроить постоянно действующий гелиевый холодильник довольно сложно.
Исследования ведутся просто в ваннах с жидким гелием. А чтобы сжижить
этот газ, физики пользуются разными приемами. Например, расширяют
предварительно охлажденный и сжатый гелий, выпуская его через тонкое
отверстие в вакуумную камеру. При этом температура еще снижается и
некоторая часть газа обращается в жидкость. Более эффективно не только
расширять охлажденный газ, но и заставить его выполнять работу - двигать
поршень.
Полученный жидкий гелий хранят в специальных термосах - сосудах Дьюара.
Стоимость этой самой холодной жидкости (единственной не замерзающей у
абсолютного нуля) получается довольно высокой. Тем не менее жидкий гелий
в наши дни используется все шире, не только в науке, но и в различных
технических устройствах.
Самых низких температур удалось добиться иным способом. Оказывается,
молекулы некоторых солей, например хромокалиевых квасцов, могут
поворачиваться вдоль силовых магнитных линий. Такую соль предварительно
охлаждают жидким гелием до 1°К и помещают в сильное магнитное поле. При
этом молекулы поворачиваются вдоль силовых линий, а выделившееся тепло
отбирается жидким гелием. Затем магнитное поле резко снимают, молекулы
вновь поворачиваются в разные стороны, а затраченная
на это работа ведет к дальнейшему охлаждению соли. Так получили
температуру 0,001° К. Подобным же в принципе методом, применяя другие
вещества, можно получить еще более низкую температуру.
Наинизшая температура, полученная пока на Земле, равна 0,00001° К.
Вещество, замороженное до сверхнизких температур в ваннах с жидким гелием, заметно изменяется. Резина становится хрупкои, свинец - твердым, как сталь, и упругим, многие сплавы увеличивают прочность.
Своеобразно ведет себя сам жидкий гелий. При температуре ниже 2,2° К он
приобретает небывалое для обычных жидкостей свойство - сверхтекучесть:
некоторая его часть полностью теряет вязкость и без всякого трения
протекает сквозь самые узкие щели.
Явление это, открытое в 1937 г. советским физиком академиком П. JI.
Капицей, было затем объяснено академиком JI. Д. Ландау.
Оказывается, при сверхнизких температурах начинают заметно сказываться
квантовые законы поведения вещества. Как требует один из таких законов,
от тела к телу энергия может передаваться лишь вполне определенными
порциями-квантами. В жидком гелии так мало квантов тепла, что на все
атомы их не хватает. Часть жидкости, лишенная квантов тепла, пребывает
как бы при абсолютном нуле температуры, ее атомы совершенно не участвуют
в беспорядочном тепловом движении и никак не взаимодействуют со стенками
сосуда. Эта часть (ее назвали гелием-Н) и обладает сверхтекучестью. С
понижением температуры гелия-П становится все больше, и при абсолютном
нуле весь гелий превратился бы в гелий-Н.
Сверхтекучесть сейчас изучена очень подробно и даже нашла полезное
практическое применение: с ее помощью удается разделять изотопы гелия.
Возле абсолютного нуля чрезвычайно любопытные изменения происходят с
электрическими свойствами некоторых материалов.
В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес сделал неожиданное открытие:
оказалось, что при температуре 4,12° К в ртути полностью исчезает
электрическое сопротивление. Ртуть становится сверхпроводником.
Электрический ток, наведенный в сверхпроводящем кольце, не затухает и
может течь практически вечно.
Над таким кольцом сверхпроводящий шарик будет парить в воздухе и не
падать, будто сказочный <гроб Магомета>, потому что его тяжесть
компенсируется магнитным отталкиванием между кольцом и шариком. Ведь
незатухающий ток в кольце создаст магнитное поле, а оно, в свою очередь,
наведет в шарике электрический ток и вместе с ним противоположно
направленное магнитное поле.
Кроме ртути, сверхпроводимостью возле абсолютного нуля обладают олово,
свинец, цинк, алюминий. Это свойство обнаружено у 23 элементов и более
ста различных сплавов и других химических соединений.
Температуры появления сверхпроводимости (критические температуры)
составляют довольно широкий интервал - от 0,35° К (гафний) до 18° К
(сплав ниобий-олово).
Явление сверхпроводимости, как и сверх-
текучести, подробно изучено. Найдены зависимости критических температур
от внутренней структуры материалов и внешнего магнитного поля.
Разработана глубокая теория сверхпроводимости (важный вклад внесен
советским ученым академиком Н. Н. Боголюбовым).
Сущность этого парадоксального явления опять-таки сугубо квантовая. При
сверхнизких температурах электроны в
сверхпроводнике образуют систему попарно связанных частиц, которые не
могут отдавать энергию кристаллической решетке, тратить кванты энергии
на ее нагревание. Пары электронов движутся, как бы <танцуя>, между
<прутьями решетки> - ионами и обходят их без столкновений и передачи
энергии.
Сверхпроводимость все шире используется в технике.
Входят в практику, например, сверхпроводящие соленоиды - катушки из
сверхпроводника, погруженные в жидкий гелий. В них сколь угодно долго
может храниться однажды наведенный ток и, следовательно, магнитное поле.
Оно может достигать гигантской величины - свыше 100 ООО эрстед. В
будущем, несомненно, появятся мощные промышленные сверхпроводящие
устройства - электродвигатели, электромагниты и т. д.
В радиоэлектронике немалую роль начинают играть сверхчувствительные
усилители и генераторы электромагнитных волн, которые особенно хорошо
действуют в ваннах с жидким гелием, - там полностью исчезают внутренние
<шумы> аппаратуры. В электронно-вычислительной технике блестящую
будущность сулят маломощным сверхпроводящим переключателям - криотронам
(см. ст. <Пути электроники>).
Нетрудно представить себе, сколь заманчиво было бы продвинуть действие
подобных приборов в область более высоких, более доступных температур. В
последнее время открывается надежда создания полимерных пленочных
сверхпроводников. Своеобразный характер электропроводности в таких
материалах сулит блистательную возможность сохранить сверхпроводимость
даже при комнатных температурах. Ученые настойчиво ищут пути
осуществления этой надежды.
А теперь заглянем в царство самого горячего, что есть на свете, - в
недра звезд. Туда, где температуры достигают миллионов градусов.
Беспорядочное тепловое движение в звездах настолько интенсивно, что
целые атомы там существовать не могут: они разрушаются в бесчисленных
столкновениях.
Столь сильно раскаленное вещество поэтому не может быть ни твердым, ни
жидким, ни газообразным. Оно пребывает в состоянии плазмы, т. е. смеси
электрически заряженных <осколков> атомов - атомных ядер и электронов.
Плазма - своеобразное состояние вещества. Поскольку ее частицы
электрически заряжены, они чутко повинуются электрическим и магнитным
силам. Поэтому близкое соседство двух атомных ядер (они несут
положительный заряд) - явление редкое. Лишь при высоких плотностях и
огромных температурах налетающие друг на друга атомные ядра способны
сблизиться вплотную. Тогда совершаются термоядерные реакции - источник
энергии звезд.
Ближайшая к нам звезда - Солнце состоит главным образом из водородной
плазмы, которая раскалена в недрах светила до 10 млн. градусов. При
таких условиях тесные сближения быстрых водородных ядер - протонов хоть
и редко, но случаются. Иногда сблизившиеся протоны вступают во
взаимодействие: преодолев электрическое отталкивание, они попадают во
власть гигантских ядерных сил притяжения, стремительно <падают> друг на
друга и сливаются. Тут происходит мгновенная перестройка: вместо двух
протонов возникают дейтрон (ядро тяжелого изотопа водорода), позитрон и
нейтрино. Освобождается энергия 0,46 млн. электрон-вольт (Мэв).
Каждый отдельно взятый солнечный протон может вступить в такую реакцию в
среднем один раз за 14 млрд. лет. Но протонов в недрах светила так
много, что то тут, то там совершается это маловероятное событие, - и
горит наша звезда своим ровным, ослепительным пламенем.
Синтез дейтронов лишь первый шаг солнечных термоядерных превращений.
Новорожденный дейтрон очень скоро (в среднем через 5,7 сек) соединяется
еще с одним протоном. Возникает ядро легкого гелия и гамма-квант
электромагнитного излучения. Освобождается 5,48 Мэв энергии.
Наконец, в среднем раз в миллион лет могут сойтись и соединиться два
ядра легкого гелия. Тогда образуется ядро обычного гелия (альфа-частица)
и отщепляются два протона. Выделяется 12,85 Мэв энергии.
Этот трехступенчатый <конвейер> термоядерных реакций не единственный.
Существует и другая цепочка ядерных превращений, более быстрых. В ней
участвуют (не расходуясь) атомные ядра углерода и азота. Но в обоих
вариантах из водородных ядер синтезируются альфа-частицы. Фигурально
выражаясь, водородная плазма Солнца <сгорает>, превращаясь в <золу> -
плазму гелия. И в процессе синтеза каждого грамма гелиевой плазмы
выделяется 175 тыс. квт-ч энергии. Огромное количество!
Ежесекундно Солнце излучает 4 1033 эргов энергии, теряя в весе 4 1012 г
(4 млн. т) вещества. Но полная масса Солнца 2 1027 т. Значит, за миллион
лет благодаря лучеиспусканию Солнце <худеет> всего лишь на одну
десятимиллионную часть своей массы. Эти цифры красноречиво иллюстрируют
эффективность термоядерных реакций и гигантскую калорийность солнечного
<горючего> - водорода.
Термоядерный синтез, по-видимому, главный источник энергии всех звезд.
При разных температурах и плотностях звездных недр осуществляются разные
типы реакций. В частности, солнечная <зола>-ядра гелия - при 100 млн.
градусов сама становится термоядерным <горючим>. Тогда из альфа-частиц
могут синтезироваться еще более тяжелые атомные ядра - углерода и даже
кислорода.
Как считают многие ученые, вся наша Метагалактика в целом тоже плод
термоядерного синтеза, который проходил при температуре в миллиард
градусов (см. ст. <Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Необычайная калорийность термоядерного <горючего> побудила ученых
добиваться искусственного осуществления реакций ядерного синтеза.
<Горючего> - изотопов водорода на нашей планете немало. Например,
сверхтяжелый водород тритий можно получить из металла лития в ядерных
реакторах. А тяжелый водород - дейтерий входит в состав тяжелой воды,
которую можно добыть из обычной воды.
Тяжелый водород, извлеченный из двух стаканов обычной воды, дал бы в
термоядерном реакторе столько энергии, сколько сейчас дает сжигание
бочки первосортного бензина.
Трудность заключается в том, чтобы предварительно нагреть <горючее> до
температур, при которых оно способно воспламениться могучим термоядерным
огнем.
Впервые эта задача была решена в водородной бомбе. Изотопы водорода там
поджигаются взрывом атомной бомбы, что сопровождается нагревом вещества
до многих десятков миллионов градусов. В одном из вариантов водородной
бомбы термоядерным горючим служит химическое соединение тяжелого
водорода с легким литием - дейтерид легкого л и т и я. Этот белый
порошок, похожий на столовую соль, <воспламеняясь> от <спички>, которой
служит атомная бомба, мгновенно взрывается и создает температуру в сотни
миллионов градусов.
Чтобы возбудить мирную термоядерную реакцию, надо прежде всего научиться
без услуг атомной бомбы разогревать малые дозы достаточно плотной плазмы
изотопов водорода до температур в сотни миллионов градусов. Эта проблема
- одна из труднейших в современной прикладной физике. Над ней уже много
лет работают ученые всего мира.
Мы уже говорили, что именно хаотическое движение частиц создает
нагретость тел, причем средняя энергия их беспорядочного движения и
соответствует температуре. Нагреть холодное тело - значит любым способом
создать этот беспорядок.
Вообразите, что две группы бегунов стремительно несутся навстречу друг
другу. Вот они столкнулись, перемешались, началась толчея, неразбериха.
Отличный беспорядок!
Примерно так же физики на первых порах пытались получить высокую
температуру - путем сталкивания газовых струй высокого давления. Газ
нагревался до 10 тыс. градусов. В свое время это был рекорд: температура
выше, чем на поверхности Солнца.
Но при этом способе дальнейший, достаточно медленный, не взрывной нагрев
газа невозможен, так как тепловой беспорядок мгновенно распространяется
во все стороны, согревая стенки экспериментальной камеры и окружающую
среду. Полученное тепло быстро покидает систему, и изолировать ее
невозможно.
Если струи газа заменить потоками плазмы, проблема теплоизоляции
остается очень трудной, но открывается и надежда на ее решение.
Правда, и плазму нельзя оградить от потерь тепла сосудами,
изготовленными из вещества пусть даже самого тугоплавкого. Соприкасаясь
с твердыми стенками, горячая плазма немедленно остывает. Зато можно
попытаться удержать и разогреть плазму, создав ее скопление в вакууме
так, чтобы она не касалась стенок камеры, а висела в пустоте, ни до чего
не дотрагиваясь. Тут следует воспользоваться тем, что частицы плазмы не
нейтральные, как атомы газа, а электрически заряженные. Поэтому в
движении они подвергаются действию магнитных сил. Возникает задача:
устроить магнитное поле особой конфигурации, в котором горячая плазма
висела бы как в мешке с невидимыми стенками.
Простейший вид такого п.эля создается автоматически, когда через плазму
пропускают сильные импульсы электрического тока. Вокруг плазменного
шнура при этом наводятся магнитные силы, которые стремятся сжать шнур.
Плазма отделяется от стенок разрядной трубки, и у оси шнура в толчее
частиц температура поднимается до 2 млн. градусов.
У нас в стране такие эксперименты были исполнены еще в 1950 г. под
руководством академиков JI. А. Арцимовича и М. А. Леонтовича.
Другое направление опытов - использование магнитной бутылки,
предложенной в 1952 г. советским физиком Г. И. Буд-кером, ныне
академиком. Магнитная бутылка устраивается в пробкотроне -
цилиндрической вакуумной камере, снабженной наружной обмоткой, которая
сгущается у концов камеры. Ток, протекающий по обмотке, создает в камере
магнитное поле. Его силовые линии в средней части располагаются
параллельно образующим цилиндра, а у концов сжимаются и образуют
магнитные пробки. Частицы плазмы, впрыснутой в магнитную бутылку, вьются
вокруг силовых линий, отражаются от пробок. В результате плазма
некоторое время удерживается внутри бутылки. Если энергия введенных в
бутылку плазменных частиц достаточно велика и их достаточно много, они
вступают в сложные силовые взаимодействия, их поначалу упорядоченное
движение запутывается, становится беспорядочным - температура водородных
ядер поднимается до десятков миллионов градусов.
Дополнительный нагрев достигается электромагнитными <ударами> по плазме,
сжатием магнитного поля и т. д. Сейчас плазму ядер тяжелого водорода
раскаляют до сотен миллионов градусов. Правда, это удается сделать либо
на короткое время, либо при малой плотности плазмы.
Чтобы возбудить самоподдерживающуюся реакцию, предстоит дальше поднять
температуру и плотность плазмы. Добиться этого трудно. Однако проблема,
как убеждены ученые, бесспорно разрешима.
Г.Б. Анфилов
Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
Любое физическое тело, включая все объекты во Вселенной, имеет минимальный показатель температуры или ее предел. За точку отсчета любой температурной шкалы и принято считать значение абсолютного нуля температур. Но это только в теории. Хаотичное движение атомов и молекул, которые отдают в это время свою энергию, остановить пока на практике не удалось.
Это и есть основная причина, почему нельзя достичь абсолютного нуля температур. До сих пор ведутся споры и о последствиях этого процесса. С точки зрения термодинамики этот предел недостижим, так как тепловое движение атомов и молекул прекращается полностью, образуется кристаллическая решетка.
Представители квантовой физики предусматривают наличие при абсолютном нуле температур минимальных нулевых колебаний.
Какое значение абсолютного нуля температур и почему его нельзя достичь
На генеральной конференции по мерам и весам была установлена впервые реперная или точка отсчета для измерительных приборов, определяющих показатели температуры.
В настоящее время в Международной системе единиц реперная точка для шкалы Цельсия составляет 0°C при замерзании и 100°C в процессе кипения, значение абсолютного нуля температур приравнивается к −273,15°C.
Используя температурные значения по шкале Кельвина по той же Международный системе измерения единиц, кипение воды будет происходить при реперном значении 99,975°C, абсолютный нуль приравнивается к 0. По Фаренгейту на шкале соответствует показателю -459,67 градусов.
Но, если эти данные получены, почему тогда нельзя на практике достичь абсолютного нуля температур. Для сравнения можно взять известную всем скорость света, которая равна постоянному физическому значению 1 079 252 848,8 км/ч.
Однако эту величину достичь не удается на практике. Она зависит и от длины волны передачи, и от условий, и от необходимого поглощения большого количества энергии частицами. Чтобы получить значение абсолютного нуля температур, необходима большая отдача энергии и отсутствие ее источников для предотвращения попадания ее в атомы и молекулы.
Но даже в условиях полного вакуума ни скорости света, ни абсолютного нуля температур ученым получить так и не удалось.
Почему можно достичь приблизительного нуля температур, но нельзя абсолютного
Что же будет происходить, когда наука сможет вплотную приблизиться к достижению предельно низкого показателя температуры абсолютного нуля, пока остается только в теории термодинамики и квантовой физики. В чем причина, почему нельзя достичь абсолютного нуля температур на практике.
Все известные попытки охладить вещество до самой низкой предельной границы за счет максимальной потери энергии приводили к тому, что значение теплоемкости вещества так же достигало минимального значения. Отдавать оставшуюся часть энергии молекулы уже были просто не в состоянии. В результате процесс охлаждения прекращался, так и не достигнув абсолютного нуля.
При изучении поведения металлов в условиях, приближенных к значению абсолютного нуля температур, ученые установили, что максимальное понижение температуры должно спровоцировать потерю сопротивления.
Но прекращение движения атомов и молекул привело только к образованию кристаллической решетки, через которую проходящие электроны передавали часть своей энергии неподвижным атомам. Достичь абсолютного нуля опять не удалось.
В 2003 году до температуры абсолютного нуля не хватило всего лишь половины миллиардной доли 1°C. Исследователи «NASA» использовали для проведения опытов молекулу Na, которая все время находилась в магнитном поле и отдавала свою энергию.
Ближе всех стало достижение ученых Йельского университета, которое в 2014 году добилась показателя в 0,0025 Кельвинов. Полученное соединение монофторид стронция (SrF) существовало всего лишь 2,5 секунды. И в итоге все равно распалось на атомы.
Абсолютный нуль температуры
Предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры.
Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия.
Приравнивая объем V
в формуле (3.1) нулю и учитывая, что
.
Отсюда абсолютный нуль температуры равен
t = –273 °С. 2
Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.
Наибольшие температуры на Земле – сотни миллионов градусов – получены при взрывах термоядерных бомб. Еще более высокие температуры характерны для внутренних областей некоторых звезд.
2Более точное значение абсолютного нуля: –273,15 °С.
Шкала Кельвина
Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой
Т = t +
273. (3.2)
На рис. 3.2 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.
Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина:
Таким образом, абсолютная температура по определению, даваемому формулой (3.2), является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения a.
Читатель: А какой физический смысл имеет абсолютная температура?
Запишем выражение (3.1) в виде
.
Учитывая, что температура по шкале Кельвина связана с температурой по шкале Цельсия соотношением Т = t + 273, получим
где Т 0 = 273 К, или
Поскольку это соотношение справедливо для произвольной температуры Т , то закон Гей-Люссака можно сформулировать так:
Для данной массы газа при р = const выполняется соотношение
Задача 3.1. При температуре Т 1 = 300 К объем газа V 1 = 5,0 л. Определите объем газа при том же давлении и температуре Т = 400 К.
СТОП! Решите самостоятельно: А1, В6, С2.
Задача 3.2. При изобарическом нагревании объем воздуха увеличился на 1 %. На сколько процентов повысилась абсолютная температура?
= 0,01.
Ответ : 1 %.
Запомним полученную формулу
СТОП! Решите самостоятельно: А2, А3, В1, В5.
Закон Шарля
Французский ученый Шарль экспериментально установил, что если нагревать газ так, чтобы его объем оставался постоянным, то давление газа будет увеличиваться. Зависимость давления от температуры имеет вид:
р (t ) = p 0 (1 + bt ), (3.6)
где р (t ) – давление при температуре t °С; р 0 – давление при 0 °С; b – температурный коэффициент давления, который одинаков для всех газов: 1/К.
Читатель: Удивительно, что температурный коэффициент давления b в точности равен температурному коэффициенту объемного расширения a!
Возьмем определенную массу газа объемом V 0 при температуре Т 0 и давлении р 0 . В первый раз, поддерживая давление газа постоянным, нагреем его до температуры Т 1 . Тогда газ будет иметь объем V 1 = V 0 (1 + at ) и давление р 0 .
Во второй раз, поддерживая объем газа постоянным, нагреем его до той же температуры Т 1 . Тогда газ будет иметь давление р 1 = р 0 (1 + bt ) и объем V 0 .
Так как в обоих случаях температура газа одинакова, то справедлив закон Бойля–Мариотта:
p 0 V 1 = p 1 V 0 Þ р 0 V 0 (1 + at ) = р 0 (1 + bt )V 0 Þ
Þ 1 + at = 1 + bt Þ a = b.
Так что ничего удивительного в том, что a = b, нет!
Перепишем закон Шарля в виде
.
Учитывая, что Т = t °С + 273 °С, Т 0 = 273 °С, получим
