Терминът "температура" се появява в момент, когато физиците смятат, че топлите тела се състоят от по -специфично вещество - калорично - от същите тела, но студено. И температурата се интерпретира 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 движещите се молекули и въз основа на това тя трябва да бъде измерена в джаули, в съответствие със системата от единици C.
Концепцията " абсолютна нулатемпература ”идва от втория закон на термодинамиката. Според него процесът на пренос на топлина от студено тяло към горещо е невъзможен. Тази концепция е въведена от английския физик У. Томсън. За постиженията си във физиката е удостоен с титлата благородство „лорд“ и титлата „барон Келвин“. През 1848 г. У. Томсън (Келвин) предлага да се използва температурна скала, в която за начална точка се приема абсолютната нулева температура, съответстваща на екстремния студ, а степента на Целзий се взема като стойност на разделяне. Единицата по Келвин е 1/27316 частта от температурата на тройната точка на водата (около 0 градуса С), т.е. температура при която чиста водае веднага в три форми: лед, течна вода и пара. температурата е възможно най -ниската ниска температура, при което движението на молекулите спира и вече не е възможно да се извлича топлинна енергия от веществото. Оттогава скалата на абсолютните температури е кръстена на него.
Температурата се измерва по различни скали
Най -често използваната температурна скала се нарича скала на Целзий. Той е изграден върху две точки: при температурата на фазовия преход на водата от течност към пара и вода към лед. А. Целзий през 1742 г. предлага да се раздели разстоянието между референтните точки на 100 интервала и да се вземе водата като нула, докато точката на замръзване е 100 градуса. Но шведът К. Линей предложи да се направи обратното. Оттогава водата замръзва при нула градуса по Целзий. Макар и точно по Целзий, трябва да заври. Абсолютната нула по Целзий съответства на минус 273,16
Има още няколко температурни скали: Фаренхайт, Реумур, Ранкин, Нютон, Ромер. Те имат различни точки на завъртане и разделения. Например скалата на Reaumur също е изградена върху точките 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 воден лед - амоняк, а другата е температурата на човешкото тяло. Скалата е разделена на сто дивизии. Нула по Целзий съответства на 32 Преобразуване на градуси по Фаренхайт може да се извърши по формулата: F = 1,8 C + 32. Обратен превод: C = (F - 32) / 1,8, където: F - градуси по Фаренхайт, C - градуси по Целзий. Ако сте твърде мързеливи да броите, отидете на онлайн услугата за преобразуване на Целзий в Фаренхайт. В полето въведете броя на градусите по Целзий, щракнете върху „Изчисляване“, изберете „Фаренхайт“ и кликнете върху „Старт“. Резултатът ще се появи веднага.
Скалата на Ранкин е кръстена на английския (по -точно шотландски) физик Уилям Дж. Ранкин, който е бил съвременник на Келвин и един от основателите на техническата термодинамика. В скалата му има три важни точки: началото е абсолютна нула, точката на замръзване на водата е 491,67 градуса Ранкин, а точката на кипене на водата е 671,67 градуса. Броят на разделянията между замръзването на водата и нейното кипене както при Ранкин, така и при Фаренхайт е 180.
Повечето от тези скали се използват изключително от физици. 40% от анкетираните американски гимназисти тези дни заявиха, че не знаят какво е абсолютната нулева температура.
Какво е абсолютната нула (обикновено нула)? Дали тази температура наистина съществува някъде във Вселената? Можем ли да охладим нещо до абсолютна нула в реалния живот? Ако се чудите дали е възможно да изпреварите студената вълна, нека да изследваме най -далечните граници на студената температура ...
Дори и да не сте физик, вероятно сте запознати с понятието температура. Температурата е мярка за количеството вътрешна произволна енергия в материала. Думата „вътрешен“ е много важна. Хвърлете снежна топка и въпреки че основното движение ще бъде достатъчно бързо, снежната топка ще остане доста студена. От друга страна, ако погледнете въздушните молекули, летящи из една стая, обикновена кислородна молекула се пържи със скорост от хиляди километри в час.
Склонни сме да мълчим, когато става въпрос за технически подробности, така че за експертите посочваме, че температурата е малко по -сложна, отколкото казахме. Истинската дефиниция на температурата означава колко енергия трябва да похарчите за всяка единица ентропия (бъркотия, ако искате по -ясна дума). Но нека да пропуснем тънкостите и просто да спрем на факта, че случайните молекули въздух или вода в леда ще се движат или вибрират все по -бавно с понижаване на температурата.
Абсолютната нула е температура от -273,15 градуса по Целзий, -459,67 по Фаренхайт и само 0 Келвин. Това е точката, в която топлинното движение спира напълно.
Всичко спира ли?
При класическото разглеждане на въпроса всичко спира на абсолютна нула, но точно в този момент ужасната муцуна на квантовата механика наднича от ъгъла. Едно от предсказанията на квантовата механика, развалило кръвта на немалко физици, е, че никога не можете да измерите точното положение или инерция на частица с пълна сигурност. Това е известно като принципа на неопределеността на Хайзенберг.
Ако можете да охладите херметична стая до абсолютна нула, щяха да се случат странни неща (повече за това след малко). Налягането на въздуха ще падне почти до нула и тъй като въздушното налягане обикновено се противопоставя на гравитацията, въздухът се срутва в много тънък слой на пода.
Но дори и така, ако можете да измервате отделни молекули, ще откриете нещо любопитно: те вибрират и се въртят, много малко - квантова несигурност при работа. За да поставим точка i: Ако измерите въртенето на молекулите на въглеродния диоксид при абсолютна нула, ще откриете, че кислородните атоми летят около въглерода със скорост от няколко километра в час - много по -бързо от очакваното.
Разговорът спира. Когато говорим за квантовия свят, движението губи смисъла си. При този мащаб всичко се определя от несигурност, така че не става въпрос за частици, които са неподвижни, просто никога не можете да ги измерите, сякаш са неподвижни.
Колко ниско можеш да паднеш?
Преследването на абсолютна нула среща по същество същите проблеми като преследването на скоростта на светлината. Необходимо е безкрайно количество енергия, за да се увеличи скоростта на светлината, 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 това (макар и „много“ в този случай, концепцията е много разтеглива; като детска броячка: две, три, четири, четири и половина, четири на връв, четири по конец, пет). Най -ниската температура, регистрирана някога на Земята, е регистрирана в Антарктида през 1983 г., при около -89,15 градуса по Целзий (184K).
Разбира се, ако искате да се разхладите не по детски, трябва да се потопите в дълбините на космоса. Цялата вселена е залята с остатъци от радиация от Големия взрив, в празните области на космоса - 2,73 градуса по Келвин, което е малко по -студено от температурата на течния хелий, която успяхме да получим на Земята преди век.
Но физиците с ниска температура използват замръзващи лъчи, за да донесат технологията напълно ново ниво... Може да ви изненада, че замръзващите лъчи приемат формата на лазери. Но как? Лазерите трябва да горят.
Точно така, но лазерите имат една особеност - може дори да се каже ултиматум: цялата светлина се излъчва на една и съща честота. Обикновените неутрални атоми изобщо не взаимодействат със светлината, освен ако честотата не е точно настроена. Ако атомът лети към източника на светлина, светлината получава доплерово изместване и отива на по -висока честота. Атомът поглъща по -малко фотонна енергия, отколкото би могъл. Така че, ако настроите лазера надолу, бързо движещите се атоми ще абсорбират светлината, а когато излъчват фотон в произволна посока, те ще загубят средно малко енергия. Повтаряйки процеса, можете да охладите газа до по -малко от един nanoKelvin, милиардна част от градуса.
Всичко придобива по -екстремен цвят. Световният рекорд за най -ниска температура е по -малко от една десета от един милиард градуса над абсолютната нула. Устройства, които улавят атомите в магнитни полета. "Температурата" зависи не толкова от самите атоми, колкото от спина на атомните ядра.
Сега, за да възстановим справедливостта, трябва да фантазираме малко. Когато обикновено си представяме нещо замразено до една милиардна част от степента, вероятно рисувате картина как дори молекулите на въздуха замръзват на място. Може дори да си представим опустошително апокалиптично устройство, замразяващо въртенето 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 фоновото излъчване във Вселената ще се охлади до 1K. След 95 милиарда години температурата ще бъде около 0,01K. След 400 милиарда години дълбокото пространство ще бъде студено като най -студения експеримент на Земята, а след това дори по -студено.
Ако се чудите защо Вселената се охлажда толкова бързо, благодарете на нашите стари приятели: ентропия и тъмна енергия. Вселената е в режим на ускорение, навлизайки в период на експоненциален растеж, който ще продължи завинаги. Нещата ще замръзнат много бързо.
Какво ни интересува?
Всичко това, разбира се, е прекрасно, а чупенето на рекорди също е приятно. Но какъв е смисълът? Е, има много добри причини да бъдете наясно с нискотемпературните температури, а не само като победител.
Симпатичните момчета от Националния институт по стандарти и технологии например просто искаха да направят готин часовник. Стандартите за време се основават на неща като честотата на цезиевия атом. Ако атомът на цезия се движи твърде много, ще се появи несигурност на измерването, което в крайна сметка ще доведе до неизправност на часовника.
Но по -важното е, особено от научна гледна точка, материалите се държат безумно при изключително ниски температури. Например, точно както лазерът е направен от фотони, които се синхронизират помежду си - със същата 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 свръхтечни, което означава, че те могат да бъдат напълно невискозни, подредени в свръхтънки слоеве и дори да се противопоставят на гравитацията, за да се постигне минимална енергия. Също така при ниски температури много материали стават свръхпроводящи, което означава, че няма електрическо съпротивление.
Свръхпроводниците могат да реагират на външни магнитни полета по такъв начин, че напълно да ги анулират вътре в метала. В резултат на това можете да комбинирате студена температура и магнит и да получите нещо като левитация.
Защо има абсолютна нула, но няма абсолютен максимум?
Нека да разгледаме другата крайност. Ако температурата е само мярка за енергия, тогава човек може просто да си представи атомите, които се доближават все по -близо до скоростта на светлината. Не може ли да продължи вечно?
Има кратък отговор: 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 представлява. Най-високата температура, която някога е съществувала (поне в нашата вселена) вероятно се е случила по време на така нареченото „време на Планк“.
Това беше момент, дълъг 10 ^ -43 секунди след Големия взрив, когато гравитацията, отделена от квантовата механика и физиката, беше точно това, което е днес. Температурата по това време беше около 10 ^ 32 К. Това е септилион пъти по -горещо от вътрешността на нашето слънце.
Отново изобщо не сме сигурни дали това е най -горещата температура, която би могла да бъде. Тъй като дори нямаме голям модел на Вселената по времето на Планк, ние дори не сме сигурни, че Вселената е завряла до такова състояние. Във всеки случай ние сме много пъти по -близо до абсолютната нула, отколкото до абсолютната топлина.
Науката
Доскоро най -студената температура, която физическото тяло би могло да има, се счита за температурата на "абсолютна нула" по скалата на Келвин. Съответства −273,15 градуса по Целзийили −460 градуса по Фаренхайт.
Сега физиците от Германия са успели да достигнат температури под абсолютната нула. Подобно откритие ще помогне на учените да разберат явления като тъмната енергия и да създадат нови форми на материята.
Абсолютна нулева температура
В средата на 19 век британският физик лорд Келвин създава скалата абсолютна температураи определи това нищо не може да бъде по -студено от абсолютната нула... Когато частиците са на абсолютна нула, те спират да се движат и нямат енергия.
Температурата на обекта е мярка за това колко атоми се движат. Колкото по -студен е обектът, толкова по -бавно се движат атомите. При абсолютна нула или -273,15 градуса по Целзий атомите спират да се движат.
През 50 -те години на миналия век физиците започнаха да твърдят, че частиците не винаги губят енергия при абсолютна нула.
Учени от Университет Лудвиг-Максимилианв Мюнхен и Институт за квантова оптика на Макс Планкв Garching е създаден газ, който става по -студено от абсолютната нула с няколко нанокелвина.
Те охлаждат около 100 000 атома до положителна температураняколко нанокелвина (нанокелвинът е една милиардна част от келвин) и използваха мрежа от лазерни лъчи и магнитни полета, за да контролират поведението на атомите и да ги изтласкат до нова температурна граница.
Най -високата температура
Ако се вземе предвид възможно най -ниската температура абсолютна нула, тогава коя температура може да се счита за нейната противоположност - най -високата температура? Според космологичните модели най -високата възможна температура е температурата на Планк, която съответства на 1.416785 (71) x 1032 келвина (141 нонилиона 679 октилиона градуса).
Нашата Вселена вече е преминала през температурата на Планк. Това се случи 10 ^ -42 секунди след Големия взрив, когато Вселената се роди.
Най -студената температура на Земята
Най -ниската температура на Земята е регистрирана на 21 юли 1983 г. на станция Восток в Антарктида и беше такава -89,2 градуса по Целзий.
Гара Восток е най -студеното постоянно обитавано място на Земята. Основан е от Русия през 1957 г. и се намира на 3488 метра над морското равнище.
Най -високата температура на Земята
Най -високата температура на Земята е регистрирана на 10 юли 1913 г. в Долината на смъртта в Калифорния и това е било 56,7 градуса по Целзий.
Предишен рекорд на най -много висока температурасветът в град Ал-Азизия в Либия, който възлиза на 57,7 градуса по Целзий, беше опроверган Световната метеорологична организацияпоради ненадеждни данни.
Обектът е в процес на реставрация. Редактирането на текст временно не е наличноАбсолютна нула (друга версия на правописа „абсолютна нула“)- максималната минимална температура. Отговаря на приблизително - 273,15 градуса по Целзий или 0 градуса по Келвин.
Концепцията за абсолютна нула възникна след като беше изложена хипотезата, че наблюдаваната топлина е скоростта на движение на частиците. Теоретично се предполага, че абсолютната нула е, когато дори най -малките частици, атоми, престанат да се движат.
Всъщност тази температура е недостижима, тъй като атомите запазват малко количество енергия и само пълното им отсъствие съответства на абсолютната нула.
При температури, близки до абсолютната нула, квантовите явления са по -изразени, което направи възможно създаването на прости, квантови компютри, използвайки метода на охлаждане.
С намаляване на температурата на металите те имат свойствата на свръхпроводимост.
Учените успяха да охладят атомите до температури, близки до абсолютната нула - до 170 нанокелвин (по -малко от един градус по Келвин, приблизително - 273,14 по Целзий).
Историята на получаването на супер студени обекти
Първи преживявания
Първите опити за получаване на „свръхстудени обекти“ бяха почти нещо повече от замразяване на вода с добавяне на сол. Добавената сол, в зависимост от концентрацията, повиши точката на замръзване на водата с няколко градуса над 100 градуса по Целзий. (Дълго време скалата на Целзий беше „обърната“)Подобно явление е във водите на Северния и Антарктическия океан
Откриване на втечняване на газове
Значителен напредък в понижаването на температурата стана експериментът с хлорен газ. В резултат на експеримента ученият се заинтересува от неочаквано появилата се зеленикава течност на дъното на запечатана колба с нагрят газ. След като е счупил колбата (докато е наранил очите си с осколки), той е видял, че течността се е изпарила, а на мястото, където е била, се е появила слана. Така течността на газовете е открита за първи път - с увеличаване на налягането, както и охлаждане на обекти - с изпаряване на получената течност.Ученият описа и предложи, че това явление може да се използва в бъдеще за съхранение на храна.
В бъдеще Фарадей получава втечнен всички газове, известни по това време, с изключение на: въглероден окис, кислород и водород.
Останалите газове, под въздействието само на налягане, ставаха все по -трудни за превръщане в течно състояние и водородът изобщо не можеше да се получи.
Производство на течен водород -222,65 ° C и хелий - 268,9 ° C
Следващият човек, който успя да се доближи значително до температурата на абсолютната нула, беше Джеймс Дюар, който успя да охлади водорода до температура от -222,65 ° C. За охлаждане, в допълнение към използваното налягане, той използва верижно охлаждане на газове, течен кислород - охладен водород.Скоро в съседната лаборатория, където работи Джеймс, се случи откриването на хелий, който в течно състояние трябваше да има температура от 268,9 ° C. Джеймс Деуър започва да се опитва да произвежда хелий в течно състояние, но се сблъсква с много проблеми. Ученият, който е открил хелий, е бил в кавга в него, а балонът със скъп (по това време) хелий, придобит в крайна сметка, е бил случайно издухан от неговия асистент.
Heike Kamerlingh Onnes, използвайки същата технология за каскадно охлаждане, победи Джеймс и спечели Нобелова награда за течен хелий.
Хелий при температури, близки до абсолютната нула, се оказа с необичайни свойства. Тези свойства се наричат свръхфлуидност и нулев вискозитет. Течният хелий успя да преодолее капацитета на съда, в който се намира, и се издигна нагоре по стените. През 1939 г. руският учен Пьотър Леонидович Капица открива за първи път свръхтечност. Малка, безкрайно течаща "чешма" се появи вътре в капчица течен хелий с по -нататъшно увеличаване на налягането.
Течният хелий все още се счита за най -студеното вещество, произвеждано някога от човека, с изключение на кондензата на Бор на Айнщайн. Хелият не може да премине в твърдо състояние дори при абсолютна нула (без повишаване на налягането).
Производство на кондензат по Бор-Айнщайн: 170 нанокелвин
През 20 -те години на ХХ век индийският учен Шатиендраната Бозе изпраща писмо с работата си за изчисляване на явления според теориите на Айнщайн. Айнщайн, в сътрудничество с Bose, прогнозира появата на специално вещество -агрегат при температура, все още близка до абсолютната нула. Това агрегатно състояние е кръстено на името на учените "кондензат на Бор-Айнщайн". Кондензатът има квантови свойства на макроскопско ниво.
Кондензатът на Бор-Айнщайн е получен едва през 1995 г. За да се доближи максимално температурата до абсолютната нула, бяха използвани лазери, които забавиха движението на частиците и „кондензатор“ освободи бързо движещи се частици.
Температурата на кондензата е 170 нанокелвин. Движението на светлината се забавя вътре.
