Термін «температура» з'явився за часів, коли вчені-фізики думали, що теплі тіла складаються з більшої кількості специфічної субстанції - теплорода, - ніж такі ж тіла, але холодні. А температура трактувалася як величина, що відповідає кількості теплорода в тілі. З тих пір температуру будь-яких тіл вимірюють в градусах. Але насправді це міра кінетичної енергії рухомих молекул, і, виходячи з цього, її слід вимірювати в Джоулях, відповідно до Системи одиниць Сі.
поняття « абсолютний нультемператури »виходить з другого закону термодинаміки. По ньому процес переходу тепла від холодного тіла до гарячого неможливий. Це поняття введено англійським фізиком В. Томсоном. Йому за досягнення у фізиці було даровано дворянське звання «лорд» і титул «барон Кельвін». У 1848 р У.Томсон (Кельвін) запропонував використовувати температурну шкалу, в якій за початкову точку прийняв абсолютний нуль температури, відповідний граничного холоду, а ціною поділки взяв градус Цельсія. Одиницею Кельвіна є 1/27316 частка температури потрійної точки води (близько 0 град. С), тобто температури, при якій чиста водавідразу знаходиться в трьох видах: лід, рідка вода і пар. температури - це мінімально можлива низька температура, При якій рух молекул зупиняється, і з речовини вже неможливо витягти теплову енергію. З тих пір шкала абсолютних температур стала називатися його ім'ям.
Температура вимірюється за різними шкалами
Найбільш вживана шкала температури носить назву «шкала Цельсія». Вона побудована на двох точках: на температурі фазового переходу води з рідини в пар і води в лід. А. Цельсій в 1742 році запропонував відстань між опорними точками розділити на 100 проміжків, а води взяти за нуль, при цьому точку замерзання за 100 градусів. Але швед К. Лінней запропонував зробити навпаки. З тих пір вода замерзає при нулі градусів А. Цельсія. Хоча точно за Цельсієм вона повинна кипіти. Абсолютний нуль за Цельсієм відповідає мінус 273,16
Є ще кілька температурних шкал: Фаренгейта, Реомюра, Ранкіна, Ньютона, Ремер. Вони мають різні опорні точки і ціну поділки. Наприклад шкала Реомюра теж побудована на реперах кипіння і замерзання води, але вона має 80 поділок. Шкала Фаренгейта, що з'явилася в 1724 р, використовується в побуті тільки в деяких країнах світу, в т. Ч. США; одна - температура суміші водяний лід - нашатир і інша - людського тіла. Шкала ділиться на сто поділів. Нуль Цельсія відповідає 32 Переклад градусів в Фаренгейта можна зробити за формулою: F = 1,8 C + 32. зворотній переклад: С = (F - 32) / 1,8, де: F - градуси Фаренгейта, С - градуси Цельсія. Якщо вам ліньки рахувати, сходіть в онлайн-сервіс з перекладу Цельсія в Фаренгейт. У рамочці наберіть число градусів Цельсія, натисніть «Розрахувати», виберіть «Фаренгейт» і натисніть «Пуск». Результат з'явиться відразу.
Шкала Ранкіна названа на честь англійського (точніше шотландського) фізика Вільяма Дж. Ранкіна, колишнього сучасником Кельвіна і одним із творців технічної термодинаміки. У його шкалі важливих точок три: початок - абсолютний нуль, точки замерзання води 491,67 градус Ранкіна і закипання води 671,67 град. Число поділок між замерзанням води і її закипанням і у Ранкіна, і у Фаренгейта дорівнює 180.
Більшості цих шкал користуються виключно фізики. А 40% опитаних в наші дні американських школярів випускних класів сказали, що вони не знають, що таке абсолютний нуль температури.
Що таке абсолютний нуль (частіше - нуль)? Чи справді ця температура існує де-небудь у Всесвіті? Чи можемо ми охолодити що-небудь до абсолютного нуля в реальному житті? Якщо вам цікаво, чи можна обігнати хвилю холоду, давайте дослідимо найдальші межі холодної температури ...
Навіть якщо ви не фізик, ви, ймовірно, знайомі з поняттям температури. Температура - це міра вимірювання кількості внутрішньої випадкової енергії матеріалу. Слово «внутрішньої» дуже важливо. Киньте сніжок, і хоча основний рух буде досить швидким, сніжний ком залишиться досить холодним. З іншого боку, якщо ви подивитеся на молекули повітря, що літають по кімнаті, звичайна молекула кисню смажить зі швидкістю тисяч кілометрів на годину.
Ми зазвичай замовкаємо, коли мова заходить про технічні деталі, тому спеціально для експертів відзначимо, що температура трохи складніша річ, що ми сказали. Істинне визначення температури на увазі те, скільки енергії вам потрібно затратити на кожну одиницю ентропії (безладдя, якщо хочете більш зрозуміле слово). Але давайте опустимо тонкощі і просто зупинимося на тому, що випадкові молекули повітря або води в товщі льоду будуть рухатися або вібрувати все повільніше і повільніше, в міру зниження температури.
Абсолютний нуль - це температура -273,15 градусів Цельсія, -459,67 за Фаренгейтом і просто 0 за Кельвіном. Це точка, де теплове рух повністю зупиняється.
Все зупиняється?
У класичному розгляді питання при абсолютному нулі зупиняється все, але саме в цей момент з-за рогу визирає страшна морда квантової механіки. Одним з прогнозів квантової механіки, яке зіпсувало кров чималій кількості фізиків, є те, що ви ніколи не можете виміряти точне положення або імпульс частинки з досконалою визначеністю. Це відомо як принцип невизначеності Гейзенберга.
Якби ви могли охолодити герметичну кімнату до абсолютного нуля, відбулися б дивні речі (про це трохи пізніше). Тиск повітря впала б практично до нуля, і оскільки тиск повітря зазвичай протистоїть гравітації, повітря сколлапсірует в дуже тонкий шар на підлозі.
Але навіть в цьому випадку, якщо ви зможете виміряти окремі молекули, ви виявите дещо цікаве: вони вібрують і обертаються, зовсім небагато - квантова невизначеність в роботі. Щоб поставити крапки над i: якщо ви виміряти обертання молекул вуглекислого газу при абсолютному нулі, ви виявите, що атоми кисню облітають вуглець зі швидкістю кілька кілометрів на годину - куди швидше, ніж ви припускали.
Розмова заходить в глухий кут. Коли ми говоримо про квантовий світі, рух втрачає сенс. У таких масштабах все визначається невизначеністю, тому не то щоб частинки були нерухомими, ви просто ніколи не зможете виміряти їх так, немов вони нерухомі.
Як низько можна впасти?
Прагнення до абсолютного нуля по суті зустрічається з тими ж проблемами, що і прагнення до швидкості світла. Щоб набрати швидкість світла, знадобиться нескінченну кількість енергії, а досягнення абсолютного нуля вимагає вилучення нескінченної кількості тепла. Обидва ці процеси неможливі, якщо що.
Незважаючи на те, що ми поки не добилися фактичного стану абсолютного нуля, ми дуже близькі до цього (хоча «дуже» в цьому випадку поняття дуже широке; як дитяча лічилки: два, три, чотири, чотири з половиною, чотири на ниточці, чотири на волосині, п'ять). Найнижча температура, коли-небудь зареєстрована на Землі, була зафіксована в Антарктиді в 1983 році, на позначці -89,15 градусів Цельсія (184K).
Звичайно, якщо ви хочете охолонути не по-дитячому, вам потрібно пірнути в глибини космосу. Весь всесвіт залита залишками випромінювання від Великого Вибуху, в самих порожніх регіонах космосу - 2,73 градуса за Кельвіном, що трохи холодніше, ніж температура рідкого гелію, який ми змогли отримати на Землі сто років тому.
Але фізики-нізкотемпературщікі використовують заморожують промені, щоб вивести технологію на абсолютно новий рівень. Вас може здивувати те, що заморожують промені приймають форму лазерів. Але як? Лазери повинні спалювати.
Все вірно, але у лазерів є одна особливість - можна навіть сказати, ультимативна: весь світ випромінюється на одній частоті. Звичайні нейтральні атоми взагалі не взаємодіють зі світлом, якщо частота не налаштована точним чином. Якщо ж атом летить до джерела світла, світло отримує допплерівський зсув і виходить на більш високу частоту. Атом поглинає меншу енергію фотона, ніж міг би. Так що якщо налаштувати лазер нижче, швидкого руху атоми будуть поглинати світло, а випромінюючи фотон у випадковому напрямку, будуть втрачати трохи енергії в середньому. Якщо повторювати процес, ви можете охолодити газ до температури менше одного наноКельвіна, мільярдної частки градуса.
Все набуває більш екстремальну забарвлення. Світовий рекорд найнижчої температури становить менше однієї десятої мільярда градуса вище абсолютного нуля. Пристрої, які домагаються цього, захоплюють атоми в магнітні поля. «Температура» залежить не стільки від самих атомів, скільки від спина атомних ядер.
Тепер, для відновлення справедливості, нам потрібно трохи пофантазувати. Коли ми зазвичай уявляємо собі щось, замороженої до однієї мільярдної частки градуса, вам напевно малюється картинка, як навіть молекули повітря замерзають на місці. Можна навіть уявити руйнівний апокаліптичне пристрій, заморожує спини атомів.
В кінцевому рахунку, якщо ви дійсно хочете випробувати низьку температуру, все, що вам потрібно, це чекати. Через приблизно 17 мільярдів років радіаційний фон у Всесвіті охолоне до 1К. Через 95 мільярдів років температура складе приблизно 0,01К. Через 400 мільярдів років глибокий космос буде таким же холодним, як найхолодніший експеримент на Землі, і після цього - ще холодніше.
Якщо вам цікаво, чому всесвіт остигає так швидко, скажіть спасибі нашим старим друзям: ентропії і темної енергії. Всесвіт знаходиться в режимі акселерації, вступаючи в період експоненціального зростання, який буде тривати вічно. Речі буду замерзати дуже швидко.
Яке нам діло?
Все це, звичайно, чудово, та й рекорди побивати теж приємно. Але в чому сенс? Що ж, є маса вагомих причин розбиратися в низинах температури, і не тільки на правах переможця.
Хороші хлопці з Національного інституту стандартів і технологій, наприклад, просто хотіли б зробити класні години. Стандарти часу засновані на таких речах, як частота атома цезію. Якщо атом цезію рухається занадто багато, з'являється невизначеність у вимірах, що, в кінцевому рахунку, призведе до збою годин.
Але що більш важливо, особливо з точки зору науки, матеріали поводяться шалено на екстремально низьких температурах. Наприклад, як лазер складається з фотонів, які синхронізуються один з одним - на одній частоті і фазі - так і матеріал, відомий як конденсат Бозе-Ейнштейна, може бути створений. У ньому все атоми знаходяться в одному і тому ж стані. Або уявіть собі амальгаму, в якій кожен атом втрачає свою індивідуальність, і вся маса реагує як один нуль-супер-атом.
При дуже низьких температурах багато матеріалів стають надтекучого, що означає, що вони можуть абсолютно не володіти в'язкістю, укладатися надтонкими шарами і навіть кидати виклик гравітації в досягненні мінімуму енергії. Також при низьких температурах багато матеріалів стають надпровідними, що означає відсутність будь-якого електричного опору.
Надпровідники здатні реагувати на зовнішні магнітні поля таким чином, щоб повністю скасовувати їх усередині металу. В результаті, ви можете об'єднати холодну температуру і магніт і отримати щось типу левітації.
Чому є абсолютний нуль, але немає абсолютного максимуму?
Давайте поглянемо на іншу крайність. Якщо температура - це просто міра енергії, то можна просто уявити атоми, які підбираються ближче і ближче до швидкості світла. Не може ж так тривати нескінченно?
Є короткий відповідь: ми не знаємо. Цілком можливо, що буквально існує така річ, як нескінченна температура, але якщо є абсолютний межа, юна всесвіт надає досить цікаві підказки щодо того, що це таке. Найвища температура, коли-небудь існувала (як мінімум в нашій всесвіту), ймовірно, сталася в так зване «час Планка».
Це була мить довжиною в 10 ^ -43 секунд після Великого Вибуху, коли гравітація відділилася від квантової механіки і фізика стала саме такою, якою є зараз. Температура в той час була приблизно 10 ^ 32 K. Це в септілліон раз гаряче, ніж нутро нашого Сонця.
Знову ж таки, ми зовсім не впевнені, сама чи це гаряча температура з усіх, що могли бути. Оскільки у нас навіть немає великої моделі всесвіту в момент часу Планка, ми навіть не впевнені, що Всесвіт кип'ятилися до такого стану. У будь-якому випадку, до абсолютного нуля ми в багато разів ближче, ніж до абсолютної спеці.
наука
До недавніх пір, найхолоднішою температурою, яку могло мати фізичне тіло, вважалася температура "абсолютного нуля" за шкалою Кельвіна. Це відповідає -273,15 градусів за Цельсіємабо -460 градусів за Фаренгейтом.
Тепер же фізики з Німеччини змогли досягти температури нижче абсолютного нуля. Таке відкриття допоможе вченим зрозуміти такі явища, як темна енергія і створити нові форми речовини.
Абсолютний нуль температури
В середині 19-го століття, британський фізик лорд Кельвін створив шкалу абсолютної температуриі визначив, що ніщо не може бути холодніше, ніж абсолютний нуль. Коли частинки знаходяться при температурі абсолютного нуля, вони перестають рух і у них відсутня енергія.
Температура об'єкта - це міра того, наскільки атоми рухаються. Чим холодніше об'єкт, тим повільніше рухаються атоми. При температурі абсолютного нуля або -273,15 градусів за Цельсієм, атоми перестають рухатися.
У 1950-х роках, фізики почали стверджувати, що частинки не завжди втрачають енергію при абсолютному нулі.
вчені з Університету Людвіга-Максиміліанав Мюнхені і Інституті квантової оптики Макса Планкав Гархинге створили газ, який став холодніше абсолютного нуля на кілька нанокельвінов.
Вони охолодили близько 100 000 атомів до позитивної температуридекількох нанокельвінов (нанокельвін - одна мільярдна частина Кельвіна) і використовували мережу лазерних променів і магнітних полів, щоб контролювати поведінку атомів, і підштовхнути їх до нового межі температури.
Найвища температура
Якщо найнижча можлива температура вважається абсолютним нулем, То яка температура може вважатися його протилежністю - найвищої температурою? Згідно космологічним моделям, найвища можлива температура - це Планка температура, яка відповідає 1.416785 (71) х1032 кельвінів (141 нонілліон 679 октілліонов градусів).
Наш Всесвіт вже проходила через Планка температуру. Це сталося через 10 ^ -42 секунд після Великого вибуху, коли народилася Всесвіт.
Найнижча температура на Землі
Найнижча температура на Землі зафіксована 21 липня 1983 році на станції Схід в Антарктиді, і вона склала -89,2 градуса за Цельсієм.
Станція Схід - найхолодніше постійне населене місце на Землі. Вона була заснована Росією в 1957 році і розташована на висоті 3488 метрів над рівнем моря.
Найвища температура на Землі
Найвища температура на Землі була зареєстрована 10 липня 1913 в Долині Смерті в Каліфорнії і вона склала 56,7 градусів за Цельсієм.
Попередній рекорд самої високої температурисвіті в місті Ель-Азізія в Лівії, що склав 57,7 градусів за Цельсієм, був спростований Всесвітньою метеорологічною організацієючерез ненадійність даних.
The site is under restoration. Text editing is temporarily unavailableАбсолютний нуль (Інша версія написання "абсолютний нуль")- гранично мінімальна температура. Відповідає приблизно - 273.15 градусам Цельсія або 0 градусів Кельвіна.
Концепція абсолютного нуля з'явилася після того, як було висунуто припущення, що спостережуване тепло - це швидкість руху частинок. Теоретично було запропоновано, що абсолютний нуль це, коли навіть самі дрібніє частки - атоми, припиняють своє руху.
Фактично, ця температура є недосяжною, так як атоми зберігають невелику кількість енергії і лише повна їх відсутність відповідає абсолютного нуля.
При температурі близькій до абсолютного нуля більш яскраво проявляються квантові явища, що дозволило методом охолодження створювати прості, квантові комп'ютери.
При зниження температури металів, у них з'являються властивості надпровідності.
Вченим вдавалося охолоджувати атоми до температури близької до абсолютного нуля - до 170 нанокельвін (менше одного градуса Кельвіна, приблизно - 273.14 Цельсія).
Історія отримання сверх-холодних об'єктів
До перших спроб
Перші спроби отримання "над-холодних об'єктів", представляли із себе не мало не більше ніж заморозка води з додаванням солі. Додана сіль, в залежності від концентрації підвищувала температуру замерзання води на кілька градусів вище ніж 100 градусів за шкалою Цельсія. (Довгий час шкала Цельсієм була "перевернута)Схоже явище, в водах північного і антарктичного океану
Відкриття скраплення газів
Значний поступ зниженні температура став експеримент газоподібним хлором. В результаті експерименту вчений зацікавився несподівано з'явилася зеленуватою рідиною на дні запаяної колби з розігрітим газом. Розбивши колбу (при цьому поранивши осколками очі), він при цьому побачив що рідина випарувалася, на місці де вона була з'явився іній. Так було вперше відкрито скраплення газів - при підвищенні тиску, а так само охолодженні предметів - при випаровуванні отримує рідини.Вчений описав і припустив, що дане явище можна використовувати в майбутньому для зберігання їжі.
Надалі Фарадей отримав зрідженими всі відомі на той момент гази, крім: окису вуглецю, кисень і водню.
Решта гази під вплив тільки тиску, все більш складно переходили в рідкий стан, а водень не вдавалося отримати зовсім.
Отримання рідкого водню -222.65 ° С і гелію - 268,9 ° C
Наступним кому вдалося істотно наблизиться до температури абсолютного нуля став Джеймс Дьюар, якому вдалося охолодити водень до температури -222,65 ° C. Для охолодження, крім використовуваного тиску, він використовував ланцюгове охолодження газів, рідкий кисень - охолоджував водень.Незабаром в сусідній лабораторії де працював Джеймс, відбулося відкриття гелію, який в рідкому стані повинен був мати температуру - 268,9 ° C. Джеймс Дьюар приступив до спроб отримати гелій в рідкому стан, але зіткнувся з безліччю проблем. Вчений відкрив гелій, знаходився в них у сварці, а набутий в кінці кінців балон з дорогим (на той момент) гелієм був випадково спущений його асистентом.
Гейке Камерлінг-Оннес використовую ту ж технологію каскадного охолодження, випередив Джеймса і отримав нобелівську премію за отримання рідкого гелію.
Гелій при температурі близькій до абсолютного нуля, виявилося володіє незвичайними властивостями. Ці властивості назвали надтекучістю і нульовий в'язкість. Рідкий гелій був здатний подолати ємність судини в якій знаходився і піднімався вгору по стінках. У 1939 році російський вчений Петро Леонідович Капіца, вперше відкрив надтекучість. Усередині крапельки рідкого гелію при подальшому підвищенні тиску з'явився крихітний нескінченно поточний "фонтан".
Рідкий гелій досі вважається найхолоднішим речовиною отриманим людиною, крім конденсату Бора Ейнштейна. Гелій не здатний перейти в твердий стан навіть, при абсолютному нулі (без підвищення тиску).
Отримання конденсату Бора-Ейнштейна: 170 нанокельвін
У 20-х року XX століття, індійський вчений Шатьендраната Бозе відправив лист зі своєю роботою по обчисленню явищ по теоріям Ейнштейна. Ейнштейном в співавторстві з Бозе, передбачив появу особливого агрегатного речовини при температурі ще близької до абсолютного нуля. Це агрегатний стан назвали на прізвище вчених "Конденсат Бора-Ейнштейна". Конденсат має квантовими властивостями на макроскопічному рівні.
Конденсат Бора- Ейнштейна був отриманий тільки в 1995 році. Для того що б наблизити температуру максимально до абсолютного нуля використовували лазери, які сповільнювали руху частинок і "конденсатор" випускав швидко рухомі частинки.
Температура конденсату становить 170 нанокельвін. Усередині відбувається уповільнення рух світла.
