A „hőmérséklet” kifejezés abban az időben jelent meg, amikor a fizikusok úgy gondolták, hogy a meleg testek inkább egy meghatározott anyagból – kalóriatartalomból – állnak, mint ugyanazon, de hideg testek. A hőmérsékletet pedig a szervezetben lévő kalória mennyiségének megfelelő értékként értelmezték. Azóta bármely test hőmérsékletét fokban mérik. De valójában ez a mozgó molekulák kinetikus energiájának mértéke, és ennek alapján a C mértékegységrendszernek megfelelően Joule-ban kell mérni.
A koncepció " abszolút nulla hőmérséklet" a termodinamika második főtételéből származik. Eszerint a hideg testből a forróba történő hőátadás lehetetlen. Ezt a fogalmat W. Thomson angol fizikus vezette be. A fizikában elért eredményeiért megkapta a „lord” nemesi és a „Kelvin báró” címet. 1848-ban W. Thomson (Kelvin) egy hőmérsékleti skála használatát javasolta, amelyben a szélsőséges hidegnek megfelelő abszolút nulla hőmérsékletet vette kiindulási pontnak, és a Celsius-fokokat vette osztásértéknek. A Kelvin mértékegysége a víz hármaspontjának hőmérsékletének (kb. 0 C fok) 1/27316, azaz. hőmérséklet, amelyen tiszta víz Három formában azonnal megtalálható: jég, folyékony víz és gőz. hőmérséklet a lehető legalacsonyabb alacsony hőmérséklet, amelynél a molekulák mozgása leáll, és már nem lehet hőenergiát kinyerni az anyagból. Azóta az abszolút hőmérsékleti skálát róla nevezték el.
A hőmérséklet mérése különböző skálákon történik
A leggyakrabban használt hőmérsékleti skálát Celsius-skálának nevezik. Két pontra épül: a víz folyadékból gőzbe és vízből jéggé történő fázisátalakulásának hőmérsékletére. A. Celsius 1742-ben azt javasolta, hogy a referenciapontok közötti távolságot 100 intervallumra osztják, és a vizet nullának vegyék, a fagyáspont pedig 100 fokot. De a svéd K. Linnaeus ennek az ellenkezőjét javasolta. Azóta a víz nulla A. Celsius fokon fagyott meg. Bár pontosan Celsius fokon kell forrnia. Az abszolút nulla Celsius mínusz 273,16-nak felel meg
Van még néhány hőmérsékleti skálák: Fahrenheit, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. Különböző referenciapontokkal és felosztási áraik vannak. Például a Reaumur skála is a víz forráspontjának és fagyásának referenciapontjaira épül, de 80 felosztású. Az 1724-ben megjelent Fahrenheit-skála a mindennapi életben csak a világ néhány országában használatos, így az USA-ban is; az egyik a vízjég és az ammónia keverékének hőmérséklete, a másik pedig az emberi test hőmérséklete. A skála száz részre oszlik. A nulla Celsius 32-nek felel meg A fokok Fahrenheitre való átváltása a következő képlettel végezhető el: F = 1,8 C + 32. Fordított átváltás: C = (F - 32)/1,8, ahol: F - Fahrenheit-fok, C - Celsius-fok. Ha túl lusta számolni, keressen fel egy online szolgáltatást a Celsius-fok Fahrenheitre konvertálásához. A mezőbe írja be a Celsius fok számát, kattintson a "Számítás" gombra, válassza a "Fahrenheit" lehetőséget, és kattintson a "Start" gombra. Az eredmény azonnal megjelenik.
A Rankine-skála az angol (pontosabban skót) fizikusról, William J. Rankinról kapta a nevét, aki Kelvin kortársa és a műszaki termodinamika egyik megalkotója volt. A skáláján három fontos pont található: a kezdet abszolút nulla, a víz fagyáspontja 491,67 Rankine-fok, a víz forráspontja pedig 671,67 fok. A víz lefagyása és forráspontja közötti megosztások száma Rankine és Fahrenheit esetén egyaránt 180.
A legtöbb ilyen mérleget kizárólag fizikusok használják. A ma megkérdezett amerikai középiskolások 40%-a pedig azt mondta, hogy nem tudja, mi az abszolút nulla hőmérséklet.
Mi az abszolút nulla (általában nulla)? Valóban létezik ez a hőmérséklet valahol az Univerzumban? Lehűthetünk bármit abszolút nullára a való életben? Ha kíváncsi arra, hogy le lehet-e győzni a hideghullámot, fedezzük fel a hideg hőmérséklet legtávolabbi vidékeit...
Még ha nem is vagy fizikus, valószínűleg ismeri a hőmérséklet fogalmát. A hőmérséklet az anyag belső véletlenszerű energiájának mértéke. A „belső” szó nagyon fontos. Dobj egy hógolyót, és bár a fő mozgás elég gyors lesz, a hógolyó meglehetősen hideg marad. Másrészt, ha megnézzük a levegőmolekulákat, amelyek egy szobában repülnek, akkor egy átlagos oxigénmolekula több ezer kilométer per órás sebességgel sül.
Hajlamosak vagyunk csöndben maradni, ha műszaki részletekről van szó, ezért csak a szakértők kedvéért vegyük észre, hogy a hőmérséklet egy kicsit bonyolultabb, mint mondtuk. A hőmérséklet valódi meghatározása magában foglalja, hogy mennyi energiát kell elköltenie az egyes entrópiaegységekhez (zavar, ha világosabb szót akarunk). De hagyjuk ki a finomságokat, és csak arra a tényre koncentráljunk, hogy a jégben lévő véletlenszerű levegő- vagy vízmolekulák egyre lassabban mozognak vagy rezegnek, ahogy a hőmérséklet csökken.
Az abszolút nulla érték -273,15 Celsius fok, -459,67 Fahrenheit és egyszerűen 0 Kelvin. Ez az a pont, ahol a hőmozgás teljesen leáll.
Minden leáll?
A kérdés klasszikus megfontolásában minden megáll az abszolút nullánál, de ebben a pillanatban a kvantummechanika szörnyű arca kandikál ki a sarok mögül. A kvantummechanika egyik jóslata, amely több mint néhány fizikus vérét megrontotta, az, hogy soha nem lehet teljes bizonyossággal megmérni egy részecske pontos helyzetét vagy lendületét. Ezt Heisenberg-féle bizonytalansági elvnek nevezik.
Ha le tudna hűteni egy lezárt helyiséget abszolút nullára, furcsa dolgok történnének (erről később). A légnyomás majdnem nullára csökkenne, és mivel a légnyomás általában ellentétes a gravitációval, a levegő nagyon vékony réteggé omlana össze a padlón.
De még így is, ha meg tudod mérni az egyes molekulákat, találsz valami érdekeset: vibrálnak és forognak, csak egy kis kvantumbizonytalanság működik. Hogy az i-t jelöljük, ha megmérjük a szén-dioxid molekulák forgását abszolút nullán, akkor azt találjuk, hogy az oxigénatomok több kilométer per óra sebességgel repülnek a szén körül – sokkal gyorsabban, mint gondoltad.
A beszélgetés zsákutcába jut. Amikor a kvantumvilágról beszélünk, a mozgás elveszti értelmét. Ezeken a skálákon mindent a bizonytalanság határoz meg, tehát nem arról van szó, hogy a részecskék mozdulatlanok, hanem arról, hogy soha nem lehet úgy mérni őket, mintha állók lennének.
Milyen mélyre tudsz menni?
Az abszolút nullára való törekvés lényegében ugyanazokkal a problémákkal néz szembe, mint a fénysebességre való törekvés. A fénysebesség eléréséhez végtelen mennyiségű energia szükséges, az abszolút nulla eléréséhez pedig végtelen mennyiségű hő kinyerésére van szükség. Mindkét folyamat lehetetlen, ha valami.
Annak ellenére, hogy még nem értük el az abszolút nulla tényleges állapotát, nagyon közel vagyunk hozzá (bár a „nagyon” ebben az esetben nagyon laza fogalom; mint egy mondóka: kettő, három, négy, négy és egy fél, négy egy húron, négy hajszálnyira, öt). A Földön valaha mért leghidegebb hőmérsékletet az Antarktiszon jegyezték fel 1983-ban, -89,15 Celsius-fok (184K).
Persze ha gyerekes módon akarunk hűsölni magunkat, akkor az űr mélyére kell merülnünk. Az egész univerzumot az ősrobbanás sugárzásának maradványai fürdik, az űr legüresebb részein - 2,73 Kelvin-fok, ami alig hidegebb, mint a folyékony hélium hőmérséklete, amelyet egy évszázaddal ezelőtt a Földön elérhettünk.
Az alacsony hőmérsékletű fizikusok azonban fagysugarakat használnak, hogy a technológiát a következő szintre emeljék. új szint. Meglepheti, hogy a fagysugarak lézerek formájában jelentkeznek. De hogyan? A lézereknek égniük kell.
Minden igaz, de a lézereknek van egy tulajdonsága – akár azt is mondhatnánk, a végső: minden fény egy frekvencián bocsát ki. A közönséges semleges atomok egyáltalán nem lépnek kölcsönhatásba a fénnyel, hacsak nincs pontosan beállítva a frekvencia. Ha egy atom egy fényforrás felé repül, a fény Doppler-eltolódást kap, és magasabb frekvenciát ér el. Az atom kevesebb fotonenergiát nyel el, mint amennyit képes lenne. Tehát ha lejjebb hangoljuk a lézert, a gyorsan mozgó atomok elnyelik a fényt, és egy fotont véletlenszerű irányban kibocsátva átlagosan egy kis energiát veszítenek. Ha megismétli a folyamatot, lehűtheti a gázt egy nanoKelvinnél, a fok milliárdod részénél alacsonyabb hőmérsékletre.
Minden szélsőségesebb hangot kap. A legalacsonyabb hőmérséklet világrekordja kevesebb, mint egytizedmilliárd fokkal az abszolút nulla felett. Azok az eszközök, amelyek ezt elérik, az atomokat mágneses mezőkbe zárják. A „hőmérséklet” nem annyira maguktól az atomoktól, hanem az atommagok forgásától függ.
Most, hogy helyreállítsuk az igazságszolgáltatást, egy kicsit kreatívnak kell lennünk. Amikor általában azt képzeljük, hogy valami lefagyott egymilliárd fokig, akkor valószínűleg még a levegőmolekulák is megfagynak a helyükön. Elképzelhető akár egy pusztító apokaliptikus eszköz is, amely lefagyasztja az atomok hátát.
Végső soron, ha valóban alacsony hőmérsékletet szeretne tapasztalni, csak várnia kell. Körülbelül 17 milliárd év után az Univerzum háttérsugárzása 1K-ra hűl le. 95 milliárd év múlva a hőmérséklet körülbelül 0,01 K lesz. 400 milliárd év múlva a mélyűr olyan hideg lesz, mint a Föld leghidegebb kísérlete, és még hidegebb lesz utána.
Ha kíváncsi, miért hűl le ilyen gyorsan az univerzum, köszönjük régi barátainknak: az entrópiának és a sötét energiának. Az univerzum gyorsulási módban van, és az exponenciális növekedés időszakába lép, amely örökké tart. A dolgok nagyon gyorsan lefagynak.
Mi érdekel minket?
Mindez persze csodálatos, és a rekordok megdöntése is szép. De mi értelme van? Nos, rengeteg jó ok van arra, hogy megértsük az alacsony hőmérsékletet, és nem csak győztesként.
A NIST jó emberei például szeretnének egy klassz órát készíteni. Az időszabványok olyan dolgokon alapulnak, mint a céziumatom frekvenciája. Ha a céziumatom túl sokat mozog, az bizonytalanságot okoz a mérésekben, ami végül az óra meghibásodását okozza.
De ami még fontosabb, különösen tudományos szempontból, az anyagok őrülten viselkednek rendkívül alacsony hőmérsékleten. Például, ahogy a lézer fotonokból áll, amelyek egymással szinkronizáltak - azonos frekvencián és fázisban -, úgy létrejöhet egy Bose-Einstein kondenzátumként ismert anyag. Ebben minden atom ugyanabban az állapotban van. Vagy képzeljünk el egy amalgámot, amelyben minden atom elveszti egyéniségét, és az egész tömeg egyetlen null-szuperatomként reagál.
Nagyon alacsony hőmérsékleten sok anyag szuperfolyadékká válik, ami azt jelenti, hogy egyáltalán nincs viszkozitásuk, rendkívül vékony rétegekbe halmozódhatnak fel, és még a gravitációval is szembeszállhatnak, hogy minimális energiát érjenek el. Emellett alacsony hőmérsékleten sok anyag szupravezetővé válik, ami azt jelenti, hogy nincs elektromos ellenállás.
A szupravezetők képesek úgy reagálni a külső mágneses mezőkre, hogy teljesen kioltják azokat a fém belsejében. Ennek eredményeként kombinálhatja a hideg hőmérsékletet és a mágnest, és olyasmit kaphat, mint a levitáció.
Miért van abszolút nulla, de miért nincs abszolút maximum?
Nézzük a másik végletet. Ha a hőmérséklet egyszerűen az energia mértéke, akkor egyszerűen elképzelhetjük, hogy az atomok egyre közelebb kerülnek a fénysebességhez. Ez nem mehet örökké, igaz?
A rövid válasz: nem tudjuk. Lehetséges, hogy szó szerint létezik olyan dolog, mint a végtelen hőmérséklet, de ha van abszolút határ, a fiatal univerzum elég érdekes támpontokat ad arra vonatkozóan, hogy mi is az. A valaha ismert legmagasabb hőmérséklet (legalábbis a mi univerzumunkban) valószínűleg az úgynevezett Planck idejében volt.
Egy pillanat 10^-43 másodperc volt az Ősrobbanás után, amikor a gravitáció elvált a kvantummechanikától és a fizikától, pontosan azzá vált, amilyen most. A hőmérséklet akkoriban hozzávetőlegesen 10^32 K volt. Ez szeptilliószor melegebb, mint Napunk belsejében.
Egyáltalán nem vagyunk biztosak abban, hogy ez a lehető legmelegebb hőmérséklet-e. Mivel Planck idejében még nem is rendelkezünk a világegyetem nagy modelljével, még abban sem vagyunk biztosak, hogy az univerzum ilyen állapotba forrt. Mindenesetre sokszor közelebb vagyunk az abszolút nullához, mint az abszolút hőhez.
A tudomány
Egészen a közelmúltig a fizikai test leghidegebb hőmérséklete „abszolút nullának” számított a Kelvin-skálán. Megfelel –273,15 Celsius-fok vagy –460 Fahrenheit fok.
A német fizikusoknak most sikerült elérniük az abszolút nulla alatti hőmérsékletet. Egy ilyen felfedezés segít a tudósoknak megérteni az olyan jelenségeket, mint a sötét energia, és új anyagformákat teremteni.
Abszolút nulla hőmérséklet
A 19. század közepén Lord Kelvin brit fizikus megalkotta a skálát abszolút hőmérsékletés elhatározta, hogy semmi sem lehet hidegebb az abszolút nullánál. Amikor a részecskék abszolút nulla hőmérsékletűek, leállnak a mozgásuk és nincs energiájuk.
Egy objektum hőmérséklete az atomok mozgásának mértéke. Minél hidegebb a tárgy, annál lassabban mozognak az atomok. Abszolút nulla vagy -273,15 Celsius-fok esetén az atomok mozgása leáll.
Az 1950-es években a fizikusok azzal kezdtek érvelni, hogy a részecskék nem mindig veszítenek energiát az abszolút nullánál.
Tudósok a Ludwig Maximilian Egyetem Münchenben és Max Planck Kvantumoptikai Intézet gáz jött létre Garchingban, ami lett több nanokelvinnel hidegebb az abszolút nullánál.
Körülbelül 100 000 atomot hűtöttek le pozitív hőmérséklet több nanokelvin (a nanokelvin a kelvin egymilliárd része), és lézersugarak és mágneses mezők hálózatát használta az atomok viselkedésének szabályozására, és új hőmérsékleti határértékre szorította őket.
Legmagasabb hőmérséklet
Ha a lehető legalacsonyabb hőmérsékletet vesszük figyelembe abszolút nulla, akkor melyik hőmérséklet tekinthető az ellenkezőjének - a legmagasabb hőmérsékletnek? A kozmológiai modellek szerint a lehető legmagasabb hőmérséklet a Planck-hőmérséklet, amely 1,416785(71)x1032 kelvinnek (141 nonillion 679 octilion fok) felel meg.
Univerzumunk már áthaladt a Planck hőmérsékleten. Ez 10^-42 másodperccel az ősrobbanás után történt, amikor az Univerzum megszületett.
A legalacsonyabb hőmérséklet a Földön
A Föld legalacsonyabb hőmérsékletét 1983. július 21-én rögzítették az antarktiszi Vostok állomáson, -89,2 Celsius fok.
A Vostok állomás a leghidegebb állandóan lakott hely a Földön. Oroszország alapította 1957-ben, és 3488 méteres tengerszint feletti magasságban található.
A legmagasabb hőmérséklet a Földön
A legmagasabb hőmérsékletet a Földön 1913. július 10-én rögzítették a kaliforniai Death Valleyben, és 56,7 Celsius fok.
A legtöbb korábbi rekord magas hőmérsékletű cáfolták a líbiai Al-Aziziya városában lévő 57,7 Celsius-fokot Meteorológiai Világszervezet megbízhatatlan adatok miatt.
A helyszín felújítás alatt áll. A szövegszerkesztés átmenetileg nem érhető elAbszolút nulla (az "abszolút nulla" helyesírás másik változata)- maximális minimális hőmérséklet. Körülbelül - 273,15 Celsius-foknak vagy 0 Kelvin-foknak felel meg.
Az abszolút nulla fogalma azután jelent meg, hogy felvetették, hogy a megfigyelt hő a részecskék mozgásának sebessége. Elméletileg azt javasolták, hogy az abszolút nulla az, amikor a legkisebb részecskék - az atomok - is megállnak mozgásban.
Valójában ez a hőmérséklet elérhetetlen, mivel az atomok kis mennyiségű energiát megtartanak, és csak a teljes hiányuk felel meg az abszolút nullának.
Az abszolút nullához közeli hőmérsékleten a kvantumjelenségek világosabban megnyilvánulnak, ami lehetővé tette egyszerű kvantumszámítógépek létrehozását hűtési módszerrel.
Amikor a fémek hőmérséklete csökken, szupravezető tulajdonságokat fejlesztenek ki.
A tudósok képesek voltak az atomokat az abszolút nullához közeli hőmérsékletre lehűteni - akár 170 nanokelvinre (kevesebb, mint egy Kelvin-fok, körülbelül 273,14 Celsius-fok).
Az ultrahideg tárgyak megszerzésének története
Első kísérletek
Az első kísérletek „szuperhideg tárgyak” megszerzésére alig voltak mások, mint a víz só hozzáadásával történő lefagyasztása. A hozzáadott só a koncentrációtól függően több fokkal 100 Celsius-fok fölé emelte a víz fagyáspontját. (A Celsius-skála sokáig „fordított” volt)Hasonló jelenség az északi és az antarktiszi óceánok vizében
A gáz cseppfolyósításának felfedezése
A hőmérséklet csökkentésében jelentős előrelépést jelentett a klórgázzal végzett kísérlet. A kísérlet eredményeként a tudós érdeklődését felkeltette a váratlanul felbukkanó zöldes folyadék egy lezárt lombik alján, melegített gázzal. Miután eltörte a lombikot (egyidejűleg megsértette a szemét töredékekkel), látta, hogy a folyadék elpárolgott, és fagy jelent meg a helyen, ahol volt. Így fedezték fel először a gázok cseppfolyósodását - nyomás növelésével, valamint tárgyak hűtésével - a keletkező folyadék elpárologtatásával.A tudós leírta és felvetette, hogy ezt a jelenséget a jövőben élelmiszer tárolására is felhasználhatják.
Ezt követően Faraday az összes akkor ismert gázt cseppfolyósította, kivéve a szén-monoxidot, az oxigént és a hidrogént.
A megmaradt gázok pusztán a nyomás hatására egyre nehezebben alakultak folyékony halmazállapotúvá, hidrogént egyáltalán nem lehetett előállítani.
Folyékony hidrogén előállítása -222,65 °C és hélium - 268,9 °C
A következő személy, aki jelentősen közelebb került az abszolút nulla hőmérséklethez, James Dewar volt, akinek sikerült -222,65 °C-ra hűteni a hidrogént. Hűtésre az alkalmazott nyomáson kívül gázok lánchűtését, folyékony oxigénnel hűtött hidrogént használt.Hamarosan a szomszédos laboratóriumban, ahol James dolgozott, felfedezték a héliumot, amelynek folyékony állapotban 268,9 ° C hőmérsékletűnek kell lennie. James Dewar elkezdett folyékony halmazállapotú héliumot szerezni, de sok problémába ütközött. A héliumot felfedező tudós veszekedett vele, és a drága (akkoriban) héliumot tartalmazó hengert, amelyet végül megvásároltak, asszisztense véletlenül leeresztette.
Heike Kamerlingh Onnes ugyanazt a kaszkádhűtési technológiát alkalmazva legyőzte Jamest a Nobel-díjjal a folyékony hélium előállításáért.
Az abszolút nullához közeli hőmérsékletű hélium szokatlan tulajdonságokkal rendelkezik. Ezeket a tulajdonságokat szuperfolyékonyságnak és nulla viszkozitásnak nevezték. A folyékony hélium képes volt legyőzni az edény tartályát, amelyben volt, és felemelkedett a falakon. 1939-ben Pjotr Leonidovics Kapitsa orosz tudós fedezte fel először a szuperfolyékonyságot. A folyékony hélium csepp belsejében a nyomás további növekedésével egy apró, végtelenül folyó „szökőkút” jelent meg.
A folyékony hélium még mindig az ember által nyert leghidegebb anyag, kivéve az Einstein-féle Bohr-kondenzátumot. A hélium még abszolút nullánál sem képes szilárd halmazállapotúvá alakulni (nyomásnövekedés nélkül).
Bohr-Einstein kondenzátum előállítása: 170 nanokelvin
A 20. század 20-as éveiben Satyendranath Bose indiai tudós levelet küldött a jelenségek Einstein elméletei szerinti kiszámításáról szóló munkájával. Einstein a Bose-zal együttműködve egy speciális aggregált anyag megjelenését jósolta meg még mindig az abszolút nullához közeli hőmérsékleten. Ezt az aggregációs állapotot a tudósok „Bohr-Einstein kondenzátum”-nak nevezték. A kondenzátum makroszkopikus szinten kvantumtulajdonságokkal rendelkezik.
A Bohr-Einstein kondenzátumot csak 1995-ben szerezték meg. Annak érdekében, hogy a hőmérsékletet a lehető legközelebb hozzuk az abszolút nullához, lézereket alkalmaztak, amelyek lassították a részecskék mozgását, és a „kondenzátor” gyorsan mozgó részecskéket szabadított fel.
A kondenzátum hőmérséklete 170 nanokelvin. Belül a fény mozgása lelassul.
