Istilah "suhu" muncul pada saat fisikawan berpikir bahwa benda hangat terdiri dari zat yang lebih spesifik - kalori - daripada benda yang sama, tetapi dingin. Dan suhu diartikan sebagai nilai yang sesuai dengan jumlah kalori dalam tubuh. Sejak itu, suhu tubuh mana pun telah diukur dalam derajat. Tetapi sebenarnya, ini adalah ukuran energi kinetik dari molekul yang bergerak, dan, berdasarkan ini, harus diukur dalam Joule, sesuai dengan Sistem Satuan C.
Konsep " nol mutlak suhu ”berasal dari hukum kedua termodinamika. Menurutnya, proses perpindahan panas dari benda dingin ke benda panas adalah mustahil. Konsep ini diperkenalkan oleh fisikawan Inggris W. Thomson. Atas prestasinya di bidang fisika, ia dianugerahi gelar kebangsawanan "tuan" dan gelar "Baron Kelvin". Pada tahun 1848 W. Thomson (Kelvin) mengusulkan untuk menggunakan skala suhu, di mana titik awalnya diambil sebagai suhu nol mutlak yang sesuai dengan dingin yang ekstrem, dan derajat Celsius diambil sebagai nilai pembagian. Satuan Kelvin adalah 1/27316 fraksi suhu titik tripel air (sekitar 0 derajat C), mis. suhu di mana air murni segera dalam tiga bentuk: es, air cair dan uap. suhu serendah mungkin suhu rendah, di mana pergerakan molekul berhenti, dan tidak mungkin lagi mengekstraksi energi panas dari zat tersebut. Sejak itu, skala suhu absolut dinamai menurut namanya.
Suhu diukur pada skala yang berbeda
Skala suhu yang paling umum digunakan disebut skala Celcius. Itu dibangun di atas dua titik: pada suhu transisi fase air dari cair ke uap dan air ke es. A. Celsius pada tahun 1742 mengusulkan untuk membagi jarak antara titik referensi menjadi 100 interval, dan mengambil air sebagai nol, sedangkan titik beku adalah 100 derajat. Tetapi K. Linnaeus dari Swedia menyarankan untuk melakukan yang sebaliknya. Sejak itu, air membeku pada suhu nol derajat A. Celcius. Meskipun harus mendidih persis dalam Celcius. Nol mutlak dalam Celcius sesuai dengan minus 273,16
Ada beberapa lagi skala suhu: Fahrenheit, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. Mereka memiliki titik pivot dan divisi yang berbeda. Misalnya, skala Reaumur juga dibangun di atas titik didih dan titik beku air, tetapi memiliki 80 divisi. Skala Fahrenheit, yang muncul pada tahun 1724, hanya digunakan dalam kehidupan sehari-hari di beberapa negara di dunia, termasuk Amerika Serikat; satu adalah suhu campuran air es - amonia dan yang lainnya adalah suhu tubuh manusia. Skala dibagi menjadi seratus divisi. Nol Celcius sesuai dengan 32 Konversi derajat ke Fahrenheit dapat dilakukan dengan rumus: F = 1,8 C + 32. Terjemahan terbalik: C = (F - 32) / 1,8, di mana: F - derajat Fahrenheit, C - derajat Celcius. Jika Anda terlalu malas untuk menghitung, buka layanan online untuk mengonversi Celcius ke Fahrenheit. Di kotak, ketik jumlah derajat Celcius, klik "Hitung", pilih "Fahrenheit" dan klik "Mulai". Hasilnya akan langsung muncul.
Skala Rankine dinamai sesuai nama fisikawan Inggris (lebih tepatnya Skotlandia) William J. Rankin, sezaman dengan Kelvin dan salah satu pendiri termodinamika teknis. Ada tiga poin penting dalam skalanya: awalnya adalah nol mutlak, titik beku air adalah 491,67 derajat Rankin dan titik didih air adalah 671,67 derajat. Jumlah pembagian antara pembekuan air dan pendidihannya di Rankin dan Fahrenheit adalah 180.
Sebagian besar skala ini digunakan secara eksklusif oleh fisikawan. Dan 40% siswa sekolah menengah Amerika yang disurvei hari ini mengatakan bahwa mereka tidak tahu apa itu suhu nol mutlak.
Apa itu nol mutlak (biasanya nol)? Apakah suhu ini benar-benar ada di mana saja di alam semesta? Bisakah kita mendinginkan sesuatu hingga nol mutlak dalam kehidupan nyata? Jika Anda bertanya-tanya apakah mungkin untuk berlari lebih cepat dari gelombang dingin, mari kita jelajahi batas terjauh dari suhu dingin ...
Bahkan jika Anda bukan seorang fisikawan, Anda mungkin akrab dengan konsep suhu. Suhu adalah ukuran jumlah energi acak internal dalam suatu bahan. Kata "batin" sangat penting. Lempar bola salju, dan meskipun gerakan utama akan cukup cepat, bola salju akan tetap cukup dingin. Di sisi lain, jika Anda melihat molekul udara yang terbang di sekitar ruangan, molekul oksigen biasa menggoreng dengan kecepatan ribuan kilometer per jam.
Kami cenderung diam dalam hal detail teknis, jadi bagi para ahli kami menunjukkan bahwa suhu sedikit lebih rumit daripada yang kami katakan. Definisi suhu yang sebenarnya berarti berapa banyak energi yang perlu Anda keluarkan untuk setiap unit entropi (berantakan, jika Anda menginginkan kata yang lebih jelas). Tapi mari kita lewati seluk-beluknya dan berhenti pada fakta bahwa molekul udara atau air acak di dalam es akan bergerak atau bergetar lebih dan lebih lambat saat suhu menurun.
Nol mutlak adalah suhu -273,15 derajat Celcius, -459,67 derajat Fahrenheit, dan hanya 0 derajat Kelvin. Ini adalah titik di mana gerakan termal berhenti sepenuhnya.
Apakah semuanya berhenti?
Dalam pertimbangan klasik dari pertanyaan tersebut, semuanya berhenti pada nol mutlak, tetapi pada saat inilah moncong mekanika kuantum yang mengerikan muncul dari sekitar sudut. Salah satu prediksi mekanika kuantum yang telah merusak darah cukup banyak fisikawan adalah bahwa Anda tidak akan pernah bisa mengukur posisi atau momentum tepat dari sebuah partikel dengan kepastian yang sempurna. Ini dikenal sebagai prinsip ketidakpastian Heisenberg.
Jika Anda bisa mendinginkan ruangan kedap udara hingga nol mutlak, hal-hal aneh akan terjadi (lebih lanjut tentang itu sebentar lagi). Tekanan udara akan turun mendekati nol, dan karena tekanan udara biasanya melawan gravitasi, udara runtuh menjadi lapisan yang sangat tipis di lantai.
Namun demikian, jika Anda dapat mengukur molekul individu, Anda akan menemukan sesuatu yang aneh: mereka bergetar dan berputar, sangat sedikit - ketidakpastian kuantum bekerja. Untuk titik i: Jika Anda mengukur rotasi molekul karbon dioksida pada nol mutlak, Anda akan menemukan bahwa atom oksigen terbang mengelilingi karbon dengan kecepatan beberapa kilometer per jam - jauh lebih cepat dari yang Anda harapkan.
Percakapan terhenti. Ketika kita berbicara tentang dunia kuantum, gerakan kehilangan maknanya. Pada skala ini, semuanya ditentukan oleh ketidakpastian, jadi bukan karena partikel itu diam, Anda tidak akan pernah bisa mengukurnya seolah-olah mereka diam.
Seberapa rendah Anda bisa jatuh?
Mengejar nol mutlak pada dasarnya menghadapi masalah yang sama dengan mengejar kecepatan cahaya. Dibutuhkan energi dalam jumlah tak terbatas untuk mendapatkan kecepatan cahaya, dan mencapai nol mutlak membutuhkan ekstraksi panas dalam jumlah tak terbatas. Kedua proses ini tidak mungkin, jika ada.
Terlepas dari kenyataan bahwa kami belum mencapai keadaan nol absolut yang sebenarnya, kami sangat dekat dengan ini (walaupun "sangat" dalam hal ini, konsepnya sangat dapat diperluas; seperti rak hitung anak: dua, tiga, empat, empat setengah, empat dengan seutas tali, empat dengan seutas benang, lima). Suhu terendah yang pernah tercatat di Bumi tercatat di Antartika pada tahun 1983, sekitar -89,15 derajat Celcius (184K).
Tentu saja, jika Anda ingin menenangkan diri tidak kekanak-kanakan, Anda perlu menyelam ke kedalaman ruang. Seluruh alam semesta dibanjiri dengan sisa-sisa radiasi dari Big Bang, di wilayah ruang angkasa yang kosong - 2,73 derajat Kelvin, yang sedikit lebih dingin daripada suhu helium cair, yang bisa kita dapatkan di Bumi seabad yang lalu.
Tapi fisikawan suhu rendah menggunakan balok beku untuk membawa teknologi ke sepenuhnya tingkat baru... Mungkin mengejutkan Anda bahwa sinar beku berbentuk laser. Tapi bagaimana caranya? Laser harus terbakar.
Itu benar, tetapi laser memiliki satu fitur - orang bahkan mungkin mengatakan ultimatum: semua cahaya dipancarkan pada frekuensi yang sama. Atom netral biasa tidak berinteraksi dengan cahaya sama sekali kecuali jika frekuensinya disetel dengan tepat. Jika atom terbang menuju sumber cahaya, cahaya mendapat pergeseran Doppler dan pergi ke frekuensi yang lebih tinggi. Atom menyerap lebih sedikit energi foton daripada yang dapat diserapnya. Jadi jika Anda menyetel laser ke bawah, atom yang bergerak cepat akan menyerap cahaya, dan ketika memancarkan foton ke arah acak, mereka akan kehilangan sedikit energi rata-rata. Dengan mengulangi prosesnya, Anda dapat mendinginkan gas hingga kurang dari satu nanoKelvin, sepersejuta derajat.
Semuanya mengambil warna yang lebih ekstrim. Rekor dunia untuk suhu terendah kurang dari sepersepuluh miliar derajat di atas nol mutlak. Perangkat yang melakukan ini menjebak atom dalam medan magnet. "Suhu" tidak terlalu bergantung pada atom itu sendiri seperti pada putaran inti atom.
Sekarang, untuk memulihkan keadilan, kita perlu sedikit berfantasi. Ketika kita biasanya membayangkan sesuatu yang membeku hingga sepermiliar derajat, Anda mungkin sedang menggambar gambaran tentang bagaimana molekul udara bahkan membeku di tempatnya. Seseorang bahkan dapat membayangkan perangkat apokaliptik yang menghancurkan yang membekukan putaran atom.
Pada akhirnya, jika Anda benar-benar ingin merasakan suhu rendah, yang harus Anda lakukan hanyalah menunggu. Setelah sekitar 17 miliar tahun, radiasi latar di alam semesta akan mendingin hingga 1K. Dalam 95 miliar tahun, suhu akan menjadi sekitar 0,01K. Dalam 400 miliar tahun, luar angkasa akan sedingin eksperimen terdingin di Bumi, dan bahkan lebih dingin lagi setelah itu.
Jika Anda bertanya-tanya mengapa alam semesta mendingin begitu cepat, terima kasih kepada teman-teman lama kita: entropi dan energi gelap. Alam semesta berada dalam mode percepatan, memasuki periode pertumbuhan eksponensial yang akan berlanjut selamanya. Hal-hal akan membeku dengan sangat cepat.
Apa peduli kita?
Semua ini, tentu saja, luar biasa, dan memecahkan rekor juga bagus. Tapi apa gunanya? Nah, ada banyak alasan bagus untuk menjadi cerdas di dataran rendah, dan bukan hanya sebagai pemenang.
Orang-orang baik di Institut Standar dan Teknologi Nasional, misalnya, hanya ingin membuat jam tangan yang keren. Standar waktu didasarkan pada hal-hal seperti frekuensi atom cesium. Jika atom cesium bergerak terlalu banyak, itu menciptakan ketidakpastian pengukuran, yang pada akhirnya akan menyebabkan jam tidak berfungsi.
Tetapi yang lebih penting, terutama dari sudut pandang ilmiah, bahan berperilaku gila-gilaan pada suhu yang sangat rendah. Misalnya, seperti laser yang terbuat dari foton yang saling bersinkronisasi - pada frekuensi dan fase yang sama - maka bahan yang dikenal sebagai kondensat Bose-Einstein dapat dibuat. Di dalamnya, semua atom berada dalam keadaan yang sama. Atau bayangkan sebuah amalgam di mana setiap atom kehilangan individualitasnya dan seluruh massa bereaksi sebagai satu super atom nol.
Pada suhu yang sangat rendah, banyak bahan menjadi superfluida, yang berarti bahan tersebut dapat sepenuhnya tidak kental, ditumpuk dalam lapisan ultra-tipis, dan bahkan melawan gravitasi untuk mencapai energi minimum. Juga pada suhu rendah, banyak bahan menjadi superkonduktor, yang berarti tidak ada hambatan listrik.
Superkonduktor mampu bereaksi terhadap medan magnet luar sedemikian rupa sehingga benar-benar membatalkannya di dalam logam. Hasilnya, Anda dapat menggabungkan suhu dingin dan magnet dan mendapatkan sesuatu seperti levitasi.
Mengapa ada nol mutlak tetapi tidak ada maksimum mutlak?
Mari kita lihat ekstrem lainnya. Jika suhu hanyalah ukuran energi, maka orang dapat dengan mudah membayangkan atom semakin dekat dan mendekati kecepatan cahaya. Tidak bisakah itu berlangsung selamanya?
Ada jawaban singkat: kami tidak tahu. Ada kemungkinan bahwa secara harfiah ada yang namanya suhu tak terbatas, tetapi jika ada batas absolut, alam semesta muda memberikan beberapa petunjuk yang cukup menarik tentang apa itu. Suhu tertinggi yang pernah ada (setidaknya di alam semesta kita) mungkin terjadi selama apa yang disebut "waktu Planck".
Itu adalah 10 ^ -43 detik sesaat setelah Big Bang, ketika gravitasi terpisah dari mekanika kuantum dan fisika persis seperti sekarang ini. Suhu pada saat itu sekitar 10 ^ 32 K. Ini adalah septillion kali lebih panas dari bagian dalam matahari kita.
Sekali lagi, kami sama sekali tidak yakin apakah ini suhu terpanas yang mungkin terjadi. Karena kita bahkan tidak memiliki model alam semesta yang besar pada zaman Planck, kita bahkan tidak yakin bahwa alam semesta telah mendidih ke keadaan seperti itu. Bagaimanapun, kita berkali-kali lebih dekat ke nol absolut daripada panas absolut.
Ilmu
Sampai baru-baru ini, suhu terdingin yang dimiliki tubuh fisik dianggap sebagai suhu "nol mutlak" pada skala Kelvin. Ini sesuai 273,15 derajat Celcius atau 460 derajat Fahrenheit.
Sekarang fisikawan dari Jerman telah mampu mencapai suhu di bawah nol mutlak. Penemuan semacam itu akan membantu para ilmuwan memahami fenomena seperti energi gelap dan menciptakan bentuk materi baru.
Suhu nol mutlak
Pada pertengahan abad ke-19, fisikawan Inggris Lord Kelvin menciptakan skala suhu mutlak dan ditentukan bahwa tidak ada yang lebih dingin dari nol mutlak... Ketika partikel berada pada nol mutlak, mereka berhenti bergerak dan tidak memiliki energi.
Suhu suatu benda adalah ukuran seberapa banyak atom yang bergerak. Semakin dingin benda, semakin lambat atom bergerak. Pada nol mutlak atau -273,15 derajat Celcius, atom berhenti bergerak.
Pada 1950-an, fisikawan mulai berargumen bahwa partikel tidak selalu kehilangan energi pada nol mutlak.
Ilmuwan dari Universitas Ludwig Maximilian di Munich dan Institut Max Planck untuk Optik Kuantum gas dibuat di Garching, yang menjadi lebih dingin dari nol mutlak beberapa nanokelvin.
Mereka mendinginkan sekitar 100.000 atom menjadi suhu positif beberapa nanokelvin (nanokelvin adalah sepersejuta kelvin) dan menggunakan jaringan sinar laser dan medan magnet untuk mengontrol perilaku atom dan mendorongnya ke batas suhu baru.
Suhu tertinggi
Jika suhu serendah mungkin dianggap nol mutlak, lalu suhu berapa yang dapat dianggap kebalikannya - suhu tertinggi? Menurut model kosmologis, suhu tertinggi yang mungkin adalah suhu Planck, yang setara dengan 1,416785 (71) x 1032 kelvin (141 nonillion 679 octillion derajat).
Alam Semesta kita telah melewati suhu Planck. Ini terjadi 10^-42 detik setelah Big Bang, ketika alam semesta lahir.
Suhu terdingin di Bumi
Suhu terendah di Bumi tercatat pada 21 Juli 1983 di stasiun Vostok di Antartika, dan itu -89,2 derajat Celcius.
Stasiun Vostok adalah tempat berpenghuni permanen terdingin di Bumi. Didirikan oleh Rusia pada tahun 1957 dan terletak 3488 meter di atas permukaan laut.
Suhu tertinggi di Bumi
Suhu tertinggi di Bumi tercatat pada 10 Juli 1913 di Death Valley di California dan itu 56,7 derajat Celcius.
Rekor terbanyak sebelumnya suhu tinggi dunia di kota Al-Aziziya di Libya yang bersuhu 57,7 derajat Celcius, terbantahkan Organisasi Meteorologi Dunia karena data yang tidak dapat diandalkan.
Situs sedang dalam pemulihan. Pengeditan teks untuk sementara tidak tersedianol mutlak (versi lain dari ejaan "nol mutlak")- suhu minimum maksimum. Sesuai dengan kira-kira - 273,15 derajat Celcius atau 0 derajat Kelvin.
Konsep nol mutlak muncul setelah hipotesis diajukan bahwa panas yang diamati adalah kecepatan pergerakan partikel. Secara teoritis, telah disarankan bahwa nol mutlak adalah ketika bahkan partikel terkecil, atom, berhenti bergerak.
Faktanya, suhu ini tidak dapat dicapai, karena atom mempertahankan sejumlah kecil energi dan hanya ketidakhadirannya yang sama dengan nol mutlak.
Pada suhu mendekati nol mutlak, fenomena kuantum lebih jelas, yang memungkinkan untuk membuat komputer kuantum sederhana menggunakan metode pendinginan.
Dengan penurunan suhu logam, mereka memiliki sifat superkonduktivitas.
Para ilmuwan berhasil mendinginkan atom hingga suhu mendekati nol mutlak - hingga 170 nanokelvin (kurang dari satu derajat Kelvin, kira-kira - 273,14 Celcius).
Sejarah mendapatkan benda super dingin
Pengalaman pertama
Upaya pertama untuk mendapatkan "benda super dingin" hampir lebih dari air yang membekukan dengan penambahan garam. Garam yang ditambahkan, tergantung pada konsentrasinya, menaikkan titik beku air beberapa derajat di atas 100 derajat Celcius. (Untuk waktu yang lama, skala Celcius "terbalik)Fenomena serupa di perairan lautan Utara dan Antartika
Penemuan pencairan gas
Kemajuan signifikan dalam menurunkan suhu menjadi percobaan gas klorin. Sebagai hasil dari percobaan, ilmuwan menjadi tertarik pada cairan kehijauan yang muncul secara tak terduga di bagian bawah labu tertutup dengan gas yang dipanaskan. Setelah memecahkan termos (sambil melukai matanya dengan pecahan peluru), dia melihat bahwa cairan itu telah menguap, dan embun beku telah muncul di tempat di mana dia berada. Jadi pencairan gas ditemukan untuk pertama kalinya - dengan peningkatan tekanan, serta benda pendingin - dengan penguapan cairan yang dihasilkan.Ilmuwan menggambarkan dan menyarankan bahwa fenomena ini dapat digunakan di masa depan untuk menyimpan makanan.
Di masa depan, Faraday menerima cair semua gas yang dikenal pada waktu itu, kecuali: karbon monoksida, oksigen dan hidrogen.
Gas yang tersisa, di bawah pengaruh tekanan saja, menjadi semakin sulit untuk berubah menjadi keadaan cair, dan hidrogen tidak dapat diperoleh sama sekali.
Produksi hidrogen cair -222,65 ° C dan helium - 268,9 ° C
Selanjutnya yang berhasil mendekati suhu nol mutlak secara signifikan adalah James Dewar, yang berhasil mendinginkan hidrogen hingga suhu -222,65 °C. Untuk pendinginan, selain tekanan yang digunakan, ia menggunakan pendinginan rantai gas, oksigen cair - hidrogen yang didinginkan.Segera, di laboratorium tetangga tempat James bekerja, penemuan helium, yang dalam keadaan cair seharusnya memiliki suhu 268,9 ° C, terjadi. James Dewar mulai mencoba membuat helium dalam keadaan cair, tetapi menghadapi banyak masalah. Ilmuwan yang menemukan helium berselisih di dalamnya, dan balon dengan helium yang mahal (pada waktu itu), diperoleh pada akhirnya, secara tidak sengaja dikempiskan oleh asistennya.
Heike Kamerling Onnes, dengan menggunakan teknologi pendinginan kaskade yang sama, mengalahkan James dan memenangkan Hadiah Nobel untuk helium cair.
Helium pada suhu mendekati nol mutlak, ternyata memiliki sifat yang tidak biasa. Sifat-sifat ini disebut superfluiditas dan viskositas nol. Helium cair mampu mengatasi kapasitas kapal di mana ia berada dan naik ke dinding. Pada tahun 1939, ilmuwan Rusia Pyotr Leonidovich Kapitsa pertama kali menemukan superfluiditas. Sebuah "air mancur" kecil yang mengalir tanpa batas muncul di dalam tetesan helium cair dengan peningkatan tekanan lebih lanjut.
Helium cair masih dianggap sebagai zat terdingin yang pernah diproduksi manusia, selain kondensat Bohr Einstein. Helium tidak dapat masuk ke keadaan padat bahkan pada nol mutlak (tanpa meningkatkan tekanan).
Produksi kondensat Bohr-Einstein: 170 nanokelvin
Pada 20-an abad XX, ilmuwan India Shatyendranata Bose mengirim surat dengan karyanya tentang menghitung fenomena menurut teori Einstein. Einstein, bekerja sama dengan Bose, meramalkan kemunculan zat agregat khusus pada suhu yang masih mendekati nol mutlak. Keadaan agregasi ini dinamai menurut nama ilmuwan "Kondensat Bohr-Einstein". Kondensat memiliki sifat kuantum pada tingkat makroskopik.
Kondensat Bohr-Einstein diperoleh hanya pada tahun 1995. Untuk membawa suhu sedekat mungkin ke nol mutlak, laser digunakan, yang memperlambat pergerakan partikel dan "kapasitor" melepaskan partikel yang bergerak cepat.
Suhu kondensat adalah 170 nanokelvin. Pergerakan cahaya melambat di dalam.
