Терминът „температура“ се появи във време, когато физиците смятаха, че топлите тела се състоят от повече специфично вещество - калории - отколкото същите тела, но студени. И температурата се тълкува като стойност, съответстваща на количеството калории в тялото. Оттогава температурата на всяко тяло се измерва в градуси. Но всъщност това е мярка за кинетичната енергия на движещи се молекули и въз основа на това трябва да се измерва в джаули, в съответствие със системата от единици С.

Концепцията за „абсолютна нулева температура“ идва от втория закон на термодинамиката. Според него процесът на пренос на топлина от студено тяло към горещо е невъзможен. Това понятие е въведено от английския физик У. Томсън. За постиженията си във физиката той получава благородническата титла „Лорд” и титлата „Барон Келвин”. През 1848 г. У. Томсън (Келвин) предлага да се използва температурна скала, в която той взема абсолютната нулева температура, съответстваща на екстремни студове, като начална точка и взема градуси по Целзий като стойност на делението. Единицата Келвин е 1/27316 от температурата на тройната точка на водата (около 0 градуса C), т.е. температура, при която чистата вода веднага съществува в три форми: лед, течна вода и пара. температура е най-ниската възможна ниска температура, при която движението на молекулите спира и вече не е възможно да се извлече топлинна енергия от дадено вещество. Оттогава абсолютната температурна скала носи неговото име.

Температурата се измерва на различни скали

Най-често използваната температурна скала се нарича скала на Целзий. Тя се основава на две точки: на температурата на фазовия преход на водата от течност към пара и вода към лед. А. Целзий през 1742 г. предлага разделяне на разстоянието между референтните точки на 100 интервала и приемане на водата за нула, с точка на замръзване като 100 градуса. Но шведът К. Линей предложи да се направи обратното. Оттогава водата е замръзнала при нула градуса по Целзий. Въпреки че трябва да заври точно при Целзий. Абсолютната нула по Целзий съответства на минус 273,16 градуса по Целзий.

Има още няколко температурни скали: Фаренхайт, Реомюр, Ранкин, Нютон, Ромер. Имат различни цени на разделение. Например, скалата на Reaumur също е изградена върху референтните точки на кипене и замръзване на водата, но има 80 деления. Скалата на Фаренхайт, която се появи през 1724 г., се използва в ежедневието само в някои страни по света, включително САЩ; едната е температурата на сместа от воден лед и амоняк, а другата е температурата на човешкото тяло. Скалата е разделена на сто деления. Нула по Целзий съответства на 32. Преобразуването на градуси във Фаренхайт може да се извърши по формулата: F = 1,8 C + 32. Обратно преобразуване: C = (F - 32)/1,8, където: F - градуси по Фаренхайт, C - градуси по Целзий. Ако ви мързи да броите, отидете на онлайн услуга за преобразуване на Целзий във Фаренхайт. В полето въведете броя градуси по Целзий, щракнете върху „Изчисли“, изберете „Фаренхайт“ и щракнете върху „Старт“. Резултатът ще се появи веднага.

Носи името на английския (по-точно шотландски) физик Уилям Дж. Ранкин, който е съвременник на Келвин и един от създателите на техническата термодинамика. Има три важни точки в неговата скала: началото е абсолютната нула, точката на замръзване на водата е 491,67 градуса по Ранкин и точката на кипене на водата е 671,67 градуса. Броят на деленията между замръзването на водата и нейното кипене както за Ранкин, така и за Фаренхайт е 180.

Повечето от тези скали се използват изключително от физици. А 40% от анкетираните днес американски гимназисти казаха, че не знаят какво е абсолютна нула.

Абсолютната нула съответства на температура от −273,15 °C.

Смята се, че абсолютната нула е недостижима на практика. Неговото съществуване и позиция в температурната скала следва от екстраполация на наблюдаваните физични явления и такава екстраполация показва, че при абсолютна нула енергията на топлинното движение на молекулите и атомите на дадено вещество трябва да бъде равна на нула, тоест хаотичното движение на частиците спира и те образуват подредена структура, заемаща ясно положение във възлите на кристалната решетка. Всъщност обаче, дори при абсолютна нула температура, регулярните движения на частиците, които изграждат материята, ще останат. Останалите трептения, като трептения на нулева точка, се дължат на квантовите свойства на частиците и физическия вакуум, който ги заобикаля.

Понастоящем във физическите лаборатории е възможно да се получат температури, превишаващи абсолютната нула само с няколко милионни от градуса; да го постигне сам, според законите на термодинамиката, е невъзможно.

Бележки

Литература

• Г. Бурмин. Нападение срещу абсолютната нула. - М .: „Детска литература“, 1983 г.

Вижте също

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво е „абсолютна нула“ в други речници:

Температури, произходът на температурата в термодинамичната температурна скала (виж ТЕРМОДИНАМИЧНА ТЕМПЕРАТУРНА СКАЛА). Абсолютната нула се намира на 273,16 °C под температурата на тройната точка (вижте ТРОЙНА ТОЧКА) на водата, за която се приема ... ... енциклопедичен речник

Температури, произходът на температурата в термодинамичната температурна скала. Абсолютната нула се намира на 273,16°C под температурата на тройната точка на водата (0,01°C). Абсолютната нула е фундаментално недостижима, температурите са почти достигнати... ... Съвременна енциклопедия

Температурите са началната точка за температурата на термодинамичната температурна скала. Абсолютната нула се намира на 273.16.C под температурата на тройната точка на водата, за която стойността е 0.01.C. Абсолютната нула е фундаментално недостижима (вижте... ... Голям енциклопедичен речник

Температурата, която изразява липсата на топлина, е равна на 218° C. Речник на чуждите думи, включени в руския език. Павленков Ф., 1907. абсолютна нула температура (физична) - най-ниската възможна температура (273,15°C). Голям речник...... Речник на чуждите думи на руския език

абсолютна нула- Изключително ниската температура, при която топлинното движение на молекулите спира; по скалата на Келвин абсолютната нула (0°K) съответства на –273,16±0,01°C... Речник по география

Съществително име, брой синоними: 15 кръгла нула (8) малък човек (32) малка пържена ... Речник на синонимите

Изключително ниската температура, при която топлинното движение на молекулите спира. Налягането и обемът на идеален газ, според закона на Бойл-Мариот, стават равни на нула, а началото на абсолютната температура по скалата на Келвин се приема за ... ... Екологичен речник

абсолютна нула- - [A.S. Goldberg. Англо-руски енергиен речник. 2006] Енергийни теми като цяло EN zeropoint ... Ръководство за технически преводач

Началото на абсолютната еталонна температура. Съответства на 273,16° C. Понастоящем във физическите лаборатории е възможно да се получи температура, превишаваща абсолютната нула само с няколко милионни от градуса, и да се постигне това, съгласно законите... ... Енциклопедия на Collier

абсолютна нула- absoliutusis nulis statusas T sritis Standartizacija и метрология apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. 273,16 °C, 459,69 °F или 0 K температура. atitikmenys: англ.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

абсолютна нула- absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). атитикменис: англ. абсолютна нула рус. абсолютна нула... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Какво е абсолютна нула (обикновено нула)? Дали тази температура наистина съществува някъде във Вселената? Можем ли да охладим нещо до абсолютната нула в реалния живот? Ако се чудите дали е възможно да победите студената вълна, нека изследваме най-отдалечените ниски температури...

Какво е абсолютна нула (обикновено нула)? Дали тази температура наистина съществува някъде във Вселената? Можем ли да охладим нещо до абсолютната нула в реалния живот? Ако се чудите дали е възможно да победите студената вълна, нека изследваме най-отдалечените ниски температури...

Дори и да не сте физик, вероятно сте запознати с понятието температура. Температурата е мярка за количеството вътрешна произволна енергия на даден материал. Думата "вътрешен" е много важна. Хвърлете снежна топка и въпреки че основното движение ще бъде доста бързо, снежната топка ще остане доста студена. От друга страна, ако погледнете молекулите на въздуха, летящи из стаята, обикновената кислородна молекула се пържи с хиляди километри в час.

Склонни сме да мълчим, когато става дума за технически подробности, така че само за експертите, нека отбележим, че температурата е малко по-сложна, отколкото казахме. Истинската дефиниция на температурата включва колко енергия трябва да изразходвате за всяка единица ентропия (разстройство, ако искате по-ясна дума). Но нека пропуснем тънкостите и просто се съсредоточим върху факта, че произволни молекули въздух или вода в леда ще се движат или вибрират все по-бавно и по-бавно с падането на температурата.

Абсолютната нула е температура от -273,15 градуса по Целзий, -459,67 по Фаренхайт и просто 0 Келвина. Това е точката, в която топлинното движение спира напълно.

Всичко ли спира?

В класическото разглеждане на въпроса всичко спира до абсолютната нула, но именно в този момент иззад ъгъла наднича страшното лице на квантовата механика. Едно от предсказанията на квантовата механика, което развали кръвта на повече от няколко физици, е, че никога не можете да измерите точната позиция или импулс на частица с пълна сигурност. Това е известно като принцип на неопределеността на Хайзенберг.

Ако можете да охладите запечатана стая до абсолютна нула, ще се случат странни неща (повече за това по-късно). Налягането на въздуха ще падне почти до нула и тъй като налягането на въздуха обикновено се противопоставя на гравитацията, въздухът ще се срути в много тънък слой на пода.

Но дори и така, ако можете да измерите отделни молекули, ще откриете нещо интересно: те вибрират и се въртят, просто малко квантова несигурност в действие. За да поставим точката на i, ако измерите въртенето на молекулите на въглеродния диоксид при абсолютната нула, ще откриете, че кислородните атоми летят около въглерода с няколко километра в час - много по-бързо, отколкото сте предполагали.

Разговорът стига до задънена улица. Когато говорим за квантовия свят, движението губи смисъл. В тези мащаби всичко се определя от несигурност, така че не е, че частиците са неподвижни, а просто никога не можете да ги измерите, сякаш са неподвижни.

Асинхронен: вярно )); )); t = d.getElementsByTagName("скрипт"); s = d.createElement("скрипт"); s.type = "текст/javascript"; s.src = "//an.yandex.ru/system/context.js"; s.async = вярно; t.parentNode.insertBefore(s, t); ))(това, this.document, "yandexContextAsyncCallbacks");

Колко ниско може да отидете?

Преследването на абсолютната нула по същество е изправено пред същите проблеми като преследването на скоростта на светлината. За достигане на скоростта на светлината е необходимо безкрайно количество енергия, а достигането на абсолютна нула изисква извличане на безкрайно количество топлина. И двата процеса са невъзможни.

Въпреки факта, че все още не сме постигнали действителното състояние на абсолютната нула, ние сме много близо до нея (въпреки че „много“ в този случай е много свободно понятие; като детска песничка: две, три, четири, четири и a половина, четири на връв, четири на косъм, пет). Най-студената температура, регистрирана някога на Земята, е регистрирана в Антарктида през 1983 г. при -89,15 градуса по Целзий (184K).

Разбира се, ако искате да се разхладите по детски, трябва да се потопите в дълбините на космоса. Цялата вселена се къпе в остатъците от радиация от Големия взрив, в най-празните области на космоса - 2,73 градуса по Келвин, което е малко по-студено от температурата на течния хелий, който успяхме да получим на Земята преди век.

Но физиците по ниски температури използват лъчи на замръзване, за да изведат технологията на съвсем ново ниво. Може да ви изненада да знаете, че замразяващите лъчи са под формата на лазери. Но как? Предполага се, че лазерите горят.

Всичко е вярно, но лазерите имат една характеристика - може дори да се каже, най-добрата: цялата светлина се излъчва на една честота. Обикновените неутрални атоми изобщо не взаимодействат със светлината, освен ако честотата не е прецизно настроена. Ако атом лети към източник на светлина, светлината получава доплерово изместване и достига по-висока честота. Атомът абсорбира по-малко фотонна енергия, отколкото би могъл. Така че, ако настроите лазера по-ниско, бързо движещите се атоми ще абсорбират светлина и като излъчват фотон в произволна посока, те ще загубят средно малко енергия. Ако повторите процеса, можете да охладите газа до температура под един нанокелвин, една милиардна от градуса.

Всичко придобива по-краен тон. Световният рекорд за най-ниска температура е по-малко от една десета от един милиард градуса над абсолютната нула. Устройствата, които постигат това, улавят атомите в магнитни полета. „Температурата“ зависи не толкова от самите атоми, колкото от въртенето на атомните ядра.

Сега, за да възстановим справедливостта, трябва да сме малко креативни. Когато обикновено си представяме нещо замръзнало до една милиардна от градуса, вероятно получавате картина дори на въздушни молекули, които замръзват на място. Човек дори може да си представи разрушително апокалиптично устройство, което замразява гърбовете на атомите.

В крайна сметка, ако наистина искате да изпитате ниски температури, всичко, което трябва да направите, е да изчакате. След около 17 милиарда години радиационният фон във Вселената ще се охлади до 1K. След 95 милиарда години температурата ще бъде приблизително 0,01K. След 400 милиарда години дълбокият космос ще бъде студен като най-студения експеримент на Земята, а след това дори още по-студен.

Ако се чудите защо вселената се охлажда толкова бързо, благодарете на нашите стари приятели: ентропията и тъмната енергия. Вселената е в режим на ускорение, навлизайки в период на експоненциален растеж, който ще продължи вечно. Нещата ще замръзнат много бързо.

какво ни интересува

Всичко това, разбира се, е прекрасно и чупенето на рекорди също е хубаво. Но какъв е смисълът? Е, има много добри причини да разбираме ниските температури, и то не само като победител.

Добрите хора от NIST, например, просто биха искали да направят страхотен часовник. Стандартите за време се основават на неща като честотата на цезиевия атом. Ако атомът на цезия се движи твърде много, това създава несигурност в измерванията, което в крайна сметка ще доведе до неизправност на часовника.

Но по-важното е, особено от научна гледна точка, че материалите се държат лудо при изключително ниски температури. Например, точно както лазерът е направен от фотони, които са синхронизирани един с друг - на една и съща честота и фаза - така може да се създаде материал, известен като кондензат на Бозе-Айнщайн. В него всички атоми са в едно и също състояние. Или си представете амалгама, в която всеки атом губи своята индивидуалност и цялата маса реагира като един нулев супер атом.

При много ниски температури много материали стават свръхфлуидни, което означава, че не могат да имат никакъв вискозитет, да се натрупват в ултратънки слоеве и дори да се противопоставят на гравитацията, за да постигнат минимум енергия. Освен това при ниски температури много материали стават свръхпроводящи, което означава, че няма електрическо съпротивление.

Свръхпроводниците са в състояние да реагират на външни магнитни полета по такъв начин, че напълно да ги отменят вътре в метала. В резултат можете да комбинирате ниска температура и магнит и да получите нещо като левитация.

Защо има абсолютна нула, но не и абсолютен максимум?

Нека погледнем другата крайност. Ако температурата е просто мярка за енергия, тогава можем просто да си представим, че атомите се приближават все по-близо до скоростта на светлината. Това не може да продължава вечно, нали?

Краткият отговор е: не знаем. Възможно е буквално да съществува такова нещо като безкрайна температура, но ако има абсолютна граница, младата вселена предоставя някои доста интересни улики за това какво е тя. Най-високата температура, известна някога (поне в нашата вселена), вероятно е настъпила по времето, известно като времето на Планк.

Беше момент 10^-43 секунди след Големия взрив, когато гравитацията се отдели от квантовата механика и физиката стана точно това, което е сега. Температурата по това време е била приблизително 10^32 K. Това е септилион пъти по-горещо от вътрешността на нашето Слънце.

Отново, изобщо не сме сигурни дали това е най-горещата температура, която може да бъде. Тъй като дори нямаме голям модел на Вселената по времето на Планк, ние дори не сме сигурни дали Вселената е кипнала до такова състояние. Във всеки случай ние сме многократно по-близо до абсолютната нула, отколкото до абсолютната топлина.

Абсолютна нулева температура

Граничната температура, при която обемът на идеален газ става равен на нула, се приема като абсолютна нулева температура.

Нека намерим стойността на абсолютната нула по скалата на Целзий.
Изравняване на обема Vвъв формула (3.1) нула и като се има предвид това

.

Следователно температурата на абсолютната нула е

T= –273 °C. 2

Това е екстремната, най-ниската температура в природата, онази „най-голяма или последна степен на студ“, чието съществуване предсказа Ломоносов.

Най-високите температури на Земята - стотици милиони градуси - се получават при експлозии на термоядрени бомби. Още по-високи температури са характерни за вътрешните области на някои звезди.

2По-точна стойност на абсолютната нула: –273,15 °C.

Скала на Келвин

Английският учен У. Келвин въведе абсолютен мащабтемператури Нулевата температура по скалата на Келвин съответства на абсолютната нула, а единицата за температура по тази скала е равна на градус по скалата на Целзий, така че абсолютната температура Tе свързано с температурата по скалата на Целзий с формулата

T = t + 273. (3.2)

На фиг. 3.2 показва абсолютната скала и скалата на Целзий за сравнение.

Единицата SI за абсолютна температура се нарича келвин(съкратено К). Следователно, един градус по скалата на Целзий е равен на един градус по скалата на Келвин:

По този начин абсолютната температура, съгласно дефиницията, дадена с формула (3.2), е производна величина, която зависи от температурата по Целзий и от експериментално определената стойност на a.

Читател:Какво физическо значение има абсолютната температура?

Нека запишем израз (3.1) във формата

.

Като се има предвид, че температурата по скалата на Келвин е свързана с температурата по скалата на Целзий чрез връзката T = t + 273, получаваме

Където T 0 = 273 К, или

Тъй като тази връзка е валидна за произволна температура T, тогава законът на Гей-Люсак може да се формулира по следния начин:

За дадена маса газ при p = const е валидна следната зависимост:

Задача 3.1.При температура T 1 = 300 K обем на газа V 1 = 5,0 л. Определете обема на газа при същото налягане и температура T= 400 K.

СПРИ СЕ! Решете сами: A1, B6, C2.

Задача 3.2.По време на изобарно нагряване обемът на въздуха се увеличава с 1%. С колко процента се е увеличила абсолютната температура?

= 0,01.

Отговор: 1 %.

Нека си спомним получената формула

СПРИ СЕ! Решете сами: A2, A3, B1, B5.

Законът на Чарлз

Френският учен Чарлз експериментално установи, че ако газът се нагрее така, че обемът му да остане постоянен, налягането на газа ще се увеличи. Зависимостта на налягането от температурата има формата:

Р(T) = стр 0 (1 + b T), (3.6)

Където Р(T) – налягане при температура T°C; Р 0 – налягане при 0 °C; b е температурният коефициент на налягане, който е еднакъв за всички газове: 1/K.

Читател:Изненадващо, температурният коефициент на налягане b е точно равен на температурния коефициент на обемно разширение a!

Нека вземем определена маса газ с обем V 0 при температура T 0 и налягане Р 0 . За първи път, поддържайки постоянно налягане на газа, го нагряваме до температура T 1 . Тогава газът ще има обем V 1 = V 0 (1 + а T) и налягане Р 0 .

Вторият път, поддържайки обема на газа постоянен, го нагряваме до същата температура T 1 . Тогава газът ще има налягане Р 1 = Р 0 (1 + b T) и обем V 0 .

Тъй като и в двата случая температурата на газа е една и съща, законът на Бойл-Мариот е валиден:

стр 0 V 1 = стр 1 V 0 Þ Р 0 V 0 (1 + а T) = Р 0 (1 + b T)V 0 Þ

Þ 1 + а t = 1 + б TÞ a = b.

Така че не е изненадващо, че a = b, не!

Нека пренапишем закона на Чарлз във формата

.

Като се има предвид това T = T°С + 273 °С, T 0 = 273 °C, получаваме

Всяко физическо тяло, включително всички обекти във Вселената, има минимална температура или нейна граница. Отправната точка на всяка температурна скала се счита за стойността на абсолютната нула температура. Но това е само на теория. Хаотичното движение на атомите и молекулите, които в този момент отдават енергията си, все още не е спряно на практика.

Това е основната причина да не могат да се достигнат абсолютни нулеви температури. Все още се водят дебати за последствията от този процес. От гледна точка на термодинамиката тази граница е недостижима, тъй като топлинното движение на атомите и молекулите спира напълно и се образува кристална решетка.

Представителите на квантовата физика предвиждат наличието на минимални нулеви колебания при абсолютни нулеви температури.

Каква е стойността на абсолютната нулева температура и защо тя не може да бъде постигната

На Генералната конференция по теглилки и мерки за първи път беше установена референтна или референтна точка за измервателни уреди, които определят температурни индикатори.

Понастоящем в Международната система от единици референтната точка за скалата на Целзий е 0°C за замръзване и 100°C за кипене, стойността на абсолютните нулеви температури е равна на −273,15°C.

Използвайки температурни стойности по скалата на Келвин съгласно същата международна система от единици, кипенето на водата ще настъпи при референтната стойност от 99,975 ° C, абсолютната нула е равна на 0. По скалата на Фаренхайт индикаторът съответства на -459,67 градуса .

Но ако тези данни са получени, защо тогава е невъзможно да се постигнат абсолютни нулеви температури на практика? За сравнение можем да вземем добре познатата скорост на светлината, която е равна на постоянната физическа стойност от 1 079 252 848,8 km/h.

Тази стойност обаче не може да бъде постигната на практика. Това зависи от дължината на вълната на предаване, условията и необходимото поглъщане на голямо количество енергия от частиците. За да се получи стойността на абсолютните нулеви температури, е необходим голям добив на енергия и липсата на нейни източници, за да се предотврати навлизането й в атомите и молекулите.

Но дори в условията на пълен вакуум учените не успяха да получат нито скоростта на светлината, нито абсолютните нулеви температури.

Защо е възможно да се достигнат приблизително нулеви температури, но не и абсолютна нула?

Какво ще се случи, когато науката може да се доближи до постигането на изключително ниската температура на абсолютната нула, остава само в теорията на термодинамиката и квантовата физика. Каква е причината на практика да не могат да се постигнат абсолютни нулеви температури.

Всички известни опити за охлаждане на вещество до най-ниската граница поради максимална загуба на енергия доведоха до факта, че топлинният капацитет на веществото също достигна минимална стойност. Молекулите просто вече не са в състояние да отдадат останалата енергия. В резултат на това процесът на охлаждане спря, без да достигне абсолютната нула.

Когато изучават поведението на металите при условия, близки до абсолютната нула, учените установиха, че максималното понижение на температурата трябва да провокира загуба на устойчивост.

Но спирането на движението на атомите и молекулите води само до образуването на кристална решетка, през която преминаващите електрони предават част от енергията си на неподвижни атоми. Отново не беше възможно да се достигне абсолютната нула.

През 2003 г. температурата беше само половин милиард от 1°C по-ниска от абсолютната нула. Изследователите на НАСА са използвали Na молекула за провеждане на експерименти, която винаги е била в магнитно поле и е отдала своята енергия.

Най-близкото постижение е постигнато от учени от Йейлския университет, които през 2014 г. постигнаха цифра от 0,0025 Келвина. Полученото съединение, стронциев монофлуорид (SrF), продължи само 2,5 секунди. И накрая все пак се разпада на атоми.