Това, което се нарича абсолютна нула. Абсолютната нулева температура е точката, в която молекулярното движение спира.

- 48.67 Kb

Федерална държавна бюджетна образователна институция за висше професионално образование

"Воронежки държавен педагогически университет"

Катедра Обща физика

по темата: " Абсолютна нулатемпература"

Изпълнил: студент 1-ва година, ФМФ,

ПИ, Кондратенко Ирина Александровна

Проверява: асистент общ.отд

физици Афонин Г.В.

Воронеж-2013

Въведение………………………………………………………. 3

1.Абсолютна нула…………………………………………...4

2. История…………………………………………………………6

3. Явления, наблюдавани близо до абсолютната нула………..9

Заключение…………………………………………………… 11

Списък на използваната литература…………………………..12

Въведение

В продължение на много години изследователите напредват към абсолютната нулева температура. Както е известно, температура, равна на абсолютната нула, характеризира основното състояние на система от много частици - състояние с възможно най-ниска енергия, при което атомите и молекулите извършват така наречените "нулеви" вибрации. По този начин дълбокото охлаждане близо до абсолютната нула (смята се, че самата абсолютна нула е непостижима на практика) отваря неограничени възможности за изучаване на свойствата на материята.

1. Абсолютна нула

Абсолютна нулева температура (по-рядко - абсолютна нулева температура) - минималната граница на температурата, която може да бъде физическо тяловъв Вселената. Абсолютната нула служи като източник на абсолютна температурна скала, като скалата на Келвин. През 1954 г. X Генерална конференция по мерки и теглилки създава термодинамична температурна скала с една отправна точка - тройната точка на водата, чиято температура е приета за 273,16 K (точно), което съответства на 0,01 °C, така че по скалата на Целзий температурата съответства на абсолютната нула −273,15 °C.

В рамките на приложимостта на термодинамиката абсолютната нула на практика е недостижима. Неговото съществуване и позиция в температурната скала следва от екстраполация на наблюдаваните физични явления и такава екстраполация показва, че при абсолютна нула енергията на топлинното движение на молекулите и атомите на дадено вещество трябва да бъде равна на нула, тоест хаотичното движение на частиците спира и те образуват подредена структура, заемайки ясно положение във възлите на кристалната решетка (течният хелий е изключение). Въпреки това, от гледна точка на квантовата физика и при абсолютна нулева температура, има нулеви колебания, които са причинени от квантовите свойства на частиците и физическия вакуум около тях.

Тъй като температурата на една система клони към абсолютната нула, нейната ентропия, топлинен капацитет и коефициент на топлинно разширение също клонят към нула и хаотичното движение на частиците, които изграждат системата, спира. С една дума, веществото се превръща в свръхвещество със свръхпроводимост и свръхфлуидност.

Абсолютната нулева температура е недостижима на практика и получаването на температури, изключително близки до нея, представлява сложен експериментален проблем, но вече са получени температури, които са само милионни от градуса от абсолютната нула. .

Нека намерим стойността на абсолютната нула по скалата на Целзий, като приравним обема V на нула и вземем предвид, че

Следователно температурата на абсолютната нула е -273°C.

Това е екстремната, най-ниската температура в природата, онази „най-голяма или последна степен на студ“, чието съществуване предсказа Ломоносов.

Фиг.1. Абсолютна и Целзиева скала

Единицата SI за абсолютна температура се нарича келвин (съкратено K). Следователно един градус по скалата на Целзий е равен на един градус по скалата на Келвин: 1 °C = 1 K.

Следователно абсолютната температура е производна величина, която зависи от температурата по Целзий и от експериментално определената стойност на a. Въпреки това е от основно значение.

От гледна точка на молекулярно-кинетичната теория абсолютната температура е свързана със средната кинетична енергия на хаотичното движение на атоми или молекули. При T = 0 K топлинното движение на молекулите спира.

2. История

Физическата концепция за „абсолютна нулева температура“ е много важна за съвременната наука. важно: тясно свързана с него е концепцията за свръхпроводимостта, чието откриване предизвика истинска сензация през втората половина на ХХ век.

За да разберете какво е абсолютната нула, трябва да се обърнете към произведенията на такива известни физици като Г. Фаренхайт, А. Целзий, Дж. Гей-Лусак и У. Томсън. Те бяха тези, които играеха ключова роляпри създаването на основните температурни скали, които все още се използват днес.

Първият, който предложи своята температурна скала, беше немският физик Г. Фаренхайт през 1714 г. В същото време температурата на сместа, която включваше сняг и амоняк, беше приета за абсолютна нула, тоест като най-ниската точка на тази скала. Следващият важен показател беше нормална температурачовешко тяло, което стана равно на 1000. Съответно всяко деление на тази скала беше наречено „градус по Фаренхайт“, а самата скала беше наречена „скала на Фаренхайт“.

30 години по-късно шведският астроном А. Целзий предложи своя собствена температурна скала, където основните точки бяха температурата на топене на леда и точката на кипене на водата. Тази скала беше наречена „скала на Целзий“ и все още е популярна в повечето страни по света, включително Русия.

През 1802 г., докато провежда известните си експерименти, френският учен Ж. Гей-Люсак открива, че обемът на газ при постоянно налягане е пряко зависим от температурата. Но най-любопитното беше, че когато температурата се промени с 10 градуса по Целзий, обемът на газа се увеличи или намали със същото количество. След като направи необходимите изчисления, Гей-Люсак установи, че тази стойност е равна на 1/273 от обема на газа. Този закон доведе до очевидното заключение: температура, равна на -273°C, е най-ниската температура, дори и да се доближите до нея, е невъзможно да я постигнете. Именно тази температура се нарича „температура на абсолютната нула“. Нещо повече, абсолютната нула става отправна точка за създаването на абсолютната температурна скала, в която активно участва английският физик У. Томсън, известен още като лорд Келвин. Основните му изследвания се занимават с доказване, че никое тяло в природата не може да бъде охладено под абсолютната нула. В същото време той активно използва втория закон на термодинамиката, следователно въведен от него през 1848 г. абсолютен мащабтемпературите започват да се наричат термодинамични или „скала на Келвин“.

Фиг.2. Връзката между температурните скали на Фаренхайт (F), Целзий (C) и Келвин (K).

Също така си струва да се отбележи, че абсолютната нула играе много важна роля в системата SI. Работата е там, че през 1960 г. на следващата Генерална конференция по теглилки и мерки единицата за термодинамична температура - келвинът - стана една от шестте основни мерни единици. В същото време беше специално предвидено, че един градус Келвин

е числено равен на един градус по Целзий, но референтната точка „в Келвин“ обикновено се счита за абсолютна нула.

Основният физически смисъл на абсолютната нула е, че според основните физични закони при такава температура енергията на движение елементарни частици, като атоми и молекули, е равно на нула и в този случай всяко хаотично движение на същите тези частици трябва да спре. При температура, равна на абсолютната нула, атомите и молекулите трябва да заемат ясна позиция в основните точки на кристалната решетка, образувайки подредена система.

В наши дни, използвайки специално оборудване, учените са успели да получат температури, които са само няколко части на милион над абсолютната нула. Физически е невъзможно да се постигне самата тази стойност поради втория закон на термодинамиката.

3. Явления, наблюдавани близо до абсолютната нула

При температури близки до абсолютната нула могат да се наблюдават чисто квантови ефекти на макроскопично ниво, като например:

1. Свръхпроводимостта е свойството на някои материали да имат строго нулево електрическо съпротивление, когато достигнат температура под определена стойност (критична температура). Известни са няколкостотин съединения, чисти елементи, сплави и керамика, които преминават в свръхпроводящо състояние.

Свръхпроводимостта е квантов феномен. Характеризира се и с ефекта на Майснер, който се състои в пълното изместване магнитно полеот обема на свръхпроводника. Съществуването на този ефект показва, че свръхпроводимостта не може да се опише просто като идеална проводимост в класическия смисъл. Откриване през 1986-1993 г. редица високотемпературни свръхпроводници (HTSC) изместиха далеч температурната граница на свръхпроводимостта и направиха възможно практическото използване на свръхпроводящи материали не само при температурата на течния хелий (4,2 K), но също и при точката на кипене на течността азот (77 K), много по-евтина криогенна течност.

2. Свръхфлуидност - способността на веществото в специално състояние (квантова течност), което се получава при спадане на температурата до абсолютната нула (термодинамична фаза), да протича през тесни процепи и капиляри без триене. Доскоро свръхфлуидността беше известна само на течния хелий, но в последните годинисвръхфлуидността е открита и в други системи: в разредени атомни бозе-кондензати и твърд хелий.

Свръхфлуидността се обяснява по следния начин. Тъй като хелиевите атоми са бозони, квантовата механика позволява произволен брой частици да бъдат в едно и също състояние. Близо до абсолютните нулеви температури всички хелиеви атоми са в основно енергийно състояние. Тъй като енергията на състоянията е дискретна, атомът може да получи не каквато и да е енергия, а само такава, която е равна на енергийната празнина между съседни енергийни нива. Но при ниски температури енергията на сблъсък може да бъде по-малка от тази стойност, в резултат на което разсейването на енергия просто няма да се случи. Течността ще тече без триене.

3. Кондензат на Бозе - Айнщайн - физическо състояниевещество, базирано на бозони, охладени до температури, близки до абсолютната нула (по-малко от една милионна от градуса над абсолютната нула). В такова много готино състояние е достатъчно голям бройатомите се оказват в своите минимални възможни квантови състояния и квантовите ефекти започват да се проявяват на макроскопично ниво.

Заключение

Изследването на свойствата на материята близо до абсолютната нула е от голям интерес за науката и технологиите.

Много свойства на веществото, завоалирани при стайна температура от топлинни явления (например топлинен шум), започват да стават все по-очевидни с понижаването на температурата, което прави възможно изучаването в тяхната чиста форма на моделите и връзките, присъщи на дадена вещество. Изследванията в областта на ниските температури направиха възможно откриването на много нови природни явления, като свръхфлуидността на хелия и свръхпроводимостта на металите.

При ниски температури свойствата на материалите се променят драстично. Някои метали увеличават здравината си и стават пластични, докато други стават крехки, като стъклото.

Изследването на физикохимичните свойства при ниски температури ще позволи в бъдеще да се създават нови вещества с предварително определени свойства. Всичко това е много ценно за проектирането и създаването на космически кораби, станции и инструменти.

Известно е, че при радарни изследвания на космически тела, полученият радиосигнал е много малък и трудно се разграничава от различни шумове. Наскоро създадените молекулярни осцилатори и усилватели от учени работят при много ниски температури и следователно имат много ниско ниво на шум.

Нискотемпературни електрически и магнитни свойстваметали, полупроводници и диелектрици позволяват да се разработят принципно нови радиотехнически устройства с микроскопични размери.

Свръхниските температури се използват за създаване на вакуум, необходим например за работа на гигантски ускорители на ядрени частици.

Списък на използваната литература

http://wikipedia.org
http://rudocs.exdat.com
http://fb.ru

Кратко описание

Когато прогнозата за времето прогнозира температури близо до нулата, не трябва да ходите на пързалката: ледът ще се стопи. Температурата на топене на леда се приема за нула градуса по Целзий, най-често срещаната температурна скала.
Ние сме много запознати със скалата за отрицателни градуси по Целзий - градуси<ниже нуля>, градуси студ. Повечето ниска температурана Земята е регистрирано в Антарктида: -88,3°C. Извън Земята са възможни още по-ниски температури: на повърхността на Луната в лунна полунощ може да достигне -160°C.
Но никъде не може да има произволно ниски температури.
Изключително ниската температура - абсолютната нула - съответства на - 273,16° по скалата на Целзий.
Абсолютната температурна скала, скалата на Келвин, произхожда от абсолютната нула. Ледът се топи при 273,16° Келвин, а водата кипи при 373,16° К. Така градус К е равен на градус С. Но по скалата на Келвин всички температури са положителни.
Защо 0°K е студената граница? Топлината е хаотичното движение на атомите и молекулите на дадено вещество. Когато дадено вещество се охлади, то се отнематоплинна енергия<пляска>частици почти напълно спира. Атомите и молекулите биха замръзнали напълно при температура, която се приема за абсолютна нула. Според принципитеквантова механика

, при абсолютна нула топлинното движение на частиците ще спре, но самите частици няма да замръзнат, тъй като не могат да бъдат в пълен покой. По този начин, при абсолютна нула, частиците все още трябва да запазят някакъв вид движение, което се нарича нулево движение.<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Да се охлади вещество до температура под абсолютната нула обаче е толкова безсмислена идея, колкото, да речем, намерението
Освен това дори постигането на точна абсолютна нула е почти невъзможно. Можете само да се доближите до него. Защото в никакъв случай не можете да отнемете абсолютно цялата топлинна енергия от дадено вещество. Част от топлинната енергия остава при най-дълбоко охлаждане.
Как се постигат ултраниски температури?
Замразяването на вещество е по-трудно от нагряването му. Това може да се види дори от сравнение на дизайна на печка и хладилник.
В повечето битови и промишлени хладилници топлината се отстранява поради изпарението на специална течност - фреон, който циркулира през метални тръби. Тайната е, че фреонът може да остане в течно състояние само при достатъчно ниска температура. В камерата на хладилника, поради топлината на камерата, тя се нагрява и кипи, превръщайки се в пара. Но парата се компресира от компресора, втечнява се и влиза в изпарителя, попълвайки загубата на изпарен фреон. За работата на компресора се изразходва енергия. В устройствата за дълбоко охлаждане студеният носител е ултрастудена течност - течен хелий. Безцветен, лек (8 пъти по-лек от водата), кипи податмосферно налягане
при 4,2°К, а във вакуум - при 0,7°К. Още по-ниска температура дава лекият изотоп на хелия: 0,3°K.
Полученият течен хелий се съхранява в специални термоси - колби Дюар.
Цената на тази много студена течност (единствената, която не замръзва при абсолютната нула) се оказва доста висока. Въпреки това течният хелий се използва все по-широко в наши дни не само в науката, но и в различни технически устройства. Най-ниските температури са постигнати по различен начин. Оказва се, че молекулите на някои соли, например калиево-хромова стипца, могат да се въртят по магнитните силови линии. Тази сол се охлажда предварително с течен хелий до 1°K и се поставя в силно магнитно поле. В този случай молекулите се въртят заедноелектропроводи

, а отделената топлина се отнема от течен хелий. След това магнитното поле рязко се премахва, молекулите отново се обръщат в различни посоки и изразходваното
Тази работа води до допълнително охлаждане на солта. Ето как получихме температура от 0,001° K. Използвайки подобен принципен метод, използвайки други вещества, можем да получим още по-ниска температура.

Най-ниската температура, получена досега на Земята, е 0,00001° К.

Свръхфлуидност

Вещество, замразено до ултраниски температури във вани с течен хелий, се променя забележимо. Каучукът става крехък, оловото става твърдо като стомана и еластично, много сплави увеличават якостта.
Самият течен хелий се държи по особен начин. При температури под 2,2 ° K той придобива безпрецедентно за обикновените течности свойство - свръхтечност: част от него напълно губи вискозитет и тече през най-тесните пукнатини без никакво триене.
Това явление е открито през 1937 г. от съветския физик академик П. JI.
Капица, обясни тогава акад. JI. Д. Ландау. Оказва се, че при свръхниски температури квантовите закони на поведението на материята започват да оказват забележимо влияние. Както изисква един от тези закони, енергията може да се прехвърля от тяло на тяло само в точно определени порции - кванти. В течния хелий има толкова малко топлинни кванти, че няма достатъчно от тях за всички атоми. Частта от течността, лишена от топлинни кванти, остава като при абсолютна нула температура; нейните атоми изобщо не участват в произволно топлинно движение и не взаимодействат по никакъв начин със стените на съда. Тази част (тя се наричаше хелий-Н) има свръхфлуидност. С понижаването на температурата хелий-P става все по-изобилен и при абсолютна нула целият хелий ще се превърне в хелий-H.Свръхфлуидността вече е проучена много подробно и дори е намерена за полезна

практическо приложение

Близо до абсолютната нула настъпват изключително интересни промени с електрически свойстванякои материали.
През 1911 г. холандският физик Kamerlingh Onnes направи неочаквано откритие: оказа се, че при температура от 4,12 ° K живакът напълно изчезва електрическо съпротивление. Меркурий става свръхпроводник.
Електрическият ток, индуциран в свръхпроводящ пръстен, не избледнява и може да тече почти вечно.<гроб Магомета>Над такъв пръстен свръхпроводяща топка ще се носи във въздуха и няма да падне, като приказка
, защото неговата гравитация се компенсира от магнитното отблъскване между пръстена и топката. В края на краищата непрекъснатият ток в пръстена ще създаде магнитно поле, а то от своя страна ще индуцира електрически ток в топката и с него противоположно насочено магнитно поле.
В допълнение към живака, калай, олово, цинк и алуминий имат свръхпроводимост близо до абсолютната нула. Това свойство е открито в 23 елемента и повече от сто различни сплави и други химични съединения.
Температурите, при които се появява свръхпроводимост (критични температури) обхващат доста широк диапазон - от 0,35° К (хафний) до 18° К (ниобиево-калаена сплав).
Феноменът на свръхпроводимостта, като свръх- течливостта е проучена подробно. Зависимостите на критичните температури отвътрешна структура
материали и външно магнитно поле.

Създадена е дълбока теория на свръхпроводимостта (важен принос на съветския учен акад. Н. Н. Боголюбов).<танцуя>Същността на това парадоксално явление отново е чисто квантова. При ултраниски температури електроните влизат<прутьями решетки>свръхпроводниците образуват система от свързани по двойки частици, които не могат да дадат енергия на кристалната решетка или да изразходват енергийни кванти за нейното нагряване. Двойките електрони се движат сякаш
, между
- йони и ги заобикаля без сблъсъци и пренос на енергия.
Свръхпроводимостта се използва все повече в технологиите. Например в практиката се използват свръхпроводящи соленоиди - намотки от свръхпроводник, потопени в течен хелий. Веднъж индуциран ток и, следователно, магнитно поле може да се съхранява в тях толкова дълго, колкото желаете.Може да достигне гигантски размери – над 100 000 ерстеда. В бъдеще несъмнено ще се появят мощни индустриални свръхпроводящи устройства - електродвигатели, електромагнити и др.<шумы>оборудване. В електронно-изчислителната технология се обещава блестящо бъдеще за свръхпроводящи превключватели с ниска мощност - криотрони (виж чл.<Пути электроники>).
Не е трудно да си представим колко изкушаващо би било да се придвижи работата на такива устройства в областта на по-високи, по-достъпни температури. IN напоследъксе отваря надеждата за създаване на свръхпроводници от полимерен филм. Особеното естество на електрическата проводимост в такива материали обещава брилянтна възможност за поддържане на свръхпроводимост дори при стайна температура. Учените упорито търсят начини да реализират тази надежда.

В дълбините на звездите

А сега нека надникнем в царството на най-горещото нещо на света – в дълбините на звездите. Където температурите достигат милиони градуси.
Случайното топлинно движение в звездите е толкова интензивно, че цели атоми не могат да съществуват там: те се унищожават при безброй сблъсъци.
Следователно вещество, което е толкова горещо, не може да бъде нито твърдо, нито течно, нито газообразно. Той е в състояние на плазма, т.е. смес от електрически заредени<осколков>атоми - атомни ядра и електрони.
Плазмата е уникално състояние на материята. Тъй като неговите частици са електрически заредени, те са чувствителни към електрически и магнитни сили. Следователно непосредствената близост на две атомни ядра (те носят положителен заряд) е рядко явление. Само при високи плътности и огромни температури атомните ядра, които се сблъскват едно с друго, могат да се доближат. Тогава протичат термоядрени реакции – източникът на енергия за звездите.
Най-близката до нас звезда, Слънцето, се състои основно от водородна плазма, която се нагрява в недрата на звездата до 10 милиона градуса. При такива условия, макар и рядко, се случват близки срещи на бързи водородни ядра – протони. Понякога протоните, които се приближават, взаимодействат: след като са преодолели електрическото отблъскване, те бързо попадат във властта на гигантски ядрени сили на привличане<падают>една върху друга и се сливат. Тук настъпва мигновено преструктуриране: вместо два протона се появяват деутерон (ядрото на тежък водороден изотоп), позитрон и неутрино. Освободената енергия е 0,46 милиона електронволта (MeV).
Всеки отделен слънчев протон може да влезе в такава реакция средно веднъж на всеки 14 милиарда години. Но има толкова много протони в дълбините на светлината, че тук и там се случва това малко вероятно събитие - и нашата звезда гори с равномерния си, ослепителен пламък.
Синтезът на дейтрони е само първата стъпка от слънчевите термоядрени трансформации. Новороденият дейтрон много скоро (средно след 5,7 секунди) се комбинира с друг протон. Появяват се леко хелиево ядро и гама лъчелектромагнитно излъчване
. Отделя се 5,48 MeV енергия.
И накрая, средно веднъж на милион години две леки хелиеви ядра могат да се сближат и комбинират. Тогава се образува ядро от обикновен хелий (алфа частица) и се отделят два протона. Отделя се 12,85 MeV енергия.<конвейер>Този тристепенен<сгорает>термоядрените реакции не са единствените.<золу>Има друга верига от ядрени трансформации, по-бързи. В него участват (без да се изразходват) атомните ядра на въглерода и азота. Но и в двата варианта алфа частиците се синтезират от водородни ядра. Образно казано, водородната плазма на Слънцето , превръщайки се в!
- хелиева плазма. А по време на синтеза на всеки грам хелиева плазма се отделят 175 хиляди kWh енергия.<худеет>Огромен брой<горючего>Всяка секунда Слънцето излъчва 41033 ерг енергия, губейки 41012 g (4 милиона тона) материя в теглото си. Но общата маса на Слънцето е 2 1027 тона Това означава, че след милион години, благодарение на радиацията, Слънцето
само една десетмилионна от масата си. Тези цифри красноречиво илюстрират ефективността на термоядрените реакции и гигантската калоричност на слънчевата енергия. - водород.Термоядреният синтез очевидно е основният източник на енергия за всички звезди.<зола>При<горючим>различни температури
и плътностите на звездните вътрешности, възникват различни видове реакции. По-специално, слънчева -хелиеви ядра - при 100 милиона градуса то самото става термоядрено. Тогава дори по-тежки атомни ядра - въглерод и дори кислород - могат да бъдат синтезирани от алфа частици.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Според много учени цялата ни Метагалактика като цяло също е плод

термоядрен синтез<горючего>, което се проведе при температура от милиард градуса (виж чл.
<Горючего>Към изкуственото слънце
Извънредна калоричност на термоядрените
накара учените да постигнат изкуствено прилагане на реакциите на ядрен синтез.<горючее>- На нашата планета има много водородни изотопи. Например свръхтежкият водороден тритий може да бъде произведен от металния литий в ядрени реактори. А тежкият водород - деутерият е част от тежката вода, която може да се извлече от обикновена вода.
Този проблем е решен за първи път във водородната бомба. Водородните изотопи там се запалват чрез експлозия атомна бомба, което е придружено от нагряване на веществото до много десетки милиони градуси. В една версия на водородната бомба термоядреното гориво е химическо съединениетежък водород с лек литий - лек литиев деутерид. Този бял прах, подобен на готварска сол,<воспламеняясь>от<спички>, която е атомна бомба, моментално експлодира и създава температура от стотици милиони градуси.
За да започне мирна термоядрена реакция, човек първо трябва да се научи как да нагрява малки дози от достатъчно плътна плазма от водородни изотопи до температури от стотици милиони градуси без помощта на атомна бомба. Този проблем е един от най-трудните в съвременната приложна физика. Учени от цял свят работят върху него от много години.
Вече казахме, че хаотичното движение на частиците създава нагряване на телата, а средната енергия на тяхното произволно движение съответства на температурата. Да нагрееш студено тяло означава да създадеш това разстройство по какъвто и да е начин.
Представете си две групи бегачи, които се втурват една към друга. И така те се сблъскаха, объркаха се, започна сблъсък и объркване.
Голяма бъркотия! По почти същия начин физиците първоначално се опитаха да получат високи температури - чрез сблъсък на газови струивисоко налягане
. Газът се нагрява до 10 хиляди градуса. По едно време това беше рекорд: температурата беше по-висока, отколкото на повърхността на Слънцето.
Но с този метод по-нататъшното, доста бавно, неексплозивно нагряване на газа е невъзможно, тъй като топлинното разстройство моментално се разпространява във всички посоки, затопляйки стените на експерименталната камера и околната среда. Получената топлина бързо напуска системата и е невъзможно да се изолира.
Вярно е, че плазмата не може да бъде защитена от загуба на топлина от съдове, направени дори от най-огнеупорното вещество. При контакт с твърди стени горещата плазма веднага се охлажда. Но можете да опитате да задържите и загреете плазмата, като създадете нейното натрупване във вакуум, така че да не докосва стените на камерата, а да виси в празнота, без да докосва нищо. Тук трябва да се възползваме от факта, че плазмените частици не са неутрални, като газовите атоми, а електрически заредени. Следователно, когато се движат, те са изложени на магнитни сили. Възниква задачата: да се създаде магнитно поле със специална конфигурация, в която горещата плазма да виси като в торба с невидими стени.
Най-простата формаТози тип енергия се създава автоматично, когато силни импулси преминават през плазмата електрически ток. В този случай около плазмения кабел се индуцират магнитни сили, които се стремят да компресират кабела.
Плазмата се отделя от стените на газоразрядната тръба, а по оста на кабела при смачкване на частици температурата се повишава до 2 милиона градуса.
У нас такива експерименти са извършени още през 1950 г. под ръководството на академиците JI. А. Арцимович и М. А. Леонтович.
Друга посока на експерименти е използването на магнитна бутилка, предложена през 1952 г. от съветския физик G.I. Budker, сега академик. Магнитната бутилка е поставена в коркова камера - цилиндрична вакуумна камера, оборудвана с външна намотка, която е кондензирана в краищата на камерата. Токът, протичащ през намотката, създава магнитно поле в камерата. Силовите му линии в средната част са разположени успоредно на образуващите цилиндъра, а в краищата са компресирани и образуват магнитни тапи. Плазмените частици, инжектирани в магнитна бутилка, се навиват около силовите линии и се отразяват от щепселите. В резултат на това плазмата се задържа вътре в бутилката за известно време. Ако енергията на плазмените частици, въведени в бутилката, е достатъчно висока и те са много, те влизат в сложни силови взаимодействия, тяхното първоначално подредено движение се обърква, става неподредено - температурата на водородните ядра се повишава до десетки милиони от степени.<ударами>Допълнителното отопление се постига чрез електромагнитно от плазма, компресия на магнитното поле и т.н. Сега плазмата от тежки водородни ядра се нагрява до стотици милиони градуси. Вярно, това може да стане или чрезкратко време
За да започне самоподдържаща се реакция, температурата и плътността на плазмата трябва да се повишат допълнително. Това е трудно постижимо. Проблемът обаче, както са убедени учените, несъмнено е разрешим.

G.B. Анфилов

Публикуването на снимки и цитирането на статии от нашия уебсайт на други ресурси е разрешено, при условие че е предоставена връзка към източника и снимките.

Всяко физическо тяло, включително всички обекти във Вселената, има минимална температура или нейна граница. Отправната точка на всяка температурна скала се счита за стойността на абсолютната нула температура. Но това е само на теория. Хаотичното движение на атомите и молекулите, които в този момент отдават енергията си, все още не е спряно на практика.

Това е основната причина да не могат да се достигнат абсолютни нулеви температури. Все още се водят дебати за последствията от този процес. От гледна точка на термодинамиката тази граница е недостижима, тъй като топлинното движение на атомите и молекулите спира напълно и се образува кристална решетка.

Представителите на квантовата физика предвиждат наличието на минимални нулеви колебания при абсолютни нулеви температури.

Каква е стойността на абсолютната нулева температура и защо тя не може да бъде постигната

На Генералната конференция по мерки и теглилки, еталон или отправна точка за измервателни уреди, които определят температурни показатели.

Понастоящем в Международната система от единици референтната точка за скалата на Целзий е 0°C за замръзване и 100°C за кипене, стойността на абсолютните нулеви температури е равна на −273,15°C.

Използване на температурни стойности по скалата на Келвин според същото Международна системамерни единици, водата ще кипи при референтна стойност от 99,975°C, абсолютната нула е равна на 0. Фаренхайт по скалата съответства на -459,67 градуса.

Но ако тези данни са получени, защо тогава е невъзможно да се постигнат абсолютни нулеви температури на практика? За сравнение можем да вземем добре познатата скорост на светлината, която е равна на постоянната физическа стойност от 1 079 252 848,8 km/h.

Тази стойност обаче не може да бъде постигната на практика. Зависи от дължината на вълната на предаване, условията и необходимото поглъщане голямо количествоенергийни частици. За да се получи стойността на абсолютните нулеви температури, е необходим голям добив на енергия и липсата на нейни източници, за да се предотврати навлизането й в атомите и молекулите.

Но дори в условията на пълен вакуум учените не успяха да получат нито скоростта на светлината, нито абсолютните нулеви температури.

Защо е възможно да се достигнат приблизително нулеви температури, но не и абсолютна нула?

Какво ще се случи, когато науката може да се доближи до постигането на изключително ниската температура на абсолютната нула, остава само в теорията на термодинамиката и квантовата физика. Каква е причината на практика да не могат да се постигнат абсолютни нулеви температури.

Всички известни опити за охлаждане на вещество до най-ниската граница поради максимална загуба на енергия доведоха до факта, че топлинният капацитет на веществото също достигна минимална стойност. Молекулите просто вече не са в състояние да отдадат останалата енергия. В резултат на това процесът на охлаждане спря, без да достигне абсолютната нула.

При изследване на поведението на металите при условия, близки до абсолютната нула, учените установиха, че максималното понижение на температурата трябва да провокира загуба на устойчивост.

Но спирането на движението на атомите и молекулите води само до образуването на кристална решетка, през която преминаващите електрони предават част от енергията си на неподвижни атоми. Отново не беше възможно да се достигне абсолютната нула.

През 2003 г. температурата беше само половин милиард от 1°C по-ниска от абсолютната нула. Изследователите на НАСА са използвали молекула Na за провеждане на експерименти, която винаги е била в магнитно поле и е отдала своята енергия.

Постижението на учените стана най-близко Йейлския университет, който през 2014 г. постигна цифра от 0,0025 Келвина. Полученото съединение, стронциев монофлуорид (SrF), продължи само 2,5 секунди. И накрая все пак се разпада на атоми.

Граничната температура, при която обемът на идеален газ става равен на нула, се приема за абсолютна нулева температура. Обемът на реалните газове при абсолютна нулева температура обаче не може да изчезне. Тогава има ли смисъл тази температурна граница?

Ограничителната температура, чието съществуване следва от закона на Гей-Лусак, има смисъл, тъй като е практически възможно свойствата на реалния газ да се доближат до свойствата на идеалния. За да направите това, трябва да вземете все по-разреден газ, така че плътността му да клони към нула. Наистина, когато температурата намалява, обемът на такъв газ ще се стреми към границата, близо до нулата.

Нека намерим стойността на абсолютната нула по скалата на Целзий. Изравняване на обема VVформула (3.6.4) нула и като се вземе предвид това

Следователно температурата на абсолютната нула е

* По-точна абсолютна нулева стойност: -273,15 °C.

Скала на Келвин

Келвин Уилям (Томсън У.) (1824-1907) - изключителен английски физик, един от основателите на термодинамиката и молекулярно-кинетичната теория на газовете.

Келвин въвежда абсолютната температурна скала и дава една от формулировките на втория закон на термодинамиката под формата на невъзможността за пълно преобразуване на топлината в работа. Той изчислява размера на молекулите въз основа на измерване на повърхностната енергия на течността. Във връзка с полагането на трансатлантическия телеграфен кабел Келвин развива теорията за електромагнитните трептения и извежда формула за периода на свободните трептения във веригата. За своите научни постижения У. Томсън получава титлата лорд Келвин.

Английският учен У. Келвин въвежда абсолютната температурна скала. Нулевата температура по скалата на Келвин съответства на абсолютната нула, а единицата за температура по тази скала е равна на градус по скалата на Целзий, така че абсолютната температура Тсе свързва с температурата по скалата на Целзий с формулата

(3.7.6)

Фигура 3.11 показва абсолютната скала и скалата на Целзий за сравнение.

По този начин абсолютната температура, съгласно дефиницията, дадена с формула (3.7.6), е производна величина, която зависи от температурата по Целзий и от експериментално определената стойност на a. Въпреки това е от основно значение.

От гледна точка на молекулярно-кинетичната теория абсолютната температура е свързана със средната кинетична енергия на хаотичното движение на атоми или молекули. При Т = O K топлинното движение на молекулите спира. Това ще бъде обсъдено по-подробно в глава 4.

Зависимост на обема от абсолютната температура

Използвайки скалата на Келвин, законът на Гей-Люсак (3.6.4) може да бъде написан в по-проста форма. защото

(3.7.7)

Обемът на газ с дадена маса при постоянно налягане е право пропорционален на абсолютната температура.

От това следва, че съотношението на обемите газ със същата маса в различни състояния при едно и също налягане е равно на съотношението на абсолютните температури:

(3.7.8)

Има минимална възможна температура, при която обемът (и налягането) на идеален газ изчезва. Това е абсолютна нулева температура:-273 °C. Удобно е температурата да се брои от абсолютната нула. Така се изгражда абсолютната температурна скала.

Абсолютни нулеви температури

Абсолютна нулева температура- това е минималната температурна граница, която може да има едно физическо тяло. Абсолютната нула служи като отправна точка за абсолютна температурна скала, като скалата на Келвин. По скалата на Целзий абсолютната нула съответства на температура от −273,15 °C.

Смята се, че абсолютната нула е недостижима на практика. Неговото съществуване и позиция върху температурната скала следва от екстраполация на наблюдаваното физични явления, докато такава екстраполация показва, че при абсолютна нула енергията на топлинното движение на молекулите и атомите на дадено вещество трябва да бъде равна на нула, т.е. хаотичното движение на частиците спира и те образуват подредена структура, заемаща ясна позиция в възли на кристалната решетка. Всъщност обаче, дори при абсолютна нула температура, регулярните движения на частиците, които изграждат материята, ще останат. Останалите трептения, като трептения на нулева точка, се дължат на квантовите свойства на частиците и физическия вакуум, който ги заобикаля.

В момента в физически лабораторииуспя да постигне температура, надвишаваща абсолютната нула само с няколко милионни от градуса; да го постигне сам, според законите на термодинамиката, е невъзможно.

Бележки

Литература

Г. Бурмин. Нападение срещу абсолютната нула. - М .: „Детска литература“, 1983 г.

Вижте също

Фондация Уикимедия.

2010 г.
Абсолютна нулева температура

Абсолютна нулева температура

Вижте какво е „абсолютна нулева температура“ в други речници:Абсолютна нулева температура

- Абсолютната нулева температура е минималната температурна граница, която физическото тяло може да има. Абсолютната нула служи като отправна точка за абсолютна температурна скала, като скалата на Келвин. По скалата на Целзий абсолютната нула съответства на... ... WikipediaАБСОЛЮТНА НУЛА - АБСОЛЮТНА НУЛА, температурата, при която са всички компоненти на систематанай-малко количество енергия, допустима според законите на КВАНТОВАТА МЕХАНИКА; нула по температурната скала на Келвин или 273,15°C (459,67° по Фаренхайт). При тази температура...

Научно-технически енциклопедичен речник

Абсолютна температурна скалаАбсолютна термодинамична температура

- Хаотично топлинно движение в равнината на газови частици като атоми и молекули Има две определения за температура. Единият от молекулярно-кинетична гледна точка, другият от термодинамична гледна точка. Температура (от латински температура правилно ... ... УикипедияАбсолютна термодинамична температура