Le terme « température » est apparu à une époque où les physiciens pensaient que les corps chauds sont constitués de substance plus spécifique - calorique - que les mêmes corps, mais froides. Et la température a été interprétée comme une valeur correspondant à la quantité de calories dans le corps. Depuis lors, la température de tout corps a été mesurée en degrés. Mais en fait, il s'agit d'une mesure de l'énergie cinétique des molécules en mouvement, et, sur cette base, elle devrait être mesurée en Joules, conformément au système d'unités C.
Le concept " zéro absolu la température » vient de la deuxième loi de la thermodynamique. Selon elle, le processus de transfert de chaleur d'un corps froid à un corps chaud est impossible. Ce concept a été introduit par le physicien anglais W. Thomson. Pour ses réalisations en physique, il a reçu le titre de noblesse « seigneur » et le titre de « baron Kelvin ». En 1848, W. Thomson (Kelvin) proposa d'utiliser une échelle de température, dans laquelle le point de départ était le zéro absolu correspondant au froid extrême, et le degré Celsius était pris comme valeur de division. L'unité Kelvin est 1/27316 la fraction de la température du point triple de l'eau (environ 0 degrés C), c'est-à-dire température à laquelle eau pure se présente immédiatement sous trois formes : glace, eau liquide et vapeur. la température est la plus basse possible basse température, auquel le mouvement des molécules s'arrête, et il n'est plus possible d'extraire de l'énergie thermique de la substance. Depuis lors, l'échelle des températures absolues porte son nom.
La température est mesurée sur différentes échelles
L'échelle de température la plus couramment utilisée est l'échelle Celsius. Il est construit sur deux points : à la température de transition de phase de l'eau du liquide à la vapeur et de l'eau à la glace. A. Celsius en 1742 a proposé de diviser la distance entre les points de référence en 100 intervalles, et de prendre l'eau comme zéro, tandis que le point de congélation est de 100 degrés. Mais le Suédois K. Linnaeus a suggéré de faire le contraire. Depuis lors, l'eau gèle à zéro degré A. Celsius. Bien qu'exactement Celsius, il devrait bouillir. Le zéro Celsius absolu correspond à moins 273,16
Il y en a d'autres échelles de température: Fahrenheit, Réaumur, Rankin, Newton, Roemer. Ils ont différents points de pivot et divisions. Par exemple, l'échelle de Réaumur est également construite sur les points d'ébullition et de congélation de l'eau, mais elle comporte 80 divisions. L'échelle Fahrenheit, apparue en 1724, n'est utilisée dans la vie quotidienne que dans certains pays du monde, dont les États-Unis ; l'une est la température du mélange eau glace - ammoniac et l'autre est la température du corps humain. L'échelle est divisée en cent divisions. Zéro Celsius correspond à 32 La conversion des degrés en Fahrenheit peut être effectuée par la formule : F = 1,8 C + 32. Traduction inverse : C = (F - 32) / 1,8, où : F - degrés Fahrenheit, C - degrés Celsius. Si vous êtes trop paresseux pour compter, rendez-vous sur le service en ligne pour convertir Celsius en Fahrenheit. Dans la case, tapez le nombre de degrés Celsius, cliquez sur "Calculer", sélectionnez "Fahrenheit" et cliquez sur "Démarrer". Le résultat apparaîtra immédiatement.
L'échelle de Rankine doit son nom au physicien anglais (plus précisément écossais) William J. Rankin, contemporain de Kelvin et l'un des fondateurs de la thermodynamique technique. Il y a trois points importants sur son échelle : le début est le zéro absolu, le point de congélation de l'eau est de 491,67 degrés Rankin et le point d'ébullition de l'eau est de 671,67 degrés. Le nombre de divisions entre la congélation de l'eau et son ébullition à Rankin et à Fahrenheit est de 180.
La plupart de ces échelles sont utilisées exclusivement par les physiciens. Et 40% des lycéens américains interrogés ces jours-ci ont déclaré qu'ils ne savaient pas ce qu'est la température du zéro absolu.
Qu'est-ce que le zéro absolu (généralement zéro) ? Cette température existe-t-elle vraiment quelque part dans l'univers ? Pouvons-nous refroidir quelque chose au zéro absolu dans la vraie vie ? Si vous vous demandez s'il est possible de distancer la vague de froid, explorons les limites les plus éloignées du froid...
Même si vous n'êtes pas physicien, vous connaissez probablement le concept de température. La température est une mesure de la quantité d'énergie aléatoire interne dans un matériau. Le mot "intérieur" est très important. Lancez une boule de neige, et bien que le mouvement principal soit assez rapide, la boule de neige restera assez froide. D'un autre côté, si vous regardez des molécules d'air voler autour d'une pièce, une molécule d'oxygène ordinaire frit à une vitesse de milliers de kilomètres par heure.
Nous avons tendance à rester silencieux en ce qui concerne les détails techniques, donc pour les experts, nous soulignons que la température est un peu plus compliquée que ce que nous avons dit. Une vraie définition de la température signifie combien d'énergie vous devez dépenser pour chaque unité d'entropie (désordre, si vous voulez un mot plus clair). Mais oublions les subtilités et arrêtons-nous simplement sur le fait que des molécules aléatoires d'air ou d'eau dans la glace se déplaceront ou vibreront de plus en plus lentement à mesure que la température diminue.
Le zéro absolu est une température de -273,15 degrés Celsius, -459,67 Fahrenheit et seulement 0 Kelvin. C'est le point où le mouvement thermique s'arrête complètement.
Est-ce que tout s'arrête ?
Dans l'examen classique de la question, tout s'arrête au zéro absolu, mais c'est à ce moment que le terrible museau de la mécanique quantique surgit du coin de la rue. L'une des prédictions de la mécanique quantique qui a gâché le sang d'un bon nombre de physiciens est qu'on ne peut jamais mesurer la position exacte ou la quantité de mouvement d'une particule avec une certitude parfaite. C'est ce qu'on appelle le principe d'incertitude de Heisenberg.
Si vous pouviez refroidir une pièce hermétique au zéro absolu, des choses étranges se produiraient (nous en reparlerons dans un instant). La pression de l'air chuterait à près de zéro, et comme la pression de l'air s'oppose généralement à la gravité, l'air s'effondre en une très fine couche sur le sol.
Mais même ainsi, si vous pouvez mesurer des molécules individuelles, vous trouverez quelque chose de curieux : elles vibrent et tournent, très peu - l'incertitude quantique à l'œuvre. Pour pointer le i : Si vous mesurez la rotation des molécules de dioxyde de carbone au zéro absolu, vous constaterez que les atomes d'oxygène volent autour du carbone à une vitesse de plusieurs kilomètres par heure - beaucoup plus vite que prévu.
La conversation s'arrête. Quand on parle du monde quantique, le mouvement perd son sens. À cette échelle, tout est déterminé par l'incertitude, ce n'est donc pas que les particules soient stationnaires, vous ne pouvez simplement jamais les mesurer comme si elles étaient stationnaires.
Jusqu'où pouvez-vous tomber ?
La poursuite du zéro absolu rencontre essentiellement les mêmes problèmes que la poursuite de la vitesse de la lumière. Il faut une quantité infinie d'énergie pour atteindre la vitesse de la lumière, et atteindre le zéro absolu nécessite d'extraire une quantité infinie de chaleur. Ces deux processus sont impossibles, voire rien.
Malgré le fait que nous n'ayons pas encore atteint l'état réel du zéro absolu, nous sommes très proches de cela (bien que "très" dans ce cas, le concept est très extensible ; comme un compteur d'enfant : deux, trois, quatre, quatre et demi, quatre sur une ficelle, quatre par un fil, cinq). La température la plus basse jamais enregistrée sur Terre a été enregistrée en Antarctique en 1983, à environ -89,15 degrés Celsius (184K).
Bien sûr, si vous voulez vous rafraîchir de manière pas enfantine, vous devez plonger dans les profondeurs de l'espace. L'univers entier est inondé des restes de rayonnement du Big Bang, dans les régions vides de l'espace - 2,73 degrés Kelvin, ce qui est légèrement plus froid que la température de l'hélium liquide, que nous avons pu obtenir sur Terre il y a un siècle.
Mais les physiciens des basses températures utilisent des rayons de congélation pour amener la technologie à un niveau complètement nouveau niveau... Cela peut vous surprendre que les faisceaux de congélation prennent la forme de lasers. Mais comment? Les lasers doivent brûler.
C'est vrai, mais les lasers ont une caractéristique - on pourrait même dire un ultimatum : toute la lumière est émise à la même fréquence. Les atomes neutres ordinaires n'interagissent pas du tout avec la lumière à moins que la fréquence ne soit réglée avec précision. Si l'atome vole vers la source lumineuse, la lumière obtient un décalage Doppler et passe à une fréquence plus élevée. L'atome absorbe moins d'énergie photonique qu'il ne le pourrait. Ainsi, si vous réglez le laser vers le bas, les atomes en mouvement rapide absorberont la lumière et, lorsqu'ils émettront un photon dans une direction aléatoire, ils perdront un peu d'énergie en moyenne. En répétant le processus, vous pouvez refroidir le gaz à moins d'un nanoKelvin, un milliardième de degré.
Tout prend une couleur plus extrême. Le record du monde de la température la plus basse est à moins d'un dixième de milliard de degrés au-dessus du zéro absolu. Les appareils qui font cela piègent les atomes dans des champs magnétiques. La "température" ne dépend pas tant des atomes eux-mêmes que du spin des noyaux atomiques.
Maintenant, pour rétablir la justice, il faut fantasmer un peu. Lorsque nous imaginons généralement quelque chose de gelé à un milliardième de degré, vous dessinez probablement une image de la façon dont même les molécules d'air gèlent sur place. On peut même imaginer un dispositif apocalyptique dévastateur gelant les spins des atomes.
Au final, si vous voulez vraiment faire l'expérience des basses températures, il ne vous reste plus qu'à attendre. Après environ 17 milliards d'années, le rayonnement de fond dans l'Univers se refroidira à 1K. Dans 95 milliards d'années, la température sera d'environ 0,01K. Dans 400 milliards d'années, l'espace lointain sera aussi froid que l'expérience la plus froide sur Terre, et encore plus froid par la suite.
Si vous vous demandez pourquoi l'univers se refroidit si rapidement, remerciez nos vieux amis : l'entropie et l'énergie noire. L'univers est en mode d'accélération, entrant dans une période de croissance exponentielle qui se poursuivra indéfiniment. Les choses vont geler très vite.
Qu'est-ce qui nous importe ?
Tout cela, bien sûr, est merveilleux, et battre des records est également agréable. Mais à quoi ça sert ? Eh bien, il existe de nombreuses bonnes raisons d'être averti des températures à basse température, et pas seulement en tant que gagnant.
Les gentils gars du National Institute of Standards and Technology, par exemple, voulaient juste faire une montre cool. Les normes de temps sont basées sur des choses comme la fréquence de l'atome de césium. Si l'atome de césium bouge trop, une incertitude de mesure apparaîtra, ce qui finira par provoquer un dysfonctionnement de l'horloge.
Mais plus important encore, surtout d'un point de vue scientifique, les matériaux se comportent de manière insensée à des températures extrêmement basses. Par exemple, tout comme un laser est composé de photons qui se synchronisent les uns avec les autres - à la même fréquence et à la même phase - un matériau connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein peut être créé. Dans celui-ci, tous les atomes sont dans le même état. Ou imaginez un amalgame dans lequel chaque atome perd son individualité et la masse entière réagit comme un super-atome nul.
À très basse température, de nombreux matériaux deviennent superfluides, ce qui signifie qu'ils peuvent être totalement non visqueux, empilés en couches ultra-minces, et même défier la gravité pour atteindre une énergie minimale. À basse température également, de nombreux matériaux deviennent supraconducteurs, ce qui signifie qu'il n'y a pas de résistance électrique.
Les supraconducteurs sont capables de réagir aux champs magnétiques externes de manière à les annuler complètement à l'intérieur du métal. En conséquence, vous pouvez combiner la température froide et l'aimant et obtenir quelque chose comme la lévitation.
Pourquoi y a-t-il un zéro absolu mais pas de maximum absolu ?
Regardons l'autre extrême. Si la température n'est qu'une mesure de l'énergie, alors on peut simplement imaginer que les atomes se rapprochent de plus en plus de la vitesse de la lumière. Cela ne peut-il pas durer éternellement ?
Il y a une réponse courte : nous ne savons pas. Il est possible qu'il existe littéralement une température infinie, mais s'il y a une limite absolue, le jeune univers fournit des indices assez intéressants sur ce que c'est. La température la plus élevée qui ait jamais existé (du moins dans notre univers) s'est probablement produite pendant le soi-disant « temps de Planck ».
C'était un instant 10 ^ -43 secondes après le Big Bang, lorsque la gravité séparée de la mécanique quantique et de la physique était exactement ce qu'elle est aujourd'hui. La température à l'époque était d'environ 10 ^ 32 K. C'est septillion de fois plus chaud que l'intérieur de notre soleil.
Encore une fois, nous ne savons pas du tout s'il s'agit de la température la plus chaude possible. Comme nous n'avons même pas un grand modèle de l'univers à l'époque de Planck, nous ne sommes même pas sûrs que l'univers ait bouilli à un tel état. Dans tous les cas, nous sommes plusieurs fois plus proches du zéro absolu que de la chaleur absolue.
La science
Jusqu'à récemment, la température la plus froide qu'un corps physique pouvait avoir était considérée comme la température du « zéro absolu » sur l'échelle Kelvin. il correspond −273,15 degrés Celsius ou -460 degrés Fahrenheit.
Aujourd'hui, des physiciens allemands ont pu atteindre des températures inférieures au zéro absolu. Une telle découverte aidera les scientifiques à comprendre des phénomènes tels que l'énergie noire et à créer de nouvelles formes de matière.
Température zéro absolu
Au milieu du XIXe siècle, le physicien britannique Lord Kelvin a créé l'échelle température absolue et déterminé que rien ne pourrait être plus froid que le zéro absolu... Lorsque les particules sont au zéro absolu, elles cessent de bouger et n'ont plus d'énergie.
La température d'un objet est une mesure de la quantité d'atomes en mouvement. Plus l'objet est froid, plus les atomes se déplacent lentement. Au zéro absolu ou -273,15 degrés Celsius, les atomes cessent de bouger.
Dans les années 1950, les physiciens ont commencé à affirmer que les particules ne perdent pas toujours de l'énergie au zéro absolu.
Des scientifiques de Université Ludwig Maximilianà Munich et Institut Max Planck d'optique quantique gaz a été créé à Garching, qui est devenu plus froid que le zéro absolu de quelques nanokelvins.
Ils ont refroidi environ 100 000 atomes pour température positive plusieurs nanokelvin (le nanokelvin est un milliardième de kelvin) et a utilisé un réseau de faisceaux laser et de champs magnétiques pour contrôler le comportement des atomes et les pousser à une nouvelle limite de température.
Température la plus élevée
Si la température la plus basse possible est considérée zéro absolu, alors quelle température peut être considérée comme son contraire - la température la plus élevée ? Selon les modèles cosmologiques, la température la plus élevée possible est la température de Planck, qui correspond à 1,416785 (71) x 1032 kelvin (141 nonillions 679 octillions de degrés).
Notre Univers est déjà passé par la température de Planck. Cela s'est produit 10 ^ -42 secondes après le Big Bang, lorsque l'univers est né.
La température la plus froide sur Terre
La température la plus basse sur Terre a été enregistrée le 21 juillet 1983 à la station Vostok en Antarctique, et elle a été -89,2 degrés Celsius.
La station Vostok est l'endroit habité permanent le plus froid sur Terre. Il a été fondé par la Russie en 1957 et est situé à 3488 mètres d'altitude.
La température la plus élevée sur Terre
La température la plus élevée sur Terre a été enregistrée le 10 juillet 1913 dans la Vallée de la Mort en Californie et elle a été 56,7 degrés Celsius.
Record précédent du plus haute température le monde dans la ville d'Al-Aziziya en Libye, qui s'élevait à 57,7 degrés Celsius, a été réfutée Organisation météorologique mondiale en raison de données non fiables.
Le site est en cours de restauration. L'édition de texte est temporairement indisponibleZéro absolu (une autre version de l'orthographe "zéro absolu")- la température minimale maximale. Correspond à environ - 273,15 degrés Celsius ou 0 degré Kelvin.
Le concept de zéro absolu est né après que l'hypothèse a été émise que la chaleur observée est la vitesse de déplacement des particules. Théoriquement, il a été suggéré que le zéro absolu correspond au moment où même les plus petites particules, les atomes, cessent de bouger.
En fait, cette température est inaccessible, car les atomes conservent une petite quantité d'énergie et seule leur absence complète correspond au zéro absolu.
A des températures proches du zéro absolu, les phénomènes quantiques sont plus prononcés, ce qui a permis de créer des ordinateurs quantiques simples utilisant la méthode du refroidissement.
Avec une diminution de la température des métaux, ils ont des propriétés de supraconductivité.
Les scientifiques ont réussi à refroidir les atomes à des températures proches du zéro absolu - jusqu'à 170 nanokelvin (moins d'un degré Kelvin, environ - 273,14 Celsius).
L'histoire de l'obtention d'objets super-froids
Premières expériences
Les premières tentatives pour obtenir des "objets super froids" étaient presque plus que de l'eau glacée additionnée de sel. Le sel ajouté, selon la concentration, a élevé le point de congélation de l'eau de plusieurs degrés au-dessus de 100 degrés Celsius. (Pendant longtemps, l'échelle Celsius était "inversée)Un phénomène similaire dans les eaux des océans Nord et Antarctique
Découverte de la liquéfaction des gaz
Une avancée significative dans l'abaissement de la température est devenue l'expérience du chlore gazeux. À la suite de l'expérience, le scientifique s'est intéressé au liquide verdâtre apparu de manière inattendue au fond d'un flacon scellé contenant du gaz chauffé. Ayant cassé la fiole (en se blessant les yeux avec des éclats d'obus), il vit que le liquide s'était évaporé, et du givre était apparu à l'endroit où il se trouvait. Ainsi, la liquéfaction des gaz a été découverte pour la première fois - avec une augmentation de la pression, ainsi que le refroidissement des objets - avec l'évaporation du liquide résultant.Le scientifique a décrit et suggéré que ce phénomène pourrait être utilisé à l'avenir pour stocker de la nourriture.
A l'avenir, Faraday reçut tous les gaz liquéfiés connus à cette époque, à l'exception du monoxyde de carbone, de l'oxygène et de l'hydrogène.
Les gaz restants, sous l'influence de la seule pression, devenaient de plus en plus difficiles à transformer à l'état liquide, et l'hydrogène ne pouvait pas du tout être obtenu.
Production d'hydrogène liquide -222,65 °C et d'hélium - 268,9 °C
Le suivant qui a réussi à s'approcher de manière significative de la température du zéro absolu était James Dewar, qui a réussi à refroidir l'hydrogène à une température de -222,65 ° C. Pour le refroidissement, en plus de la pression utilisée, il a utilisé un refroidissement en chaîne des gaz, de l'oxygène liquide - de l'hydrogène refroidi.Bientôt, dans le laboratoire voisin où travaillait James, la découverte de l'hélium, qui à l'état liquide aurait dû avoir une température de 268,9°C, eut lieu. James Dewar a commencé à essayer de liquider l'hélium, mais a rencontré de nombreux problèmes. Le scientifique qui a découvert l'hélium s'y était disputé et le ballon contenant de l'hélium coûteux (à l'époque), acquis à la fin, a été accidentellement dégonflé par son assistant.
Heike Kamerling Onnes, utilisant la même technologie de refroidissement en cascade, a battu James et a remporté le prix Nobel pour l'hélium liquide.
L'hélium, à des températures proches du zéro absolu, s'est avéré avoir des propriétés inhabituelles. Ces propriétés sont appelées superfluidité et viscosité nulle. L'hélium liquide a pu vaincre la capacité du récipient dans lequel il se trouvait et a remonté les parois. En 1939, le scientifique russe Pyotr Leonidovich Kapitsa a découvert pour la première fois la superfluidité. Une minuscule "fontaine" s'écoulant à l'infini est apparue à l'intérieur d'une gouttelette d'hélium liquide avec une augmentation supplémentaire de la pression.
L'hélium liquide est toujours considéré comme la substance la plus froide jamais produite par l'homme, à l'exception du condensat de Bohr d'Einstein. L'hélium n'est pas capable de passer à l'état solide même au zéro absolu (sans augmenter la pression).
Production de condensats de Bohr-Einstein : 170 nanokelvin
Dans les années 20 du XXe siècle, le scientifique indien Shatyendranata Bose a envoyé une lettre avec ses travaux sur le calcul des phénomènes selon les théories d'Einstein. Einstein, en collaboration avec Bose, a prédit l'apparition d'un agrégat spécial à une température encore proche du zéro absolu. Cet état d'agrégation a été nommé d'après le nom des scientifiques « condensat de Bohr-Einstein ». Le condensat a des propriétés quantiques au niveau macroscopique.
Le condensat de Bohr-Einstein n'a été obtenu qu'en 1995. Afin de rapprocher la température le plus possible du zéro absolu, des lasers ont été utilisés, ce qui a ralenti le mouvement des particules et un "condensateur" a libéré des particules en mouvement rapide.
La température du condensat est de 170 nanokelvin. Le mouvement de la lumière ralentit à l'intérieur.
