To, čo sa nazýva absolútna nula. Teplota absolútnej nuly

- 48,67 kb

Federálna štátna rozpočtová vzdelávacia inštitúcia vyššieho odborného vzdelávania

Voronežská štátna pedagogická univerzita

Katedra všeobecnej fyziky

k téme: " Absolútna nula teplota"

Ukončené: študent 1. ročníka, FMF,

PI, Kondratenko Irina Aleksandrovna

Kontroluje: asistentka katedry hl

Fyzici G. V. Afonin

Voronež-2013

Úvod …………………………………………………………. 3

1. Absolútna nula ……………………………………… ... 4

2.História ………………………………………………………… 6

3. Pozorované javy blízke absolútnej nule ……… ..9

Záver ………………………………………………… 11

Zoznam použitej literatúry ………………………… ..12

Úvod

Vedci sa dlhé roky približovali k absolútnej nule. Ako viete, teplota rovnajúca sa absolútnej nule charakterizuje základný stav systému mnohých častíc – stav s najnižšou možnou energiou, pri ktorom atómy a molekuly vykonávajú takzvané „nulové“ vibrácie. Hlboké ochladzovanie, blízke absolútnej nule (predpokladá sa, že samotná absolútna nula je v praxi nedosiahnuteľná), teda otvára neobmedzené možnosti pre štúdium vlastností hmoty.

1. Absolútna nula

Teplota absolútnej nuly (menej často - teplota absolútnej nuly) - minimálny teplotný limit, ktorý môže byť fyzické telo vo Vesmíre. Absolútna nula je pôvodom absolútnej teplotnej stupnice, ako je Kelvinova stupnica. V roku 1954 X. generálna konferencia pre váhy a miery stanovila termodynamickú teplotnú stupnicu s jedným referenčným bodom - trojitým bodom vody, ktorej teplota sa odoberá 273,16 K (presne), čo zodpovedá 0,01 °C, takže na Celzia, teplota zodpovedá absolútnej nule −273,15 °C.

V rámci aplikovateľnosti termodynamiky je absolútna nula v praxi nedosiahnuteľná. Jeho existencia a poloha na teplotnej škále vyplýva z extrapolácie pozorovaných fyzikálnych javov, pričom takáto extrapolácia ukazuje, že pri absolútnej nule by sa energia tepelného pohybu molekúl a atómov látky mala rovnať nule, teda chaotickému pohyb častíc sa zastaví a vytvoria usporiadanú štruktúru, ktorá zaujme jasné miesto v uzloch kryštálovej mriežky (výnimkou je tekuté hélium). Z pohľadu kvantovej fyziky a pri absolútnej nulovej teplote však existujú oscilácie nulového bodu, ktoré sú spôsobené kvantovými vlastnosťami častíc a fyzikálnym vákuom, ktoré ich obklopuje.

Keď sa teplota systému blíži k absolútnej nule, jeho entropia, tepelná kapacita, koeficient tepelnej rozťažnosti majú tiež tendenciu k nule a chaotický pohyb častíc, ktoré tvoria systém, sa zastaví. Jedným slovom, hmota sa stáva superhmotou so supravodivosťou a supratekutou.

V praxi je teplota absolútnej nuly nedosiahnuteľná a získanie teplôt, ktoré sú jej extrémne blízke, je náročný experimentálny problém, ale už boli dosiahnuté teploty, ktoré sú od absolútnej nuly vzdialené len milióntiny stupňa. ...

Nájdite hodnotu absolútnej nuly na stupnici Celzia, prirovnajte objem V k nule a zohľadnite to

Preto je teplota absolútnej nuly -273 ° C.

Toto je extrém, najnižšia teplota v prírode, ten „najvyšší alebo posledný stupeň chladu“, ktorého existenciu Lomonosov predpovedal.

Obr. Absolútna stupnica a stupnica Celzia

Jednotka SI absolútnej teploty sa nazýva kelvin (skrátene K). Preto sa jeden stupeň na stupnici Celzia rovná jednému stupňu na Kelvinovej stupnici: 1 ° C = 1 K.

Absolútna teplota je teda odvodená veličina, ktorá závisí od Celziovej teploty a od experimentálne stanovenej hodnoty a. Má však zásadný význam.

Z hľadiska molekulárnej kinetickej teórie absolútna teplota súvisí s priemernou kinetickou energiou chaotického pohybu atómov alebo molekúl. Pri T = O K sa tepelný pohyb molekúl zastaví.

2. História

Fyzikálny pojem „teplota absolútnej nuly“ má veľmi nevyhnutné: s ňou úzko súvisí pojem ako supravodivosť, ktorej objavenie vyvolalo rozruch v druhej polovici 20. storočia.

Aby sme pochopili, čo je absolútna nula, mali by sme sa obrátiť na diela takých slávnych fyzikov ako G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac a W. Thomson. To oni hrali kľúčová úloha pri tvorbe doteraz používaných hlavných teplotných škál.

Prvý, kto v roku 1714 ponúkol svoju teplotnú stupnicu, bol nemecký fyzik G. Fahrenheit. Zároveň bola teplota zmesi, ktorá obsahovala sneh a čpavok, braná ako absolútna nula, teda pre najnižší bod tejto stupnice. Ďalším dôležitým ukazovateľom bol normálna teplotaľudské telo, ktoré sa začalo rovnať 1000. V súlade s tým sa každé rozdelenie tejto stupnice nazývalo "stupne Fahrenheita" a samotná stupnica - "stupnica Fahrenheita".

O tridsať rokov neskôr švédsky astronóm A. Celsius navrhol vlastnú teplotnú stupnicu, kde hlavnými bodmi boli bod topenia ľadu a bod varu vody. Táto stupnica sa nazývala "stupnica Celzia", stále je populárna vo väčšine krajín sveta vrátane Ruska.

V roku 1802 francúzsky vedec J. Gay-Lussac pri svojich slávnych experimentoch zistil, že objem hmoty plynu pri konštantnom tlaku je priamo úmerný teplote. Najkurióznejšie však bolo, že pri zmene teploty o 10 stupňov Celzia sa objem plynu zväčšil alebo zmenšil o rovnakú hodnotu. Po vykonaní potrebných výpočtov Gay-Lussac zistil, že táto hodnota sa rovná 1/273 objemu plynu. Z tohto zákona vyplýva nasledujúci záver: teplota rovnajúca sa -273 ° С je najnižšia teplota, aj keď sa k nej priblížite, nie je možné ju dosiahnuť. Práve táto teplota dostala názov „teplota absolútnej nuly“. Absolútna nula sa navyše stala východiskom pre vytvorenie absolútnej teplotnej stupnice, na ktorej sa aktívne podieľal anglický fyzik W. Thomson, známy aj ako Lord Kelvin. Jeho hlavný výskum sa týkal dôkazu, že žiadne teleso v prírode nemôže byť ochladené pod absolútnu nulu. Zároveň aktívne využíval druhý termodynamický zákon, ktorý zaviedol v roku 1848 absolútna mierka teploty sa začali nazývať termodynamická alebo „Kelvinova stupnica". V nasledujúcich rokoch a desaťročiach došlo len k číselnému spresneniu pojmu „absolútna nula".

Obr. Vzťah medzi teplotnými stupnicami Fahrenheita (F), Celzia (C) a Kelvina (K).

Za zmienku tiež stojí, že absolútna nula hrá v sústave SI veľmi dôležitú úlohu. Ide o to, že v roku 1960 sa na nasledujúcej Generálnej konferencii pre váhy a miery jednotka termodynamickej teploty - kelvin - stala jednou zo šiestich základných jednotiek merania. Zároveň bolo špeciálne stanovené, že jeden stupeň Kelvina

číselne sa rovná jednému stupňu Celzia, okrem toho, že referenčný bod „podľa Kelvina“ sa považuje za absolútnu nulu.

Hlavným fyzikálnym významom absolútnej nuly je, že podľa základných fyzikálnych zákonov je pri takejto teplote energia pohybu elementárnych častíc, ako sú atómy a molekuly, nulová a v tomto prípade by mal akýkoľvek chaotický pohyb práve týchto častíc zastaviť. Pri teplote rovnajúcej sa absolútnej nule by atómy a molekuly mali zaujať jasnú polohu v hlavných bodoch kryštálovej mriežky a vytvoriť tak usporiadaný systém.

V súčasnosti sa vedcom pomocou špeciálneho vybavenia podarilo získať teploty, ktoré sú len o niekoľko častíc na milión vyššie ako absolútna nula. Je fyzikálne nemožné dosiahnuť túto hodnotu samotnú kvôli druhému termodynamickému zákonu.

3 Pozorované javy blízko absolútnej nuly

Pri teplotách blízkych absolútnej nule možno na makroskopickej úrovni pozorovať čisto kvantové efekty, ako napríklad:

1. Supravodivosť – vlastnosť niektorých materiálov mať striktne nulový elektrický odpor, keď dosiahnu teplotu pod určitú hodnotu (kritická teplota). Je známych niekoľko stoviek zlúčenín, čistých prvkov, zliatin a keramiky, ktoré prechádzajú do supravodivého stavu.

Supravodivosť je kvantový jav. Vyznačuje sa tiež Meissnerovým efektom, ktorý spočíva v úplnom vytesnení magnetické pole z veľkej časti supravodiča. Existencia tohto efektu ukazuje, že supravodivosť nemožno opísať jednoducho ako ideálnu vodivosť v klasickom zmysle. Otvorené v rokoch 1986-1993 Množstvo vysokoteplotných supravodičov (HTSC) posunulo teplotnú hranicu supravodivosti ďaleko a umožnilo prakticky využiť supravodivé materiály nielen pri teplote tekutého hélia (4,2 K), ale aj pri teplote varu tekutého dusíka ( 77 K), oveľa lacnejšia kryogénna kvapalina.

2. Supratekutosť - schopnosť látky v špeciálnom stave (kvantová kvapalina), ktorá nastáva pri poklese teploty na absolútnu nulu (termodynamická fáza), pretekať úzkymi štrbinami a kapilárami bez trenia. Donedávna bola supratekutosť známa len pre tekuté hélium, ale v posledné roky supratekutosť sa našla aj v iných systémoch: v riedených atómových Boseových kondenzátoch, pevnom héliu.

Supratekutosť je vysvetlená nasledovne. Keďže atómy hélia sú bozóny, kvantová mechanika umožňuje, aby bol ľubovoľný počet častíc v jednom stave. V blízkosti absolútnej nuly sú všetky atómy hélia v stave základnej energie. Pretože energia stavov je diskrétna, atóm nemôže prijať žiadnu energiu, ale iba energiu, ktorá sa rovná energetickej medzere medzi susednými energetickými úrovňami. Ale pri nízkych teplotách môže byť energia kolízie nižšia ako táto hodnota, v dôsledku čoho k rozptýleniu energie jednoducho nedôjde. Kvapalina bude prúdiť bez trenia.

3. Bose - Einsteinov kondenzát - stav agregácie látka na báze bozónov ochladená na teploty blízke absolútnej nule (menej ako milióntinu stupňa nad absolútnou nulou). V takomto silne ochladenom stave sa dostatočne veľký počet atómov ocitne vo svojich minimálnych možných kvantových stavoch a kvantové efekty sa začnú prejavovať na makroskopickej úrovni.

Záver

Štúdium vlastností hmoty blízkej absolútnej nule je veľmi zaujímavé pre vedu a techniku.

Mnohé vlastnosti látky, zahalené pri izbovej teplote tepelnými javmi (napríklad tepelný šum), sa s klesajúcou teplotou začínajú prejavovať čoraz viac, čo umožňuje v čistej forme študovať zákonitosti a vzťahy, ktoré sú danej látke vlastné. . Výskum v oblasti nízkych teplôt umožnil objaviť mnohé nové prírodné javy, akými sú napríklad supratekutosť hélia či supravodivosť kovov.

Pri nízkych teplotách sa vlastnosti materiálov dramaticky menia. Niektoré kovy zvyšujú svoju pevnosť, stávajú sa tvárnymi, zatiaľ čo iné sa stávajú krehkými, napríklad sklo.

Štúdium fyzikálno-chemických vlastností pri nízkych teplotách umožní v budúcnosti vytvárať nové látky s vopred určenými vlastnosťami. To všetko je veľmi cenné pre dizajn a tvorbu vesmírnych lodí, staníc a prístrojov.

Je známe, že pri radarových štúdiách vesmírnych telies je prijímaný rádiový signál veľmi malý a je ťažké ho oddeliť od rôznych ruchov. Nedávno vyvinuté molekulárne generátory a zosilňovače pracujú pri veľmi nízkych teplotách, a preto majú veľmi nízku hladinu hluku.

Nízkoteplotné elektrické a magnetické vlastnosti kovy, polovodiče a dielektrika umožňujú vývoj zásadne nových rádiotechnických zariadení mikroskopických rozmerov.

Ultranízke teploty sa používajú na vytvorenie vákua potrebného napríklad na prevádzku obrovských urýchľovačov jadrových častíc.

Bibliografia

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

Stručný opis

Keď meteorologická správa predpovedá teplotu okolo nuly, nemali by ste ísť na klzisko: ľad sa roztopí. Teplota topenia ľadu sa berie ako nula stupňov Celzia - najbežnejšia teplotná stupnica.
Veľmi dobre poznáme negatívne stupne Celziovej stupnice – stupne<ниже нуля>, stupne chladu. Väčšina nízka teplota na Zemi bola zaznamenaná v Antarktíde: -88,3 ° C. Mimo Zeme sú možné ešte nižšie teploty: na povrchu Mesiaca o lunárnej polnoci môže byť až -160 °C.
Ale nikde nemôžu byť svojvoľne nízke teploty. Extrémne nízka teplota - absolútna nula - na stupnici Celzia zodpovedá - 273,16 °.
Absolútna teplotná stupnica, Kelvinova stupnica, pochádza z absolútnej nuly. Ľad sa topí pri 273,16 ° Kelvina a voda vrie pri 373,16 ° K. Stupeň K sa teda rovná stupňu C. Ale na Kelvinovej stupnici sú všetky teploty kladné.
Prečo je 0 ° K - hranica chladu?
Teplo je chaotický pohyb atómov a molekúl látky. Keď sa látka ochladí, odoberie sa z nej. termálna energia, a zároveň je oslabený neusporiadaný pohyb častíc. Nakoniec pri silnom ochladzovaní sa term<пляска>častice sú takmer úplne zastavené. Atómy a molekuly by úplne zamrzli pri teplote, ktorá sa považuje za absolútnu nulu. Podľa zásad kvantová mechanika, pri absolútnej nule by sa zastavil tepelný pohyb častíc, ale samotné častice by nezamrzli, keďže nemôžu byť v úplnom pokoji. Pri absolútnej nule teda častice stále musia udržiavať určitý druh pohybu, ktorý sa nazýva nula.

Ochladiť látku na teplotu pod absolútnu nulu je však plán rovnako nezmyselný ako povedzme zámer<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Navyše, dokonca aj dosiahnutie presnej absolútnej nuly je takmer nemožné. Môžete sa k tomu len priblížiť. Pretože absolútne všetku jeho tepelnú energiu nemožno z látky v žiadnom prípade odobrať. Časť tepelnej energie zostáva pri najhlbšom ochladení.
Ako dosiahnete ultranízke teploty?
Zmrazenie látky je náročnejšie ako jej zahriatie. Vidno to aspoň z porovnania zariadenia sporáka a chladničky.
Vo väčšine domácich a priemyselných chladničiek sa teplo odvádza v dôsledku vyparovania špeciálnej kvapaliny - freónu, ktorá cirkuluje cez kovové rúrky. Tajomstvom je, že freón môže zostať v kvapalnom stave iba pri dostatočne nízkej teplote. V chladiacej komore sa vplyvom tepla komory zahrieva a vrie, pričom sa mení na paru. Ale para je stlačená kompresorom, skvapalnená a vstupuje do výparníka, čím sa vyrovnáva strata odparujúceho sa freónu. Energia sa spotrebúva na prevádzku kompresora.
V hlbokom chladiacom zariadení je nosičom chladu ultrastudená kvapalina - tekuté hélium. Bezfarebný, svetlý (8x ľahší ako voda), vrie pod atmosferický tlak pri 4,2 °K a vo vákuu pri 0,7 °K. Svetelný izotop hélia dáva ešte nižšiu teplotu: 0,3 °K.
Je dosť ťažké zariadiť stálu héliovú chladničku. Výskum sa vykonáva jednoducho v kúpeľoch s tekutým héliom. Fyzici používajú rôzne techniky na skvapalňovanie tohto plynu. Napríklad predchladené a stlačené hélium sa expanduje jeho uvoľnením cez tenký otvor do vákuovej komory. V tomto prípade teplota stále klesá a časť plynu sa mení na kvapalinu. Je efektívnejšie nielen expandovať ochladený plyn, ale aj prinútiť ho vykonávať prácu - pohybovať piestom.
Vzniknuté tekuté hélium sa skladuje v špeciálnych termoskách – Dewarových nádobách. Náklady na túto najchladnejšiu kvapalinu (jedinú, ktorá nezamrzne pri absolútnej nule) sa ukazujú byť dosť vysoké. Napriek tomu sa dnes tekuté hélium používa čoraz viac nielen vo vede, ale aj v rôznych technických zariadeniach.
Najnižšie teploty boli dosiahnuté iným spôsobom. Ukazuje sa, že molekuly niektorých solí, napríklad kamenca draselného a chrómu, sa môžu otáčať pozdĺž magnetických siločiar. Táto soľ je vopred ochladená tekutým héliom na 1 ° K a umiestnená do silného magnetického poľa. V tomto prípade sa molekuly otáčajú pozdĺž siločiar a uvoľnené teplo je odoberané kvapalným héliom. Potom je magnetické pole náhle odstránené, molekuly sa opäť otáčajú rôznymi smermi a sú vyčerpané

táto práca vedie k ďalšiemu ochladzovaniu soli. Takto sa získala teplota 0,001 ° K. V zásade možno podobným spôsobom s použitím iných látok získať ešte nižšiu teplotu.
Najnižšia doteraz prijatá teplota na Zemi je 0,00001 °K.

Supratekutosť

Látka zmrazená na ultranízke teploty v tekutom héliovom kúpeli sa výrazne mení. Guma sa stáva krehkou, olovo sa stáva tvrdým ako oceľ a pružným a mnohé zliatiny zvyšujú pevnosť.

Samotné tekuté hélium sa správa zvláštnym spôsobom. Pri teplotách pod 2,2 °K získava pre bežné kvapaliny nevídanú vlastnosť - supratekutosť: časť z nich úplne stratí svoju viskozitu a preteká bez akéhokoľvek trenia najužšími štrbinami.
Tento jav, ktorý objavil v roku 1937 sovietsky fyzik akademik P. JI. Kapitsa, potom vysvetlil akademik JI. D. Landau.
Ukazuje sa, že pri ultranízkych teplotách sa začínajú citeľne prejavovať kvantové zákony správania hmoty. Ako jeden z týchto zákonov vyžaduje, energia sa môže prenášať z tela do tela iba v celkom určitých častiach, kvantách. V tekutom héliu je tak málo tepelných kvánt, že ich nie je dosť pre všetky atómy. Časť kvapaliny, zbavená tepelných kvánt, zostáva akoby pri absolútnej nulovej teplote, jej atómy sa vôbec nezúčastňujú náhodného tepelného pohybu a nijako neinteragujú so stenami nádoby. Táto časť (nazývala sa hélium-H) a má supratekutosť. S poklesom teploty sa hélium-P stáva stále viac a viac a pri absolútnej nule by sa všetko hélium zmenilo na hélium-H.
Supratekutosť bola teraz veľmi podrobne študovaná a dokonca užitočná praktické využitie: s jeho pomocou je možné oddeliť izotopy hélia.

Supravodivosť

V blízkosti absolútnej nuly dochádza k mimoriadne kurióznym zmenám elektrické vlastnosti niektoré materiály.
V roku 1911 holandský fyzik Kamerlingh Onnes urobil neočakávaný objav: ukázalo sa, že pri teplote 4,12 ° K ortuť úplne zmizne. elektrický odpor... Ortuť sa stáva supravodičom. Elektrický prúd indukovaný v supravodivom prstenci sa nerozpadá a môže prúdiť takmer navždy.
Nad takým prstencom sa bude supravodivá guľa vznášať vo vzduchu a nespadne ako rozprávka<гроб Магомета>pretože jeho hmotnosť je kompenzovaná magnetickým odpudzovaním medzi krúžkom a guľôčkou. Nepretržitý prúd v prstenci totiž vytvorí magnetické pole a to zase indukuje v loptičke elektrický prúd a s ním aj opačne smerované magnetické pole.
Okrem ortuti majú cín, olovo, zinok a hliník supravodivosť blízku absolútnej nule. Táto vlastnosť bola zistená v 23 prvkoch a viac ako stovke rôznych zliatin a iných chemických zlúčenín.
Teploty vzhľadu supravodivosti (kritické teploty) predstavujú pomerne široký rozsah - od 0,35 ° K (hafnium) do 18 ° K (zliatina nióbu a cínu).
Fenomén supravodivosti, ako super-
plynulosť, podrobne študovaná. Závislosti kritických teplôt na vnútorná štruktúra materiály a vonkajšie magnetické pole. Bola vyvinutá hlboká teória supravodivosti (významný príspevok priniesol sovietsky vedec akademik N. N. Bogolyubov).
Podstata tohto paradoxného javu je opäť čisto kvantová. Pri ultranízkych teplotách vstupujú elektróny

supravodič tvorí systém párovo spojených častíc, ktoré nedokážu dodať energiu kryštálovej mriežke, míňať kvantá energie na jej ohrev. Dvojice elektrónov sa pohybujú akoby<танцуя>, medzi<прутьями решетки>- ióny a obísť ich bez kolízií a prenosu energie.
Supravodivosť sa v technike stále viac využíva.
Do praxe sa dostávajú napríklad supravodivé solenoidy – supravodivé cievky ponorené do tekutého hélia. Môžu uchovávať jednorazovo indukovaný prúd a následne aj magnetické pole na ľubovoľne dlhý čas. Môže dosiahnuť gigantickú veľkosť - vyše 100 000 oerstedov. V budúcnosti sa nepochybne objavia výkonné priemyselné supravodivé zariadenia - elektromotory, elektromagnety atď.
V rádiovej elektronike začínajú hrať významnú úlohu supercitlivé zosilňovače a generátory. elektromagnetické vlny, ktoré obzvlášť dobre fungujú v kúpeľoch s tekutým héliom, vnútorným<шумы>zariadení. V elektronickej výpočtovej technike sa sľubuje svetlá budúcnosť supravodivým spínačom s nízkym výkonom - kryotrónom (pozri čl.<Пути электроники>).
Nie je ťažké si predstaviť, aké lákavé by bolo posunúť prevádzku takýchto zariadení do oblasti vyšších, dostupnejších teplôt. V nedávne časy otvára sa nádej na vytvorenie polymérových filmových supravodičov. Zvláštny charakter elektrickej vodivosti v takýchto materiáloch sľubuje skvelú príležitosť na zachovanie supravodivosti aj pri izbových teplotách. Vedci vytrvalo hľadajú spôsoby, ako túto nádej naplniť.

V útrobách hviezd

A teraz sa pozrime do ríše toho najhorúcejšieho, čo na svete je – do útrob hviezd. Kde teploty dosahujú milióny stupňov.
Neusporiadaný tepelný pohyb hviezd je taký intenzívny, že tam nemôžu existovať celé atómy: ničia sa pri nespočetných zrážkach.
Preto taká vysoko žeravá látka nemôže byť ani pevná, ani kvapalná, ani plynná. Je v stave plazmy, teda zmesi elektricky nabitých<осколков>atómy – atómové jadrá a elektróny.
Plazma je druh stavu hmoty. Keďže jeho častice sú elektricky nabité, sú citlivé na elektrické a magnetické sily. Preto je tesná blízkosť dvoch atómových jadier (nesú kladný náboj) zriedkavým javom. Iba pri vysokých hustotách a obrovských teplotách sú atómové jadrá, ktoré na seba dopadajú, schopné priblížiť sa. Vtedy prebiehajú termonukleárne reakcie – zdroj energie pre hviezdy.
Nám najbližšia hviezda – Slnko – pozostáva najmä z vodíkovej plazmy, ktorá sa v útrobách slnka zahrieva až na 10 miliónov stupňov. Za takýchto podmienok dochádza k blízkym stretnutiam rýchlych vodíkových jadier - protónov, aj keď je to zriedkavé. Niekedy prichádzajúce protóny interagujú: po prekonaní elektrického odpudzovania sa rýchlo dostanú do sily obrovských jadrových síl príťažlivosti.<падают>na seba a splývajú. Prebieha tu okamžitá reštrukturalizácia: namiesto dvoch protónov sa objavuje deuterón (jadro ťažkého izotopu vodíka), pozitrón a neutríno. Uvoľnená energia je 0,46 milióna elektrónvoltov (MeV).
Každý jednotlivý slnečný protón môže vstúpiť do takejto reakcie v priemere raz za 14 miliárd rokov. Ale vo vnútri svietidla je toľko protónov, že k tejto nepravdepodobnej udalosti dochádza tu a tam a naša hviezda horí svojim rovnomerným, oslnivým plameňom.
Syntéza deuterónov je len prvým krokom k solárnym termonukleárnym transformáciám. Novonarodený deuterón sa veľmi skoro (v priemere po 5,7 sekundách) spojí s iným protónom. Objaví sa jadro ľahkého hélia a gama kvantum elektromagnetická radiácia... Uvoľní sa 5,48 MeV energie.
Nakoniec sa v priemere raz za milión rokov môžu zblížiť a spojiť dve jadrá ľahkého hélia. Potom sa vytvorí jadro obyčajného hélia (alfa častica) a odštiepia sa dva protóny. Uvoľnená energia je 12,85 MeV.
Tento trojkrokový<конвейер>termonukleárne reakcie nie sú jediné. Existuje aj ďalší reťazec jadrových transformácií, rýchlejší. Zahŕňa (nespotrebúva sa) atómové jadrá uhlíka a dusíka. Ale v oboch verziách sú častice alfa syntetizované z jadier vodíka. Obrazne povedané, vodíková plazma Slnka<сгорает>premeniť sa na<золу>- héliová plazma. A v procese syntézy každého gramu héliovej plazmy sa uvoľní 175 tisíc kWh energie. Veľké množstvo!
Slnko vyžaruje každú sekundu 4 1033 ergov energie, pričom stratí 4 1012 g (4 milióny ton) hmoty. Celková hmotnosť Slnka je však 2 1027 ton. To znamená, že za milión rokov vďaka žiareniu Slnka<худеет>len jedna desaťmilióntina jeho hmoty. Tieto čísla výrečne ilustrujú účinnosť termonukleárnych reakcií a obrovský kalorický obsah Slnka<горючего>- vodík.
Termonukleárna fúzia sa javí ako hlavný zdroj energie pre všetky hviezdy. o rozdielne teploty a hustoty vnútorných hviezd sa uskutočňujú rôzne typy reakcií. Najmä solárne<зола>-jadro hélia - pri 100 miliónoch stupňov sa samo stáva termonukleárnym<горючим>... Potom možno z častíc alfa syntetizovať ešte ťažšie atómové jadrá – uhlík a dokonca aj kyslík.
Ako mnohí vedci veria, celá naša Metagalaxia ako celok je tiež ovocím termonukleárna fúzia, ktorá prebiehala pri teplote miliardy stupňov (pozri čl.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Na umelé slnko

Mimoriadny obsah kalórií v termonukleárnej jednotke<горючего>prinútil vedcov, aby hľadali umelú implementáciu reakcií jadrovej fúzie.
<Горючего>- Na našej planéte je veľa izotopov vodíka. Napríklad superťažký vodík trícium možno vyrobiť z kovového lítia v jadrových reaktoroch. A ťažký vodík – deutérium je súčasťou ťažkej vody, ktorú možno získať z obyčajnej vody.
Ťažký vodík extrahovaný z dvoch pohárov obyčajnej vody by dal vo fúznom reaktore toľko energie, koľko teraz dáva spálenie suda prémiového benzínu.
Obtiažnosť spočíva v predhrievaní<горючее>na teploty, pri ktorých sa môže vznietiť silným termonukleárnym požiarom.
Tento problém bol prvýkrát vyriešený vo vodíkovej bombe. Izotopy vodíka sa tam zapália výbuchom atómová bomba, ktorý je sprevádzaný ohrevom látky na mnoho desiatok miliónov stupňov. V jednej verzii vodíkovej bomby je termonukleárne palivo chemická zlúčeninaťažký vodík s ľahkým lítiom - ľahký deuterid l a t a i. Tento biely prášok ako kuchynská soľ<воспламеняясь>od<спички>, ktorý slúži ako atómová bomba, okamžite vybuchne a vytvorí teplotu stoviek miliónov stupňov.
Na spustenie pokojnej termonukleárnej reakcie sa treba v prvom rade naučiť zohriať malé dávky dostatočne hustej plazmy izotopov vodíka na teploty stoviek miliónov stupňov bez služieb atómovej bomby. Tento problém je jedným z najťažších v modernej aplikovanej fyzike. Vedci z celého sveta na ňom pracujú už dlhé roky.
Už sme si povedali, že práve chaotický pohyb častíc vytvára zahrievanie telies a priemerná energia ich chaotického pohybu zodpovedá teplote. Zahriať studené telo znamená vytvoriť túto poruchu akýmkoľvek spôsobom.
Predstavte si dve skupiny bežcov, ktorí sa rútia k sebe. Tak sa zrazili, pomiešali, dav, začal sa zmätok. Veľký neporiadok!
Fyzici sa najskôr pokúšali získať vysoké teploty zrážkou prúdov plynu vysoký tlak... Plyn sa zahrial až na 10 tisíc stupňov. Svojho času to bol rekord: teplota je vyššia ako na povrchu Slnka.
Ale pri tejto metóde nie je možné ďalšie, dosť pomalé, nevýbušné zahrievanie plynu, pretože tepelná porucha sa okamžite šíri všetkými smermi a ohrieva steny experimentálnej komory a prostredie. Vzniknuté teplo rýchlo opúšťa systém a nemožno ho izolovať.
Ak sú prúdy plynu nahradené prúdmi plazmy, problém tepelnej izolácie zostáva veľmi ťažký, ale existuje aj nádej na jeho riešenie.
Pravda, ani plazma nemôže byť chránená pred tepelnými stratami nádobami vyrobenými z látky, dokonca aj z tej najžiaruvzdornejšej. Horúca plazma sa pri dotyku s pevnými stenami okamžite ochladí. Môžete sa však pokúsiť zadržať a zohriať plazmu vytvorením jej akumulácie vo vákuu tak, aby sa nedotýkala stien komory, ale visela v prázdnote bez toho, aby sa čohokoľvek dotkla. Tu je potrebné využiť skutočnosť, že častice plazmy nie sú neutrálne, ako atómy plynu, ale sú elektricky nabité. Preto sú v pohybe vystavené magnetickým silám. Nastáva problém: usporiadať magnetické pole špeciálnej konfigurácie, v ktorom by horúca plazma visela ako vo vrecku s neviditeľnými stenami.
Najjednoduchší pohľad takýto p.ele sa vytvára automaticky, keď plazmou prechádzajú silné impulzy elektrický prúd... V tomto prípade sa okolo plazmového vlákna indukujú magnetické sily, ktoré majú tendenciu stláčať vlákno. Plazma sa oddelí od stien výbojky a v osi šnúry v hmote častíc stúpne teplota na 2 milióny stupňov.
U nás sa takéto pokusy robili ešte v roku 1950 pod vedením akademikov JI. A. Artsimovič a M. A. Leontovič.
Ďalším smerom experimentov je použitie magnetickej fľaše, ktorú v roku 1952 navrhol sovietsky fyzik GI Budker, teraz akademik. Magnetická fľaša je usporiadaná v zrkadlovej bunke - valcovej vákuovej komore vybavenej vonkajším vinutím, ktoré sa na koncoch komory zahusťuje. Prúd pretekajúci vinutím vytvára v komore magnetické pole. Jeho siločiary v strednej časti sú rovnobežné s tvoriacou čiarou valca a na koncoch sú stlačené a tvoria magnetické zátky. Častice plazmy vstreknuté do magnetickej fľaše sa krútia okolo siločiar a odrážajú sa od zátok. Výsledkom je, že plazma sa nejaký čas udrží vo fľaši. Ak je energia častíc plazmy zavedená do fľaše dostatočne veľká a je ich dostatok, vstupujú do zložitých silových interakcií, ich pôvodne usporiadaný pohyb sa zamotáva, je neusporiadaný - teplota jadier vodíka stúpa na desiatky miliónov stupňov .
Dodatočný ohrev je dosiahnutý elektromagnetickým<ударами>na plazmu, kompresiu magnetického poľa atď. Teraz sa plazma jadier ťažkého vodíka zahrieva až na stovky miliónov stupňov. Je pravda, že sa to dá urobiť buď na krátky čas alebo pri nízkej hustote plazmy.
Na spustenie samoudržiavacej reakcie je potrebné ďalej zvyšovať teplotu a hustotu plazmy. To je ťažké dosiahnuť. Problém je však, ako sú vedci presvedčení, neodškriepiteľný.

G.B. Anfilov

Uverejňovanie fotografií a citovanie článkov z našej stránky na iných zdrojoch je povolené za predpokladu, že je uvedený odkaz na zdroj a fotografie.

Každé fyzické telo, vrátane všetkých objektov vo vesmíre, má indikátor minimálnej teploty alebo jej limit. Za referenčný bod akejkoľvek teplotnej stupnice sa považuje hodnota absolútnej nulovej teploty. Ale to je len teoreticky. Chaotický pohyb atómov a molekúl, ktoré sa v tomto čase vzdávajú svojej energie, sa v praxi zatiaľ nepodarilo zastaviť.

To je hlavný dôvod, prečo nemožno dosiahnuť teploty absolútnej nuly. O dôsledkoch tohto procesu sa stále vedú diskusie. Z hľadiska termodynamiky je táto hranica nedosiahnuteľná, keďže tepelný pohyb atómov a molekúl sa úplne zastaví a vytvorí sa kryštálová mriežka.

Zástupcovia kvantovej fyziky zabezpečujú prítomnosť minimálnych fluktuácií nulového bodu pri teplotách absolútnej nuly.

Aká je hodnota teplôt absolútnej nuly a prečo ju nemožno dosiahnuť

Na Generálnej konferencii pre váhy a miery bol po prvýkrát stanovený referenčný alebo referenčný bod pre meracie prístroje, ktoré určujú teplotné ukazovatele.

V súčasnosti je v Medzinárodnej sústave jednotiek referenčným bodom pre stupnicu Celzia 0 ° C počas mrazenia a 100 ° C počas varu, hodnota absolútnej nulovej teploty sa rovná -273,15 ° C.

Súčasne použite hodnoty teploty na Kelvinovej stupnici Medzinárodný systém jednotiek, k varu vody dôjde pri referenčnej hodnote 99,975 ° C, absolútna nula sa rovná 0. Fahrenheit na stupnici zodpovedá -459,67 stupňom.

Ale ak sa tieto údaje získajú, prečo potom v praxi nie je možné dosiahnuť teploty absolútnej nuly. Pre porovnanie si môžeme vziať každému známu rýchlosť svetla, ktorá sa rovná konštantnej fyzikálnej hodnote 1 079 252 848,8 km/h.

Túto hodnotu však nie je možné v praxi dosiahnuť. Závisí to od vlnovej dĺžky prenosu, od podmienok a od požadovanej absorpcie Vysoké číslo energetické častice. Na získanie hodnoty teplôt absolútnej nuly je potrebná veľká návratnosť energie a absencia jej zdrojov, aby sa nedostala do atómov a molekúl.

Ale ani v podmienkach úplného vákua vedci nedokázali získať rýchlosť svetla ani teploty absolútnej nuly.

Prečo je možné dosiahnuť približné nulové teploty, ale nie absolútne

Čo sa stane, keď sa veda dokáže priblížiť k extrémne nízkemu teplotnému indexu absolútnej nuly, pričom zostane len v teórii termodynamiky a kvantovej fyziky. Čo je dôvodom, prečo sa v praxi nedajú dosiahnuť teploty absolútnej nuly.

Všetky známe pokusy o ochladenie látky na najnižšiu hraničnú hranicu z dôvodu maximálnej straty energie viedli k tomu, že aj hodnota tepelnej kapacity látky dosahovala minimálnu hodnotu. Molekuly jednoducho neboli schopné vzdať sa zvyšku energie. V dôsledku toho sa proces chladenia zastavil bez dosiahnutia absolútnej nuly.

Pri štúdiu správania kovov v podmienkach blízkych hodnote absolútnej nuly vedci zistili, že maximálny pokles teploty by mal vyvolať stratu odporu.

Ale zastavenie pohybu atómov a molekúl viedlo len k vytvoreniu kryštálovej mriežky, cez ktorú prechádzajúce elektróny odovzdávali časť svojej energie nehybným atómom. Nebolo možné opäť dosiahnuť absolútnu nulu.

V roku 2003 nestačila na dosiahnutie teploty absolútnej nuly iba polmiliardtina 1 °C. Výskumníci "NASA" robili experimenty s molekulou Na, ktorá bola celý čas v magnetickom poli a vzdala sa svojej energie.

Najbližším úspechom bol úspech vedcov Yale University, ktorá v roku 2014 dosiahla ukazovateľ 0,0025 Kelvina. Výsledná zlúčenina monofluorid strontnatý (SrF) existoval iba 2,5 sekundy. A nakoniec sa to aj tak rozpadlo na atómy.

Limitná teplota, pri ktorej sa objem ideálneho plynu stane nulovým, sa považuje za absolútnu nulovú teplotu. Objem reálnych plynov pri absolútnej nulovej teplote však nemôže zaniknúť. Má potom tento teplotný limit zmysel?

Limitná teplota, ktorej existencia vyplýva z Gay-Lussacovho zákona, má zmysel, keďže v praxi je možné vlastnosti reálneho plynu priblížiť k vlastnostiam ideálneho. Na to je potrebné odobrať čoraz redší plyn, aby jeho hustota mala tendenciu k nule. V takomto plyne bude skutočne objem s klesajúcou teplotou smerovať k limitnej hodnote, ktorá sa blíži k nule.

Nájdite absolútnu nulovú hodnotu na stupnici Celzia. Vyrovnanie objemu Vv vzorca (3.6.4) na nulu as prihliadnutím na to

Preto je absolútna nula teploty

* Presnejšia hodnota absolútnej nuly: -273,15 ° С.

Toto je extrém, najnižšia teplota v prírode, ten „najvyšší alebo posledný stupeň chladu“, ktorého existenciu Lomonosov predpovedal.

Kelvinova stupnica

Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - vynikajúci anglický fyzik, jeden zo zakladateľov termodynamiky a molekulárnej kinetickej teórie plynov.

Kelvin zaviedol absolútnu teplotnú škálu a dal jednu z formulácií druhého termodynamického zákona v podobe nemožnosti úplnej premeny tepla na prácu. Veľkosť molekúl vypočítal na základe merania povrchovej energie kvapaliny. V súvislosti s položením transatlantického telegrafného kábla Kelvin vyvinul teóriu elektromagnetických kmitov a odvodil vzorec pre periódu voľných kmitov v obvode. Za vedecké zásluhy dostal W. Thomson titul lorda Kelvina.

Anglický vedec W. Kelvin zaviedol absolútnu teplotnú stupnicu. Nulová teplota na Kelvinovej stupnici zodpovedá absolútnej nule a jednotka teploty na tejto stupnici sa rovná stupňom Celzia, takže absolútna teplota T súvisí s teplotou na Celziovej stupnici podľa vzorca

(3.7.6)

Obrázok 3.11 ukazuje absolútnu stupnicu a stupnicu Celzia na porovnanie.

Jednotka absolútnej teploty v SI sa nazýva kelvin (skrátene K). Preto sa jeden stupeň na stupnici Celzia rovná jednému stupňu na Kelvinovej stupnici: 1 ° C = 1 K.

Absolútna teplota je teda podľa definície uvedenej vo vzorci (3.7.6) derivačnou hodnotou, ktorá závisí od Celziovej teploty a od experimentálne stanovenej hodnoty a. Má však zásadný význam.

Z hľadiska molekulárnej kinetickej teórie absolútna teplota súvisí s priemernou kinetickou energiou chaotického pohybu atómov alebo molekúl. o T =О К tepelný pohyb molekúl sa zastaví. Toto je podrobnejšie popísané v kapitole 4.

Objem verzus absolútna teplota

Pomocou Kelvinovej stupnice možno Gay-Lussacov zákon (3.6.4) napísať v jednoduchšej forme. Pretože

(3.7.7)

Objem plynu danej hmoty pri konštantnom tlaku je priamo úmerný absolútnej teplote.

Z toho vyplýva, že pomer objemov plynu rovnakej hmotnosti v rôznych stavoch pri rovnakom tlaku sa rovná pomeru absolútnych teplôt:

(3.7.8)

Existuje minimálna možná teplota, pri ktorej mizne objem (a tlak) ideálneho plynu. Toto je teplota absolútnej nuly:-273 °C. Teplotu je vhodné odčítať od absolútnej nuly. Takto je zostavená stupnica absolútnej teploty.

Teplota absolútnej nuly

Teplota absolútnej nuly je minimálna teplotná hranica, ktorú môže mať fyzické telo. Absolútna nula je pôvodom absolútnej teplotnej stupnice, ako je Kelvinova stupnica. Na stupnici Celzia absolútna nula zodpovedá teplote -273,15 ° C.

Verí sa, že absolútna nula je v praxi nedosiahnuteľná. Jeho existencia a poloha na teplotnej škále vyplýva z extrapolácie pozorovaného fyzikálnych javov, zatiaľ čo takáto extrapolácia ukazuje, že pri absolútnej nule by sa energia tepelného pohybu molekúl a atómov látky mala rovnať nule, to znamená, že chaotický pohyb častíc sa zastaví a vytvoria usporiadanú štruktúru, ktorá zaujme jasnú polohu pri uzly kryštálovej mriežky. V skutočnosti však aj pri absolútnej nulovej teplote zostanú pravidelné pohyby častíc tvoriacich látku. Zvyšné vibrácie, napríklad vibrácie nulového bodu, sú spôsobené kvantovými vlastnosťami častíc a fyzikálnym vákuom, ktoré ich obklopuje.

Aktuálne v fyzikálnych laboratóriách podarilo dosiahnuť teplotu presahujúcu absolútnu nulu len o niekoľko milióntin stupňa; nie je možné ho dosiahnuť, podľa zákonov termodynamiky.

Poznámky (upraviť)

Literatúra

G. Burmin. Búrlivá absolútna nula. - M .: "Detská literatúra", 1983.

pozri tiež

Nadácia Wikimedia. 2010.

Teplota absolútnej nuly
Teplota absolútnej nuly

Pozrite si, čo znamená „teplota absolútnej nuly“ v iných slovníkoch:

Teplota absolútnej nuly- Teplota absolútnej nuly je minimálny teplotný limit, ktorý môže mať fyzické telo. Absolútna nula je pôvodom absolútnej teplotnej stupnice, ako je Kelvinova stupnica. Na stupnici Celzia absolútna nula zodpovedá ... ... Wikipedia

ABSOLÚTNA NULA- ABSOLÚTNA NULA, teplota, pri ktorej majú všetky komponenty systému najmenšiu energiu povolenú zákonmi KVANTOVEJ MECHANIKY; nula na Kelvinovej teplotnej stupnici alebo 273,15 ° C (459,67 ° Fahrenheita). Pri tejto teplote... Vedecko-technický encyklopedický slovník

Absolútna teplotná stupnica

Absolútna termodynamická teplota- Chaotický tepelný pohyb v rovine častíc plynu, ako sú atómy a molekuly Existujú dve definície teploty. Jeden z hľadiska molekulovej kinetiky, druhý z hľadiska termodynamického. Teplota (z lat. Temperatura vlastnej ... ... Wikipedia

Absolútna teplotná stupnica- Chaotický tepelný pohyb v rovine častíc plynu, ako sú atómy a molekuly Existujú dve definície teploty. Jeden z hľadiska molekulovej kinetiky, druhý z hľadiska termodynamického. Teplota (z lat. Temperatura vlastnej ... ... Wikipedia