Šta je apsolutna nula u Celzijusima? Naučnici su stvorili gas sa temperaturom ispod apsolutne nule. Najviša temperatura na Zemlji

Fizički koncept "apsolutne nulte temperature" veoma je važan za modernu nauku: usko je povezan sa konceptom kao što je supravodljivost, čije je otkriće stvorilo pravu senzaciju u drugoj polovini dvadesetog veka.

Da biste razumjeli šta je apsolutna nula, trebali biste se obratiti radovima poznatih fizičara kao što su G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac i W. Thomson. Oni su odigrali ključnu ulogu u stvaranju glavnih temperaturnih skala koje se i danas koriste.

Prvi koji je predložio svoju temperaturnu skalu bio je njemački fizičar G. Fahrenheit 1714. godine. Istovremeno, temperatura mješavine, koja je uključivala snijeg i amonijak, uzeta je kao apsolutna nula, odnosno kao najniža tačka ove skale. Sljedeći važan pokazatelj bio je koji je postao jednak 1000. Shodno tome, svaki dio ove skale nazvan je „stepen Farenhajta“, a sama skala je nazvana „farenhajtova skala“.

30 godina kasnije, švedski astronom A. Celsius je predložio sopstvenu temperaturnu skalu, gde su glavne tačke bile temperatura topljenja leda i vode. Ova skala je nazvana „Celzijeva skala“ i dalje je popularna u većini zemalja svijeta, uključujući i Rusiju.

Godine 1802, dok je izvodio svoje čuvene eksperimente, francuski naučnik J. Gay-Lussac otkrio je da zapremina gasa pri konstantnom pritisku direktno zavisi od temperature. Ali najzanimljivije je bilo da kada se temperatura promijeni za 10 Celzijusa, volumen plina se povećava ili smanjuje za istu količinu. Nakon što je napravio potrebne proračune, Gay-Lussac je otkrio da je ova vrijednost jednaka 1/273 zapremine gasa na temperaturi od 0C.

Ovaj zakon je doveo do očiglednog zaključka: temperatura jednaka -2730C je najniža temperatura, čak i ako joj se približite, nemoguće je postići. Upravo se ta temperatura naziva "temperatura apsolutne nule".

Štaviše, apsolutna nula je postala polazna tačka za stvaranje apsolutne temperaturne skale, u kojoj je aktivno učestvovao engleski fizičar W. Thomson, poznat i kao Lord Kelvin.

Njegovo glavno istraživanje odnosilo se na dokazivanje da se nijedno tijelo u prirodi ne može ohladiti ispod apsolutne nule. U isto vrijeme, on je aktivno koristio drugu, pa se apsolutna temperaturna skala koju je uveo 1848. počela zvati termodinamička ili "Kelvinova skala".

U narednim godinama i decenijama došlo je samo do numeričkog pojašnjenja koncepta "apsolutne nule", koji se nakon brojnih dogovora počeo smatrati jednakim -273,150C.

Također je vrijedno napomenuti da apsolutna nula igra vrlo važnu ulogu u tome da je 1960. godine, na sljedećoj Generalnoj konferenciji za utege i mjere, jedinica termodinamičke temperature - kelvin - postala jedna od šest osnovnih mjernih jedinica. . Istovremeno, posebno je propisano da je jedan stepen Kelvina brojčano jednak jedan, ali se referentnom tačkom "prema Kelvinu" obično smatra apsolutna nula, odnosno -273,150C.

Glavno fizičko značenje apsolutne nule je da je, prema osnovnim fizikalnim zakonima, na takvoj temperaturi energija kretanja elementarnih čestica, kao što su atomi i molekuli, jednaka nuli, a u ovom slučaju bi svako haotično kretanje tih istih čestica trebalo prestati. Na temperaturi jednakoj apsolutnoj nuli, atomi i molekuli moraju zauzeti jasnu poziciju u glavnim tačkama kristalne rešetke, formirajući uređen sistem.

Danas, koristeći specijalnu opremu, naučnici su uspeli da dobiju temperature koje su samo nekoliko delova na milion iznad apsolutne nule. Fizički je nemoguće postići ovu vrijednost samu zbog drugog zakona termodinamike opisanog gore.

Apsolutna temperatura nula odgovara 273,15 stepeni Celzijusa ispod nule, 459,67 stepeni ispod nule Farenhajta. Za Kelvinovu temperaturnu skalu, ova temperatura je nulta oznaka.

Suština apsolutne nulte temperature

Koncept apsolutne nule dolazi iz same suštine temperature. Svako tijelo koje ispušta u vanjsko okruženje tokom. Istovremeno se smanjuje tjelesna temperatura, tj. ostaje manje energije. Teoretski, ovaj proces se može nastaviti sve dok količina energije ne dostigne toliki minimum da je tijelo više ne može odavati.
Daleki predznak takve ideje već se može naći kod M.V. Veliki ruski naučnik je toplotu objasnio „rotacionim“ kretanjem. Shodno tome, maksimalni stepen hlađenja je potpuni prekid takvog kretanja.

Prema modernim konceptima, apsolutna nula temperatura je na kojoj molekuli imaju najniži mogući nivo energije. Sa manje energije, tj. na nižoj temperaturi ne može postojati nijedno fizičko tijelo.

Teorija i praksa

Apsolutna nulta temperatura je teoretski koncept, nemoguće je postići u praksi, u principu, čak iu naučnim laboratorijama sa najsofisticiranijom opremom. Ali naučnici uspijevaju ohladiti supstancu na vrlo niske temperature, koje su blizu apsolutne nule.

Na takvim temperaturama tvari dobivaju zadivljujuća svojstva koja ne mogu imati u uobičajenim okolnostima. Živa, koja se naziva "živim srebrom" jer je u stanju bliskom tečnom, na ovoj temperaturi postaje čvrsta - do te mjere da se može koristiti za zabijanje eksera. Neki metali postaju krti, poput stakla. Guma postaje jednako tvrda. Ako čekićem udarite gumeni predmet na temperaturi blizu apsolutne nule, razbiće se poput stakla.

Ova promjena svojstava je također povezana s prirodom topline. Što je temperatura fizičkog tijela viša, molekuli se kreću intenzivnije i haotičnije. Kako temperatura pada, kretanje postaje manje intenzivno i struktura postaje urednija. Dakle, gas postaje tečnost, a tečnost postaje čvrsta. Krajnji nivo reda je kristalna struktura. Na ultra niskim temperaturama, čak i supstance koje inače ostaju amorfne, kao što je guma, to dobijaju.

Zanimljive pojave se dešavaju i sa metalima. Atomi kristalne rešetke vibriraju s manjom amplitudom, raspršenje elektrona se smanjuje, a samim tim i električni otpor. Metal stječe supravodljivost, čija se praktična primjena čini vrlo primamljivom, iako teško ostvarivom.

Termin "temperatura" pojavio se u vrijeme kada su fizičari mislili da se topla tijela sastoje od više specifične tvari - kalorijske - nego ista tijela, ali hladna. A temperatura se tumačila kao vrijednost koja odgovara količini kalorija u tijelu. Od tada se temperatura svakog tijela mjeri u stepenima. Ali u stvari, to je mjera kinetičke energije pokretnih molekula i, na osnovu toga, treba je mjeriti u džulima, u skladu sa sistemom jedinica C.

Koncept "apsolutne nulte temperature" dolazi iz drugog zakona termodinamike. Prema njemu, proces prenosa toplote sa hladnog tela na toplo je nemoguć. Ovaj koncept je uveo engleski fizičar W. Thomson. Za svoja dostignuća u fizici dobio je plemićku titulu “Lord” i titulu “Baron Kelvin”. 1848. W. Thomson (Kelvin) je predložio korištenje temperaturne skale u kojoj je uzeo apsolutnu nultu temperaturu, koja odgovara ekstremnoj hladnoći, kao početnu tačku, a uzeo stepene Celzijusa kao vrijednost podjele. Kelvinova jedinica je 1/27316 temperature trostruke tačke vode (oko 0 stepeni C), tj. temperatura na kojoj čista voda odmah postoji u tri oblika: led, tečna voda i para. temperatura je najniža moguća niska temperatura pri kojoj prestaje kretanje molekula i više nije moguće izvući toplinsku energiju iz tvari. Od tada je apsolutna temperaturna skala nazvana po njemu.

Temperatura se mjeri na različitim skalama

Najčešće korištena temperaturna skala naziva se Celzijeva skala. Zasniva se na dvije točke: temperaturi faznog prijelaza vode iz tekućine u paru i vode u led. A. Celzius je 1742. godine predložio da se razmak između referentnih tačaka podeli na 100 intervala, i da se voda uzme kao nula, sa tačkom smrzavanja kao 100 stepeni. Ali Šveđanin K. Linnaeus je predložio da se radi suprotno. Od tada, voda se smrzla na nula stepeni A. Celzijusa. Iako bi trebalo da ključa tačno na celzijusu. Apsolutna nula Celzijusa odgovara minus 273,16 stepeni Celzijusa.

Postoji još nekoliko temperaturnih skala: Fahrenheit, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. Imaju različite cijene podjela. Na primjer, Reaumur skala je također izgrađena na referentnim tačkama ključanja i smrzavanja vode, ali ima 80 podjela. Farenhajtova skala, koja se pojavila 1724. godine, koristi se u svakodnevnom životu samo u nekim zemljama svijeta, uključujući SAD; jedna je temperatura mješavine vodenog leda i amonijaka, a druga je temperatura ljudskog tijela. Skala je podijeljena na stotinu podjela. Nula Celzijusa odgovara 32 Pretvaranje stepeni u Farenhajt se može obaviti korišćenjem formule: F = 1,8 C + 32. Reverzna konverzija: C = (F - 32)/1,8, gde je: F - stepeni Farenhajta, C - stepeni Celzijusa. Ako ste previše lijeni da brojite, idite na online servis za pretvaranje Celzijusa u Farenhajt. U polje unesite broj stepeni Celzijusa, kliknite na "Izračunaj", odaberite "Farenhajt" i kliknite na "Start". Rezultat će se pojaviti odmah.

Ime je dobio po engleskom (tačnije škotskom) fizičaru Williamu J. Rankinu, koji je bio Kelvinov savremenik i jedan od tvoraca tehničke termodinamike. Na njegovoj skali postoje tri važne tačke: početak je apsolutna nula, tačka smrzavanja vode je 491,67 stepeni Rankine i tačka ključanja vode je 671,67 stepeni. Broj podjela između zamrzavanja vode i njenog ključanja i za Rankinea i za Farenhajta je 180.

Većinu ovih skala koriste isključivo fizičari. A 40% američkih srednjoškolaca koji su danas ispitani reklo je da ne znaju šta je temperatura apsolutne nule.

Granična temperatura pri kojoj zapremina idealnog gasa postaje jednaka nuli uzima se kao temperatura apsolutne nule. Međutim, volumen stvarnih plinova na temperaturi apsolutne nule ne može nestati. Ima li onda ovo ograničenje temperature smisla?

Granična temperatura, čije postojanje proizilazi iz Gay-Lussacovog zakona, ima smisla, jer je praktično moguće približiti svojstva realnog gasa svojstvima idealnog. Da biste to učinili, morate uzeti sve razrijeđeniji plin, tako da njegova gustina teži nuli. Zaista, kako se temperatura smanjuje, volumen takvog plina težit će granici, blizu nule.

Nađimo vrijednost apsolutne nule na Celzijusovoj skali. Izjednačavanje jačine zvuka VV formulu (3.6.4) nula i uzimajući to u obzir

Stoga je apsolutna nula temperatura

* Tačnija vrijednost apsolutne nule: -273,15 °C.

Ovo je ekstremna, najniža temperatura u prirodi, taj „najveći ili poslednji stepen hladnoće“, čije je postojanje predvideo Lomonosov.

Kelvinova skala

Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - izvanredni engleski fizičar, jedan od osnivača termodinamike i molekularne kinetičke teorije plinova.

Kelvin je uveo apsolutnu temperaturnu skalu i dao jednu od formulacija drugog zakona termodinamike u obliku nemogućnosti potpunog pretvaranja topline u rad. Izračunao je veličinu molekula na osnovu mjerenja površinske energije tečnosti. U vezi sa polaganjem transatlantskog telegrafskog kabla, Kelvin je razvio teoriju elektromagnetskih oscilacija i izveo formulu za period slobodnih oscilacija u kolu. Za svoja naučna dostignuća, W. Thomson je dobio titulu Lord Kelvin.

Engleski naučnik W. Kelvin uveo je apsolutnu temperaturnu skalu. Nulta temperatura na Kelvinovoj skali odgovara apsolutnoj nuli, a jedinica temperature na ovoj skali jednaka je stepenu na Celzijusovoj skali, tako da apsolutna temperatura T se formulom odnosi na temperaturu na Celzijusovoj skali

(3.7.6)

Slika 3.11 prikazuje apsolutnu skalu i Celzijusovu skalu za poređenje.

SI jedinica apsolutne temperature naziva se kelvin (skraćeno K). Dakle, jedan stepen na Celzijusovoj skali jednak je jednom stepenu na Kelvinovoj skali: 1 °C = 1 K.

Dakle, apsolutna temperatura, prema definiciji datoj formulom (3.7.6), je izvedena veličina koja zavisi od temperature Celzijusa i od eksperimentalno utvrđene vrijednosti a. Međutim, to je od fundamentalnog značaja.

Sa stanovišta molekularne kinetičke teorije, apsolutna temperatura je povezana sa prosječnom kinetičkom energijom haotičnog kretanja atoma ili molekula. At T = O K termičko kretanje molekula se zaustavlja. O tome će se detaljnije govoriti u 4. poglavlju.

Zavisnost zapremine od apsolutne temperature

Koristeći Kelvinovu skalu, Gay-Lussacov zakon (3.6.4) može se napisati u jednostavnijem obliku. Jer

(3.7.7)

Zapremina gasa date mase pri konstantnom pritisku direktno je proporcionalna apsolutnoj temperaturi.

Iz toga slijedi da je omjer volumena plina iste mase u različitim stanjima pri istom pritisku jednak omjeru apsolutnih temperatura:

(3.7.8)

Postoji minimalna moguća temperatura na kojoj zapremina (i pritisak) idealnog gasa nestaje. Ovo je apsolutna nula temperatura:-273 °C. Pogodno je računati temperaturu od apsolutne nule. Ovako se konstruiše apsolutna temperaturna skala.

Nauka

Do nedavno, najhladnija temperatura koju je fizičko tijelo moglo imati smatrala se "apsolutnom nulom" na Kelvinovoj skali. Odgovara −273,15 stepeni Celzijusa ili -460 stepeni Farenhajta.

Sada su fizičari iz Njemačke uspjeli da dostignu temperature ispod apsolutne nule. Takvo otkriće će pomoći naučnicima da shvate fenomene poput tamne energije i stvore nove oblike materije.

Apsolutna nulta temperatura

Sredinom 19. veka, britanski fizičar Lord Kelvin stvorio je apsolutnu temperaturnu skalu i utvrdio je ništa ne može biti hladnije od apsolutne nule. Kada su čestice na temperaturi apsolutne nule, one prestaju da se kreću i nemaju energiju.

Temperatura objekta je mjera koliko se atomi kreću. Što je predmet hladniji, to se atomi sporije kreću. Na apsolutnoj nuli, ili -273,15 stepeni Celzijusa, atomi prestaju da se kreću.

U 1950-im, fizičari su počeli tvrditi da čestice ne gube uvijek energiju na apsolutnoj nuli.

Naučnici iz Univerzitet Ludwig Maximilian u Minhenu i Max Planck institut za kvantnu optiku plin je stvoren u Garchingu, koji je postao hladnije od apsolutne nule za nekoliko nanokelvina.

Oni su ohladili oko 100.000 atoma na temperaturu od nekoliko nanokelvina (nanokelvin je milijardu kelvina) i koristili mrežu laserskih zraka i magnetnih polja kako bi kontrolirali ponašanje atoma i gurnuli ih na novu temperaturnu granicu.

Najviša temperatura

Ako se najniža moguća temperatura smatra apsolutnom nulom, koja se onda temperatura može smatrati njenom suprotnošću - najvišom temperaturom? Prema kosmološkim modelima, najviša moguća temperatura je Plankova temperatura, koja odgovara 1,416785(71)x1032 kelvina (141 nonilion 679 oktilion stepeni).

Naš svemir je već prošao kroz Planckovu temperaturu. Ovo se dogodilo 10^-42 sekunde nakon Velikog praska, kada je Univerzum rođen.

Najniža temperatura na Zemlji

Najniža temperatura na Zemlji zabilježena je 21. jula 1983. godine na stanici Vostok na Antarktiku, a bila je -89,2 stepena Celzijusa.

Stanica Vostok je najhladnije stalno naseljeno mjesto na Zemlji. Osnovala ga je Rusija 1957. godine i nalazi se na nadmorskoj visini od 3488 metara.

Najviša temperatura na Zemlji

Najviša temperatura na Zemlji zabilježena je 10. jula 1913. godine u Dolini smrti u Kaliforniji i bila je 56,7 stepeni Celzijusa.

Pobijen je dosadašnji rekord za najvišu temperaturu na svijetu u gradu Al-Aziziya u Libiji od 57,7 stepeni Celzijusa Svjetska meteorološka organizacija zbog nepouzdanih podataka.