Lo que se llama cero absoluto. La temperatura cero absoluta es el punto donde se detiene el movimiento molecular.

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Institución Educativa Presupuestaria del Estado Federal de Educación Profesional Superior

"Universidad Pedagógica Estatal de Voronezh"

Departamento de Física General

sobre el tema de: " Cero absoluto temperatura"

Realizado por: Estudiante de 1er año, FMF,

PI, Kondratenko Irina Alexandrovna

Revisado por: asistente del departamento general

físicos Afonin G.V.

Vorónezh-2013

Introducción……………………………………………………. 3

1.Cero absoluto…………………………………………...4

2.Historia…………………………………………………………6

3. Fenómenos observados cerca del cero absoluto………..9

Conclusión…………………………………………………… 11

Lista de literatura usada…………………………..12

Introducción

Durante muchos años, los investigadores han avanzado hacia la temperatura del cero absoluto. Como se sabe, una temperatura igual al cero absoluto caracteriza el estado fundamental de un sistema de muchas partículas, un estado con la energía más baja posible, en el que los átomos y las moléculas realizan las llamadas vibraciones "cero". Por lo tanto, el enfriamiento profundo cerca del cero absoluto (el cero absoluto se considera inalcanzable en la práctica) abre posibilidades ilimitadas para estudiar las propiedades de la materia.

1. Cero absoluto

Temperatura cero absoluta (menos comúnmente, temperatura cero absoluta): el límite mínimo de temperatura que puede ser cuerpo físico En el universo. El cero absoluto sirve como origen de una escala de temperatura absoluta, como la escala Kelvin. En 1954, la X Conferencia General de Pesos y Medidas estableció una escala de temperatura termodinámica con un punto de referencia: el punto triple del agua, cuya temperatura se consideró 273,16 K (exacta), que corresponde a 0,01 °C, de modo que en la escala Celsius la temperatura corresponde al cero absoluto -273,15 °C.

En el marco de la aplicabilidad de la termodinámica, el cero absoluto es inalcanzable en la práctica. Su existencia y posición en la escala de temperatura se deriva de la extrapolación de los fenómenos físicos observados, y dicha extrapolación muestra que en el cero absoluto la energía del movimiento térmico de las moléculas y átomos de una sustancia debe ser igual a cero, es decir, el movimiento caótico de las partículas. se detiene y forman una estructura ordenada, ocupando una posición clara en los nodos de la red cristalina (el helio líquido es una excepción). Sin embargo, desde el punto de vista de la física cuántica, y a temperatura del cero absoluto, existen oscilaciones cero, que son causadas por las propiedades cuánticas de las partículas y el vacío físico que las rodea.

Como la temperatura de un sistema tiende al cero absoluto, su entropía, capacidad calorífica y coeficiente de expansión térmica también tienden a cero, y se detiene el movimiento caótico de las partículas que componen el sistema. En una palabra, la sustancia se convierte en una supersustancia con superconductividad y superfluidez.

La temperatura del cero absoluto es inalcanzable en la práctica, y obtener temperaturas extremadamente cercanas a él representa un problema experimental complejo, pero ya se han obtenido temperaturas que están a sólo millonésimas de grado del cero absoluto. .

Encontremos el valor del cero absoluto en la escala Celsius, equiparando el volumen V a cero y teniendo en cuenta que

Por tanto, la temperatura del cero absoluto es -273°C.

Esta es la temperatura más baja y extrema de la naturaleza, ese "mayor o último grado de frío", cuya existencia predijo Lomonosov.

Figura 1. Escala absoluta y Celsius

La unidad SI de temperatura absoluta se llama kelvin (abreviado K). Por lo tanto, un grado en la escala Celsius es igual a un grado en la escala Kelvin: 1 °C = 1 K.

Por tanto, la temperatura absoluta es una cantidad derivada que depende de la temperatura Celsius y del valor de a determinado experimentalmente. Sin embargo, es de fundamental importancia.

Desde el punto de vista de la teoría cinética molecular, la temperatura absoluta está relacionada con la energía cinética promedio del movimiento caótico de átomos o moléculas. En T = 0 K, el movimiento térmico de las moléculas se detiene.

2. Historia

El concepto físico de “temperatura cero absoluta” es muy importante para la ciencia moderna. importante: estrechamente relacionado con él está el concepto de superconductividad, cuyo descubrimiento causó sensación en la segunda mitad del siglo XX.

Para comprender qué es el cero absoluto, conviene consultar los trabajos de físicos tan famosos como G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac y W. Thomson. ellos fueron los que jugaron papel clave en la creación de las principales escalas de temperatura todavía en uso en la actualidad.

El primero en proponer su escala de temperatura fue el físico alemán G. Fahrenheit en 1714. Al mismo tiempo, la temperatura de la mezcla, que incluía nieve y amoníaco, se tomó como cero absoluto, es decir, como el punto más bajo de esta escala. El siguiente indicador importante fue temperatura normal cuerpo humano, que llegó a ser igual a 1000. En consecuencia, cada división de esta escala se llamó "grado Fahrenheit", y la escala misma se llamó "escala Fahrenheit".

30 años después, el astrónomo sueco A. Celsius propuso su propia escala de temperatura, donde los puntos principales eran la temperatura de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua. Esta escala se llamó “escala Celsius” y todavía es popular en la mayoría de los países del mundo, incluida Rusia.

En 1802, mientras realizaba sus famosos experimentos, el científico francés J. Gay-Lussac descubrió que el volumen de un gas a presión constante depende directamente de la temperatura. Pero lo más curioso fue que cuando la temperatura cambiaba 10 grados centígrados, el volumen de gas aumentaba o disminuía en la misma cantidad. Tras realizar los cálculos necesarios, Gay-Lussac descubrió que este valor equivalía a 1/273 del volumen del gas. Esta ley llevó a la conclusión obvia: una temperatura igual a -273°C es la temperatura más baja, incluso si te acercas a ella, es imposible alcanzarla. Es esta temperatura la que se llama “temperatura cero absoluta”. Además, el cero absoluto se convirtió en el punto de partida para la creación de la escala de temperatura absoluta, en la que participó activamente el físico inglés W. Thomson, también conocido como Lord Kelvin. Su principal investigación se centró en demostrar que ningún cuerpo en la naturaleza puede enfriarse por debajo del cero absoluto. Al mismo tiempo, utilizó activamente la segunda ley de la termodinámica, por lo que la introdujo en 1848. escala absoluta Las temperaturas comenzaron a denominarse termodinámica o “escala Kelvin”. En los años y décadas siguientes, sólo se produjo un refinamiento numérico del concepto de “cero absoluto”.

Figura 2. La relación entre las escalas de temperatura Fahrenheit (F), Celsius (C) y Kelvin (K).

También vale la pena señalar que el cero absoluto juega un papel muy importante en el sistema SI. El caso es que en 1960, en la siguiente Conferencia General de Pesos y Medidas, la unidad de temperatura termodinámica, el kelvin, se convirtió en una de las seis unidades de medida básicas. Al mismo tiempo, se estipuló especialmente que un grado Kelvin

es numéricamente igual a un grado Celsius, pero el punto de referencia “en Kelvin” generalmente se considera el cero absoluto.

El principal significado físico del cero absoluto es que, de acuerdo con las leyes físicas básicas, a tal temperatura la energía del movimiento de partículas elementales, como átomos y moléculas, es cero, y en este caso cualquier movimiento caótico de estas mismas partículas debería cesar. A una temperatura igual al cero absoluto, los átomos y moléculas deben ocupar una posición clara en los puntos principales de la red cristalina, formando un sistema ordenado.

Hoy en día, utilizando equipos especiales, los científicos han podido obtener temperaturas que se encuentran sólo unas pocas partes por millón por encima del cero absoluto. Es físicamente imposible alcanzar este valor por sí solo debido a la segunda ley de la termodinámica.

3. Fenómenos observados cerca del cero absoluto

A temperaturas cercanas al cero absoluto se pueden observar efectos puramente cuánticos a nivel macroscópico, como por ejemplo:

1. La superconductividad es la propiedad de algunos materiales de tener una resistencia eléctrica estrictamente nula cuando alcanzan una temperatura por debajo de cierto valor (temperatura crítica). Se conocen varios cientos de compuestos, elementos puros, aleaciones y cerámicas que se transforman en un estado superconductor.

La superconductividad es un fenómeno cuántico. También se caracteriza por el efecto Meissner, que consiste en el desplazamiento completo campo magnético del volumen del superconductor. La existencia de este efecto muestra que la superconductividad no puede describirse simplemente como conductividad ideal en el sentido clásico. Inauguración en 1986-1993. Varios superconductores de alta temperatura (HTSC) han hecho retroceder considerablemente el límite de temperatura de la superconductividad y han hecho posible utilizar en la práctica materiales superconductores no sólo a la temperatura del helio líquido (4,2 K), sino también al punto de ebullición del líquido. nitrógeno (77 K), un líquido criogénico mucho más barato.

2. Superfluidez: la capacidad de una sustancia en un estado especial (líquido cuántico), que se produce cuando la temperatura desciende al cero absoluto (fase termodinámica), para fluir a través de estrechas rendijas y capilares sin fricción. Hasta hace poco, la superfluidez sólo se conocía para el helio líquido, pero en últimos años La superfluidez también se descubrió en otros sistemas: en los condensados atómicos enrarecidos de Bose y en el helio sólido.

La superfluidez se explica a continuación. Dado que los átomos de helio son bosones, la mecánica cuántica permite que un número arbitrario de partículas estén en el mismo estado. A temperaturas cercanas al cero absoluto, todos los átomos de helio se encuentran en el estado energético fundamental. Dado que la energía de los estados es discreta, un átomo no puede recibir cualquier energía, sino solo una que sea igual a la brecha de energía entre los niveles de energía adyacentes. Pero a bajas temperaturas, la energía de colisión puede ser menor que este valor, por lo que simplemente no se producirá disipación de energía. El líquido fluirá sin fricción.

3. Bose - Condensado de Einstein - estado de agregación una sustancia basada en bosones, enfriada a temperaturas cercanas al cero absoluto (menos de una millonésima de grado por encima del cero absoluto). En un estado tan fuertemente enfriado, un número suficientemente grande de átomos se encuentran en sus estados cuánticos mínimos posibles y los efectos cuánticos comienzan a manifestarse a nivel macroscópico.

Conclusión

El estudio de las propiedades de la materia cercana al cero absoluto es de gran interés para la ciencia y la tecnología.

Muchas propiedades de una sustancia, veladas a temperatura ambiente por fenómenos térmicos (por ejemplo, ruido térmico), comienzan a hacerse cada vez más evidentes a medida que disminuye la temperatura, lo que permite estudiar en su forma pura los patrones y conexiones inherentes a una determinada sustancia. sustancia. La investigación en el campo de las bajas temperaturas ha permitido descubrir muchos fenómenos naturales nuevos, como la superfluidez del helio y la superconductividad de los metales.

A bajas temperaturas, las propiedades de los materiales cambian drásticamente. Algunos metales aumentan su resistencia y se vuelven dúctiles, mientras que otros se vuelven quebradizos, como el vidrio.

El estudio de las propiedades fisicoquímicas a bajas temperaturas permitirá en el futuro crear nuevas sustancias con propiedades predeterminadas. Todo esto es muy valioso para el diseño y creación de naves espaciales, estaciones e instrumentos.

Se sabe que durante los estudios de radar de los cuerpos cósmicos, la señal de radio recibida es muy pequeña y difícil de distinguir de diversos ruidos. Los osciladores y amplificadores moleculares creados recientemente por los científicos funcionan a temperaturas muy bajas y, por tanto, tienen un nivel de ruido muy bajo.

Eléctricas de baja temperatura y propiedades magnéticas Los metales, semiconductores y dieléctricos permiten desarrollar dispositivos de ingeniería radioeléctrica fundamentalmente nuevos de dimensiones microscópicas.

Se utilizan temperaturas ultrabajas para crear el vacío necesario, por ejemplo, para hacer funcionar gigantescos aceleradores de partículas nucleares.

Bibliografía

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

Breve descripción

Cuando el parte meteorológico predice temperaturas cercanas a cero grados, no conviene ir a la pista de patinaje: el hielo se derretirá. La temperatura de fusión del hielo se considera cero grados Celsius, la escala de temperatura más común.
Estamos muy familiarizados con la escala negativa de grados Celsius: grados<ниже нуля>, grados de frío. Mayoría baja temperatura En la Tierra se registró en la Antártida: -88,3°C. Fuera de la Tierra son posibles temperaturas aún más bajas: en la superficie de la Luna, a la medianoche lunar, pueden alcanzar los -160°C.
Pero las temperaturas arbitrariamente bajas no pueden existir en ninguna parte. La temperatura extremadamente baja, el cero absoluto, corresponde a -273,16° en la escala Celsius.
La escala de temperatura absoluta, la escala Kelvin, parte del cero absoluto. El hielo se derrite a 273,16° Kelvin y el agua hierve a 373,16° K. Por lo tanto, el grado K es igual al grado C. Pero en la escala Kelvin, todas las temperaturas son positivas.
¿Por qué 0°K es el límite de frío?
El calor es el movimiento caótico de átomos y moléculas de una sustancia. Cuando una sustancia se enfría, se retira. energía térmica, y al mismo tiempo se debilita el movimiento aleatorio de partículas. Finalmente, con un fuerte enfriamiento, la temperatura<пляска>las partículas se detiene casi por completo. Los átomos y las moléculas se congelarían por completo a una temperatura que se considera cero absoluto. Según los principios mecánica cuántica, en el cero absoluto sería el movimiento térmico de las partículas el que cesaría, pero las partículas mismas no se congelarían, ya que no pueden estar en completo reposo. Por tanto, en el cero absoluto, las partículas aún deben conservar algún tipo de movimiento, lo que se denomina movimiento cero.

Sin embargo, enfriar una sustancia a una temperatura inferior al cero absoluto es una idea tan absurda como, digamos, la intención<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Además, incluso alcanzar el cero absoluto exacto es casi imposible. Sólo puedes acercarte a él. Porque de ninguna manera se puede quitar absolutamente toda la energía térmica de una sustancia. Parte de la energía térmica permanece en el enfriamiento más profundo.
¿Cómo se consiguen temperaturas ultrabajas?
Congelar una sustancia es más difícil que calentarla. Esto se puede ver incluso comparando el diseño de una estufa y un refrigerador.
En la mayoría de los refrigeradores domésticos e industriales, el calor se elimina mediante la evaporación de un líquido especial: el freón, que circula a través de tubos metálicos. El secreto es que el freón puede permanecer en estado líquido sólo a una temperatura suficientemente baja. En el compartimento frigorífico, debido al calor de la cámara, se calienta y hierve, convirtiéndose en vapor. Pero el vapor es comprimido por el compresor, se licua y entra al evaporador, reponiendo la pérdida de freón evaporado. Se consume energía para operar el compresor.
En los dispositivos de enfriamiento profundo, el portador frío es un líquido ultrafrío: el helio líquido. Incoloro, ligero (8 veces más ligero que el agua), hierve bajo presión atmosférica a 4,2°K y en el vacío, a 0,7°K. Una temperatura aún más baja la proporciona el isótopo ligero del helio: 0,3°K.
Instalar un refrigerador de helio permanente es bastante complicado. La investigación se lleva a cabo simplemente en baños con helio líquido. Y para licuar este gas, los físicos utilizan diferentes técnicas. Por ejemplo, el helio preenfriado y comprimido se expande y se libera a través de un orificio delgado hacia una cámara de vacío. Al mismo tiempo, la temperatura disminuye aún más y una parte del gas se convierte en líquido. Es más eficiente no solo expandir el gas enfriado, sino también obligarlo a realizar un trabajo: mover el pistón.
El helio líquido resultante se almacena en termos especiales: matraces Dewar. El coste de este líquido tan frío (el único que no se congela en el cero absoluto) resulta bastante elevado. Sin embargo, hoy en día el helio líquido se utiliza cada vez más, no sólo en la ciencia, sino también en diversos dispositivos técnicos.
Las temperaturas más bajas se alcanzaron de otra manera. Resulta que las moléculas de algunas sales, por ejemplo el alumbre de potasio y cromo, pueden girar a lo largo de líneas de fuerza magnética. Esta sal se enfría previamente con helio líquido a 1°K y se coloca en un fuerte campo magnético. En este caso, las moléculas giran a lo largo de las líneas de fuerza y el helio líquido elimina el calor liberado. Luego, el campo magnético se elimina abruptamente, las moléculas vuelven a girar en diferentes direcciones y el gas consumido

Este trabajo conduce a un mayor enfriamiento de la sal. Así obtuvimos una temperatura de 0,001° K. Utilizando un método similar en principio, utilizando otras sustancias, podemos obtener una temperatura aún más baja.
La temperatura más baja obtenida hasta ahora en la Tierra es de 0,00001° K.

Superfluidez

Una sustancia congelada a temperaturas ultrabajas en baños de helio líquido cambia notablemente. El caucho se vuelve quebradizo, el plomo se vuelve duro como el acero y elástico, muchas aleaciones aumentan la resistencia.

El propio helio líquido se comporta de una manera peculiar. A temperaturas inferiores a 2,2° K, adquiere una propiedad sin precedentes en los líquidos comunes: la superfluidez: una parte pierde completamente su viscosidad y fluye a través de las grietas más estrechas sin fricción.
Este fenómeno fue descubierto en 1937 por el físico académico soviético P. JI. Kapitsa, explicó a continuación el académico JI. D. Landau.
Resulta que a temperaturas ultrabajas las leyes cuánticas del comportamiento de la materia comienzan a tener un efecto notable. Como exige una de estas leyes, la energía puede transferirse de un cuerpo a otro sólo en porciones bien definidas: los cuantos. Hay tan pocos cuantos de calor en el helio líquido que no hay suficientes para todos los átomos. La parte del líquido que carece de cuantos de calor permanece como a temperatura del cero absoluto; sus átomos no participan en absoluto en el movimiento térmico aleatorio y no interactúan de ninguna manera con las paredes del recipiente. Esta parte (se llamó helio-H) tiene superfluidez. A medida que la temperatura disminuye, el helio-P se vuelve cada vez más abundante, y en el cero absoluto todo el helio se convertiría en helio-H.
La superfluidez se ha estudiado ahora con gran detalle e incluso se ha encontrado útil uso práctico: con su ayuda es posible separar isótopos de helio.

Superconductividad

Cerca del cero absoluto se producen cambios extremadamente interesantes con propiedades electricas algunos materiales.
En 1911, el físico holandés Kamerlingh Onnes hizo un descubrimiento inesperado: resultó que a una temperatura de 4,12 ° K, el mercurio desaparece por completo. resistencia eléctrica. Mercurio se convierte en un superconductor. La corriente eléctrica inducida en un anillo superconductor no se extingue y puede fluir casi para siempre.
Sobre dicho anillo, una bola superconductora flotará en el aire y no caerá, como en un cuento de hadas.<гроб Магомета>, porque su gravedad es compensada por la repulsión magnética entre el aro y la bola. Después de todo, una corriente continua en el anillo creará un campo magnético y éste, a su vez, inducirá una corriente eléctrica en la bola y con ella un campo magnético de dirección opuesta.
Además del mercurio, el estaño, el plomo, el zinc y el aluminio tienen una superconductividad cercana al cero absoluto. Esta propiedad se ha encontrado en 23 elementos y más de cien aleaciones diferentes y otros compuestos químicos.
Las temperaturas a las que aparece la superconductividad (temperaturas críticas) cubren un rango bastante amplio: desde 0,35° K (hafnio) hasta 18° K (aleación de niobio y estaño).
El fenómeno de la superconductividad, al igual que la superconductividad.
La fluidez ha sido estudiada en detalle. Las dependencias de las temperaturas críticas en estructura interna materiales y campo magnético externo. Se desarrolló una teoría profunda de la superconductividad (el académico científico soviético N. N. Bogolyubov hizo una contribución importante).
La esencia de este fenómeno paradójico es nuevamente puramente cuántica. A temperaturas ultrabajas, los electrones en

Los superconductores forman un sistema de partículas unidas por pares que no pueden dar energía a la red cristalina ni desperdiciar cuantos de energía al calentarla. Los pares de electrones se mueven como si<танцуя>, entre<прутьями решетки>- iones y evitarlos sin colisiones ni transferencia de energía.
La superconductividad se utiliza cada vez más en la tecnología.
Por ejemplo, en la práctica se utilizan solenoides superconductores: bobinas de superconductor sumergidas en helio líquido. Una vez inducida la corriente y, en consecuencia, el campo magnético, se puede almacenar en ellos durante el tiempo que se desee. Puede alcanzar un tamaño gigantesco: más de 100.000 personas. En el futuro, sin duda aparecerán potentes dispositivos superconductores industriales: motores eléctricos, electroimanes, etc.
En la radioelectrónica, los amplificadores y generadores ultrasensibles están empezando a desempeñar un papel importante. ondas electromagnéticas, que funcionan especialmente bien en baños con helio líquido: allí el interior<шумы>equipo. En la tecnología de computación electrónica, se promete un futuro brillante para los interruptores superconductores de baja potencia: los criotrones (ver art.<Пути электроники>).
No es difícil imaginar lo tentador que sería llevar el funcionamiento de tales dispositivos a la región de temperaturas más altas y accesibles. EN Últimamente Se abre la esperanza de crear superconductores de películas poliméricas. La naturaleza peculiar de la conductividad eléctrica en tales materiales promete una brillante oportunidad para mantener la superconductividad incluso a temperatura ambiente. Los científicos buscan persistentemente formas de hacer realidad esta esperanza.

En las profundidades de las estrellas

Y ahora echemos un vistazo al reino de lo más caliente del mundo: las profundidades de las estrellas. Donde las temperaturas alcanzan millones de grados.
El movimiento térmico aleatorio en las estrellas es tan intenso que allí no pueden existir átomos enteros: son destruidos en innumerables colisiones.
Por tanto, una sustancia tan caliente no puede ser ni sólida, ni líquida, ni gaseosa. Se encuentra en estado de plasma, es decir, una mezcla de sustancias cargadas eléctricamente.<осколков>Átomos: núcleos atómicos y electrones.
El plasma es un estado único de la materia. Como sus partículas están cargadas eléctricamente, son sensibles a las fuerzas eléctricas y magnéticas. Por tanto, la proximidad de dos núcleos atómicos (llevan una carga positiva) es un fenómeno raro. Sólo a altas densidades y temperaturas enormes los núcleos atómicos que chocan entre sí pueden acercarse. Entonces tienen lugar reacciones termonucleares, la fuente de energía de las estrellas.
La estrella más cercana a nosotros, el Sol, se compone principalmente de plasma de hidrógeno, que se calienta en las entrañas de la estrella a 10 millones de grados. En tales condiciones, aunque son raros, se producen encuentros cercanos entre núcleos rápidos de hidrógeno y protones. A veces, los protones que se acercan interactúan: una vez superada la repulsión eléctrica, caen en el poder de gigantescas fuerzas nucleares de atracción, que rápidamente<падают>uno encima del otro y fusionarse. Aquí se produce una reestructuración instantánea: en lugar de dos protones, aparecen un deuterón (el núcleo de un isótopo de hidrógeno pesado), un positrón y un neutrino. La energía liberada es de 0,46 millones de electronvoltios (MeV).
Cada protón solar individual puede participar en una reacción de este tipo en promedio una vez cada 14 mil millones de años. Pero hay tantos protones en las entrañas de la luz que aquí y allá se produce este evento improbable y nuestra estrella arde con su llama uniforme y deslumbrante.
La síntesis de deuterones es sólo el primer paso de las transformaciones termonucleares solares. El deuterón recién nacido muy pronto (en promedio después de 5,7 segundos) se combina con otro protón. Aparecen un núcleo ligero de helio y un rayo gamma. radiación electromagnética. Se liberan 5,48 MeV de energía.
Finalmente, en promedio, una vez cada millón de años, dos núcleos ligeros de helio pueden converger y combinarse. Luego se forma un núcleo de helio ordinario (partícula alfa) y se escinden dos protones. Se liberan 12,85 MeV de energía.
Esta tres etapas<конвейер>Las reacciones termonucleares no son las únicas. Hay otra cadena de transformaciones nucleares, más rápidas. En él participan (sin consumirse) los núcleos atómicos de carbono y nitrógeno. Pero en ambas opciones, las partículas alfa se sintetizan a partir de núcleos de hidrógeno. En sentido figurado, el plasma de hidrógeno del Sol.<сгорает>, conviertiéndose en<золу>- plasma de helio. Y durante la síntesis de cada gramo de plasma de helio se liberan 175 mil kWh de energía. Gran cantidad!
Cada segundo el Sol emite 4.1033 ergios de energía, perdiendo 4.1012 g (4 millones de toneladas) de materia en peso. Pero la masa total del Sol es de 2.1027 toneladas, lo que significa que en un millón de años, gracias a la radiación, el Sol<худеет>sólo una diezmillonésima parte de su masa. Estas cifras ilustran elocuentemente la eficacia de las reacciones termonucleares y el gigantesco poder calorífico de la energía solar.<горючего>- hidrógeno.
La fusión termonuclear es aparentemente la principal fuente de energía de todas las estrellas. En diferentes temperaturas y las densidades de los interiores estelares, se producen diferentes tipos de reacciones. En particular, solares<зола>-núcleos de helio - a 100 millones de grados se vuelve termonuclear<горючим>. Entonces se pueden sintetizar núcleos atómicos aún más pesados (carbono e incluso oxígeno) a partir de partículas alfa.
Según muchos científicos, toda nuestra Metagalaxia en su conjunto es también un fruto. fusión termonuclear, que tuvo lugar a una temperatura de mil millones de grados (ver art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Hacia el sol artificial

Extraordinario poder calorífico de la termonuclear.<горючего>impulsó a los científicos a lograr la implementación artificial de reacciones de fusión nuclear.
<Горючего>- Hay muchos isótopos de hidrógeno en nuestro planeta. Por ejemplo, el tritio hidrógeno superpesado se puede producir a partir del metal litio en reactores nucleares. Y el hidrógeno pesado: el deuterio es parte del agua pesada, que se puede extraer del agua corriente.
El hidrógeno pesado extraído de dos vasos de agua ordinaria produciría tanta energía en un reactor termonuclear como la que ahora se produce al quemar un barril de gasolina premium.
La dificultad es precalentar.<горючее>a temperaturas a las que puede encenderse con un potente fuego termonuclear.
Este problema se resolvió por primera vez con la bomba de hidrógeno. Los isótopos de hidrógeno se encienden por explosión bomba atómica, que va acompañado de un calentamiento de la sustancia a muchas decenas de millones de grados. En una versión de la bomba de hidrógeno, el combustible termonuclear es compuesto químico hidrógeno pesado con litio ligero - deuteruro de litio ligero. Este polvo blanco, similar a la sal de mesa,<воспламеняясь>de<спички>, que es una bomba atómica, explota instantáneamente y crea una temperatura de cientos de millones de grados.
Para iniciar una reacción termonuclear pacífica, primero hay que aprender a calentar pequeñas dosis de un plasma suficientemente denso de isótopos de hidrógeno a temperaturas de cientos de millones de grados sin los servicios de una bomba atómica. Este problema es uno de los más difíciles de la física aplicada moderna. Científicos de todo el mundo llevan muchos años trabajando en ello.
Ya hemos dicho que es el movimiento caótico de las partículas lo que crea el calentamiento de los cuerpos, y la energía media de su movimiento aleatorio corresponde a la temperatura. Calentar un cuerpo frío significa crear este desorden de cualquier forma.
Imagínese dos grupos de corredores corriendo uno hacia el otro. Entonces chocaron, se mezclaron, se enamoraron y comenzó la confusión. ¡Gran desastre!
De la misma manera, los físicos intentaron inicialmente obtener altas temperaturas: colisionando chorros de gas alta presión. El gas se calentó hasta 10 mil grados. Hubo un tiempo en que esto fue un récord: la temperatura era más alta que en la superficie del Sol.
Pero con este método es imposible un calentamiento posterior del gas, bastante lento y no explosivo, ya que el desorden térmico se propaga instantáneamente en todas direcciones, calentando las paredes de la cámara experimental y el medio ambiente. El calor resultante abandona rápidamente el sistema y es imposible aislarlo.
Si los chorros de gas se sustituyen por flujos de plasma, el problema del aislamiento térmico sigue siendo muy difícil, pero también hay esperanzas de solucionarlo.
Es cierto que el plasma no puede protegerse de la pérdida de calor mediante recipientes fabricados ni siquiera con la sustancia más refractaria. En contacto con paredes sólidas, el plasma caliente se enfría inmediatamente. Pero puedes intentar mantener y calentar el plasma creando su acumulación en el vacío para que no toque las paredes de la cámara, sino que cuelgue en el vacío, sin tocar nada. Aquí deberíamos aprovechar el hecho de que las partículas de plasma no son neutras, como los átomos de un gas, sino que están cargadas eléctricamente. Por tanto, cuando se mueven, están expuestos a fuerzas magnéticas. La tarea que se plantea es crear un campo magnético de configuración especial en el que el plasma caliente cuelgue como si estuviera dentro de una bolsa con paredes invisibles.
La forma más simple Este tipo de energía se crea automáticamente cuando pasan fuertes pulsos a través del plasma. corriente eléctrica. En este caso, se inducen fuerzas magnéticas alrededor del cordón de plasma, que tienden a comprimir el cordón. El plasma se separa de las paredes del tubo de descarga y, en el eje del cordón, durante la trituración de partículas, la temperatura aumenta a 2 millones de grados.
En nuestro país, tales experimentos se llevaron a cabo en 1950 bajo la dirección de los académicos JI. A. Artsimovich y M. A. Leontovich.
Otra dirección de los experimentos es el uso de una botella magnética, propuesta en 1952 por el físico soviético G.I. Budker, ahora académico. La botella magnética se coloca en una cámara de corcho, una cámara de vacío cilíndrica equipada con un devanado externo, que se condensa en los extremos de la cámara. La corriente que fluye a través del devanado crea un campo magnético en la cámara. Sus líneas de campo en la parte media son paralelas a las generatrices del cilindro, y en los extremos se comprimen y forman tapones magnéticos. Las partículas de plasma inyectadas en una botella magnética se enrollan alrededor de las líneas de campo y se reflejan en los tapones. Como resultado, el plasma queda retenido dentro de la botella durante algún tiempo. Si la energía de las partículas de plasma introducidas en la botella es lo suficientemente alta y hay suficientes, entran en complejas interacciones de fuerza, su movimiento inicialmente ordenado se confunde, se desordena: la temperatura de los núcleos de hidrógeno aumenta a decenas de millones de grados.
El calentamiento adicional se logra mediante electromagnética.<ударами>por plasma, compresión del campo magnético, etc. Ahora el plasma de núcleos de hidrógeno pesados se calienta a cientos de millones de grados. Es cierto que esto se puede hacer mediante un tiempo corto, o con baja densidad plasmática.
Para iniciar una reacción autosostenida, es necesario aumentar aún más la temperatura y la densidad del plasma. Esto es difícil de lograr. Sin embargo, el problema, como están convencidos los científicos, sin duda tiene solución.

GB Anfílov

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Cualquier cuerpo físico, incluidos todos los objetos del Universo, tiene una temperatura mínima o su límite. Se considera que el punto de partida de cualquier escala de temperatura es el valor del cero absoluto de temperatura. Pero esto es sólo en teoría. El movimiento caótico de átomos y moléculas, que en este momento ceden su energía, aún no se ha detenido en la práctica.

Esta es la razón principal por la que no se pueden alcanzar temperaturas del cero absoluto. Todavía hay debates sobre las consecuencias de este proceso. Desde el punto de vista de la termodinámica, este límite es inalcanzable, ya que el movimiento térmico de átomos y moléculas se detiene por completo y se forma una red cristalina.

Los representantes de la física cuántica prevén la presencia de oscilaciones mínimas de cero a temperaturas del cero absoluto.

¿Cuál es el valor de la temperatura del cero absoluto y por qué no se puede alcanzar?

En la Conferencia General de Pesas y Medidas se estableció por primera vez un punto de referencia o referencia para los instrumentos de medida que determinan los indicadores de temperatura.

Actualmente, en el Sistema Internacional de Unidades, el punto de referencia de la escala Celsius es 0°C para la congelación y 100°C para la ebullición, el valor del cero absoluto es igual a −273,15°C.

Utilizando valores de temperatura en la escala Kelvin según el mismo Sistema internacional En unidades de medida, el agua hirviendo se producirá a un valor de referencia de 99,975°C, el cero absoluto es igual a 0. Fahrenheit en la escala corresponde a -459,67 grados.

Pero, si se obtienen estos datos, ¿por qué es imposible alcanzar temperaturas del cero absoluto en la práctica? A modo de comparación, podemos tomar la conocida velocidad de la luz, que es igual al valor físico constante de 1.079.252.848,8 km/h.

Sin embargo, este valor no se puede alcanzar en la práctica. Depende de la longitud de onda de transmisión, las condiciones y la absorción requerida. gran cantidad partículas de energía. Para obtener el valor de las temperaturas del cero absoluto se requiere una gran producción de energía y la ausencia de fuentes que impidan que entre en átomos y moléculas.

Pero incluso en condiciones de vacío total, los científicos no pudieron obtener ni la velocidad de la luz ni la temperatura del cero absoluto.

¿Por qué es posible alcanzar temperaturas aproximadamente cero, pero no el cero absoluto?

Lo que sucederá cuando la ciencia pueda acercarse a alcanzar la temperatura extremadamente baja del cero absoluto queda sólo en la teoría de la termodinámica y la física cuántica. ¿Cuál es la razón por la que en la práctica no se pueden alcanzar temperaturas del cero absoluto?

Todos los intentos conocidos de enfriar una sustancia hasta el límite más bajo mediante la máxima pérdida de energía llevaron al hecho de que la capacidad calorífica de la sustancia también alcanzó un valor mínimo. Las moléculas simplemente ya no podían ceder la energía restante. Como resultado, el proceso de enfriamiento se detuvo sin llegar al cero absoluto.

Al estudiar el comportamiento de los metales en condiciones cercanas al cero absoluto, los científicos descubrieron que una disminución máxima de la temperatura debería provocar una pérdida de resistencia.

Pero el cese del movimiento de átomos y moléculas solo condujo a la formación de una red cristalina, a través de la cual los electrones que pasaban transfirieron parte de su energía a los átomos estacionarios. Una vez más, no fue posible alcanzar el cero absoluto.

En 2003, la temperatura estaba a sólo 500 milésimas de 1°C del cero absoluto. Los investigadores de la NASA utilizaron para realizar experimentos una molécula de Na, que siempre estaba en un campo magnético y cedía su energía.

El logro de los científicos se ha convertido en el más cercano. Universidad de Yale, que en 2014 alcanzó una cifra de 0,0025 Kelvin. El compuesto resultante, monofluoruro de estroncio (SrF), duró sólo 2,5 segundos. Y al final aun así se desintegró en átomos.

La temperatura límite a la que el volumen de un gas ideal se vuelve igual a cero se considera temperatura del cero absoluto. Sin embargo, el volumen de gases reales a temperatura del cero absoluto no puede desaparecer. ¿Tiene sentido entonces este límite de temperatura?

La temperatura límite, cuya existencia se deriva de la ley de Gay-Lussac, tiene sentido, ya que es prácticamente posible acercar las propiedades de un gas real a las propiedades de uno ideal. Para hacer esto, es necesario tomar un gas cada vez más enrarecido, de modo que su densidad tienda a cero. De hecho, a medida que disminuye la temperatura, el volumen de dicho gas tenderá al límite, cercano a cero.

Encontremos el valor del cero absoluto en la escala Celsius. Igualar el volumen VV fórmula (3.6.4) cero y teniendo en cuenta que

Por tanto, la temperatura del cero absoluto es

* Valor cero absoluto más preciso: -273,15 °C.

Esta es la temperatura más baja y extrema de la naturaleza, ese "mayor o último grado de frío", cuya existencia predijo Lomonosov.

escala kelvin

Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907): destacado físico inglés, uno de los fundadores de la termodinámica y la teoría cinética molecular de los gases.

Kelvin introdujo la escala de temperatura absoluta y dio una de las formulaciones de la segunda ley de la termodinámica en forma de la imposibilidad de convertir completamente el calor en trabajo. Calculó el tamaño de las moléculas midiendo la energía superficial del líquido. En relación con el tendido del cable telegráfico transatlántico, Kelvin desarrolló la teoría de las oscilaciones electromagnéticas y dedujo una fórmula para el período de oscilaciones libres en un circuito. Por sus logros científicos, W. Thomson recibió el título de Lord Kelvin.

El científico inglés W. Kelvin introdujo la escala de temperatura absoluta. La temperatura cero en la escala Kelvin corresponde al cero absoluto y la unidad de temperatura en esta escala es igual a un grado en la escala Celsius, por lo que la temperatura absoluta t está relacionado con la temperatura en la escala Celsius mediante la fórmula

(3.7.6)

La Figura 3.11 muestra la escala absoluta y la escala Celsius para comparar.

La unidad SI de temperatura absoluta se llama kelvin (abreviado K). Por lo tanto, un grado en la escala Celsius es igual a un grado en la escala Kelvin: 1 °C = 1 K.

Por tanto, la temperatura absoluta, según la definición dada por la fórmula (3.7.6), es una cantidad derivada que depende de la temperatura Celsius y del valor de a determinado experimentalmente. Sin embargo, es de fundamental importancia.

Desde el punto de vista de la teoría cinética molecular, la temperatura absoluta está relacionada con la energía cinética promedio del movimiento caótico de átomos o moléculas. En t= Ok, el movimiento térmico de las moléculas se detiene. Esto se discutirá con más detalle en el Capítulo 4.

Dependencia del volumen de la temperatura absoluta.

Utilizando la escala Kelvin, la ley de Gay-Lussac (3.6.4) se puede escribir de una forma más sencilla. Porque

(3.7.7)

El volumen de un gas de una masa determinada a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta.

De ello se deduce que la relación de volúmenes de gas de la misma masa en diferentes estados a la misma presión es igual a la relación de temperaturas absolutas:

(3.7.8)

Existe una temperatura mínima posible a la que el volumen (y la presión) de un gas ideal desaparecen. Esta es la temperatura del cero absoluto:-273°C. Es conveniente contar la temperatura desde el cero absoluto. Así se construye la escala de temperatura absoluta.

Temperaturas cero absoluto

Temperatura cero absoluta- este es el límite mínimo de temperatura que puede tener un cuerpo físico. El cero absoluto sirve como origen de una escala de temperatura absoluta, como la escala Kelvin. En la escala Celsius, el cero absoluto corresponde a una temperatura de -273,15 °C.

Se cree que el cero absoluto es inalcanzable en la práctica. Su existencia y posición en la escala de temperatura se deriva de la extrapolación de las temperaturas observadas. fenomeno fisico, mientras que tal extrapolación muestra que en el cero absoluto la energía del movimiento térmico de las moléculas y átomos de una sustancia debe ser igual a cero, es decir, el movimiento caótico de las partículas se detiene y forman una estructura ordenada, ocupando una posición clara en el Nodos de la red cristalina. Sin embargo, de hecho, incluso a una temperatura del cero absoluto, los movimientos regulares de las partículas que componen la materia permanecerán. El resto de oscilaciones, como las oscilaciones del punto cero, se deben a las propiedades cuánticas de las partículas y al vacío físico que las rodea.

Actualmente en laboratorios fisicos logró obtener una temperatura superior al cero absoluto en sólo unas millonésimas de grado; lograrlo por sí solo, según las leyes de la termodinámica, es imposible.

Notas

Literatura

G. Burmin. Asalto al cero absoluto. - M.: “Literatura infantil”, 1983.

ver también

Fundación Wikimedia. 2010.

Temperatura cero absoluta
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Escala de temperatura absoluta

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