Наука

До недавних пор, самой холодной температурой, которую могло иметь физическое тело, считалась температура "абсолютного нуля" по шкале Кельвина. Это соответствует −273,15 градусам по Цельсию или −460 градусам по Фаренгейту.

Теперь же физики из Германии смогли достичь температуры ниже абсолютного нуля. Такое открытие поможет ученым понять такие явления, как темная энергия и создать новые формы вещества.

Абсолютный ноль температуры

В середине 19-го века, британский физик лорд Кельвин создал шкалу абсолютной температуры и определил, что ничто не может быть холоднее, чем абсолютный ноль . Когда частицы находятся при температуре абсолютного нуля, они перестают движение и у них отсутствует энергия.

Температура объекта - это мера того, насколько атомы движутся. Чем холоднее объект, тем медленнее движутся атомы. При температуре абсолютного нуля или -273,15 градусах по Цельсию, атомы перестают двигаться.

В 1950-х годах, физики начали утверждать, что частицы не всегда теряют энергию при абсолютном нуле.

Ученые из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге создали газ, который стал холоднее абсолютного нуля на несколько нанокельвинов .

Они охладили около 100 000 атомов до положительной температуры нескольких нанокельвинов (нанокельвин – одна миллиардная часть кельвина) и использовали сеть лазерных лучей и магнитных полей, чтобы контролировать поведение атомов, и подтолкнуть их к новому пределу температуры.

Самая высокая температура

Если самая низкая возможная температура считается абсолютным нулем, то какая температура может считаться его противоположностью - самой высокой температурой? Согласно космологическим моделям, самая высокая возможная температура – это планковская температура, которая соответствует 1.416785(71)х1032 кельвинов (141 нониллион 679 октиллионов градусов).

Наша Вселенная уже проходила через планковскую температуру. Это случилось через 10^-42 секунд после Большого взрыва, когда родилась Вселенная.

Самая низкая температура на Земле

Самая низкая температура на Земле была зафиксирована 21 июля 1983 году на станции Восток в Антарктиде, и она составила -89,2 градуса по Цельсию .

Станция Восток – самое холодное постоянное населенное место на Земле. Она была основана Россией в 1957 году и расположена на высоте 3488 метров над уровнем моря.

Самая высокая температура на Земле

Самая высокая температура на Земле была зарегистрирована 10 июля 1913 года в Долине Смерти в Калифорнии и она составила 56,7 градусов по Цельсию .

Предыдущий рекорд самой высокой температуры мире в городе Эль-Азизия в Ливии, составивший 57,7 градусов по Цельсию, был опровергнут Всемирной метеорологической организацией из-за ненадежности данных.

Термин «температура» появился во времена, когда ученые-физики думали, что теплые тела состоят из большего количества специфической субстанции - теплорода, - чем такие же тела, но холодные. А температура трактовалась как величина, соответствующая количеству теплорода в теле. С тех пор температуру любых тел измеряют в градусах. Но на самом деле это мера кинетической энергии движущихся молекул, и, исходя из этого, ее следует измерять в Джоулях, в соответствии с Системой единиц Си.

Понятие «абсолютный ноль температуры» исходит из второго начала термодинамики. По нему процесс перехода тепла от холодного тела к горячему невозможен. Это понятие введено английским физиком У. Томсоном. Ему за достижения в физике было даровано дворянское звание «лорд» и титул «барон Кельвин». В 1848 г. У.Томсон (Кельвин) предложил использовать температурную шкалу, в которой за начальную точку принял абсолютный ноль температуры, соответствующий предельному холоду, а ценой деления взял градус Цельсия. Единицей Кельвина является 1/27316 доля температуры тройной точки воды (около 0 град. С), т.е. температуры, при которой чистая вода сразу находится в трех видах: лед, жидкая вода и пар. температуры - это минимально возможная низкая температура, при которой движение молекул останавливается, и из вещества уже невозможно извлечь тепловую энергию. С тех пор шкала абсолютных температур стала называться его именем.

Температура измеряется по разным шкалам

Наиболее употребляемая шкала температуры носит название «шкала Цельсия». Она построена на двух точках: на температуре воды из жидкости в пар и воды в лед. А. Цельсий в 1742 г. предложил расстояние между опорными точками разделить на 100 промежутков, а воды принять за ноль, при этом точку замерзания за 100 градусов. Но швед К. Линней предложил сделать наоборот. С тех пор вода замерзает при ноле градусов А. Цельсия. Хотя точно по Цельсию она должна кипеть. Абсолютный ноль по Цельсию соответствует минус 273,16 градусов Цельсия.

Есть еще несколько температурных шкал: Фаренгейта, Реомюра, Ранкина, Ньютона, Рёмера. Они имеют разные и цену деления. Например шкала Реомюра тоже построена на реперах кипения и замерзания воды, но она имеет 80 делений. Шкала Фаренгейта, появившаяся в 1724 г., используется в быту только в некоторых странах мира, в т. ч. США; одна - температура смеси водяной лед - нашатырь и другая - человеческого тела. Шкала делится на сто делений. Ноль Цельсия соответствует 32 Перевод градусов в фаренгейты можно сделать по формуле: F = 1,8 C + 32. Обратный перевод: С = (F - 32)/1,8, где: F - градусы Фаренгейта, С - градусы Цельсия. Если вам лень считать, сходите в онлайн-сервис по переводу Цельсия в Фаренгейты. В рамочке наберите число градусов Цельсия, нажмите «Рассчитать», выберите «Фаренгейт» и нажмите «Пуск». Результат появится сразу.

Названа в честь английского (точнее шотландского) физика Уильяма Дж. Ранкина, бывшего современником Кельвина и одним из создателей технической термодинамики. В его шкале важных точек три: начало - абсолютный ноль, точки замерзания воды 491,67 градус Ранкина и закипания воды 671,67 град. Число делений между замерзанием воды и ее закипанием и у Ранкина, и у Фаренгейта равно 180.

Большинством этих шкал пользуются исключительно физики. А 40% опрошенных в наши дни американских школьников выпускных классов сказали, что они не знают, что такое абсолютный ноль температуры.

Предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры. Однако объем реальных газов при абсолютном нуле температуры обращаться в нуль не может. Имеет ли смысл тогда это предельное значение температуры?

Предельная температура, существование которой вытекает из закона Гей-Люссака, имеет смысл, так как практически можно приблизить свойства реального газа к свойствам идеального. Для этого надо брать все более разреженный газ, так чтобы его плотность стремилась к нулю. У такого газа действительно объем с понижением температуры будет стремиться к предельному, близкому к нулю.

Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Приравнивая объем V в формуле (3.6.4) нулю и учитывая, что

Отсюда абсолютный нуль температуры равен

* Более точное значение абсолютного нуля: -273,15 °С.

Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.

Шкала Кельвина

Кельвин Уильям (Томсон У.) (1824- 1907) - выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.

Кельвин ввел абсолютную шкалу температур и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости. В связи с прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля Кельвин разработал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу для периода свободных колебаний в контуре. За научные заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина.

Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой

(3.7.6)

На рисунке 3.11 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.

Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.

Таким образом, абсолютная температура по определению, даваемому формулой (3.7.6), является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения а. Однако она имеет фундаментальное значение.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При Т = О К тепловое движение молекул прекращается. Подробнее об этом пойдет речь в главе 4.

Зависимость объема от абсолютной температуры

Применяя шкалу Кельвина, закон Гей-Люссака (3.6.4) можно записать в более простой форме. Так как

(3.7.7)

Объем газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.

Отсюда следует, что отношение объемов газа одной и той же массы в различных состояниях при одном и том же давлении равно отношению абсолютных температур:

(3.7.8)

Существует минимально возможная температура, при которой объем (и давление) идеального газа обращаются в нуль. Это абсолютный нуль температуры: -273 °С. Удобно отсчитывать температуру от абсолютного нуля. Так строится абсолютная шкала температур.

Как вы думаете, где находится самое холодное место в нашей Вселенной? На сегодняшний день это Земля. К примеру, температура поверхности Луны -227 градусов по шкале Цельсия, а температура вакуума, окружающего нас, составляет 265 градусов ниже нуля. Однако в лаборатории на Земле человек может добиться температуры гораздо ниже, для изучения свойств материалов в условиях сверхнизких температур. Материалы, отдельные атомы и даже свет, подвергнутые экстремальному охлаждению, начинают проявлять непривычные свойства.

Первый эксперимент такого рода был поставлен в начале 20 века физиками, которые изучали электрические свойства ртути при сверхнизкой температуре. При -262 градуса по Цельсию ртуть начинает проявлять свойства сверхпроводимости, уменьшая сопротивление электрическому току практически до нуля. Дальнейшие эксперименты также выявили другие интересные свойства охлажденных материалов, включая сверхтекучесть, которая выражается в "просачивании" вещества сквозь твердые перегородки и из закрытых емкостей.

Наукой определена самая низкая достижимая температура - минус 273.15 градусов Цельсия, но практически такая температура недостижима. Практически, температура является приблизительной мерой энергии, заключенной в объекте, поэтому абсолютный ноль показывает, что тело ничего не излучает, и никакой энергии из этого объекта извлечь нельзя. Но несмотря на это, ученые пытаются подобраться как можно ближе к абсолютному нулю температуры, актуальный рекорд был поставлен в 2003 году в лаборатории Массачусетского института технологии. Ученым недотянули до абсолютного нуля всего 810 миллиардных долей градуса. Охлаждали они облако атомов натрия, удерживаемое на месте с помощью мощного магнитного поля.

Казалось бы - в чем прикладной смысл таких опытов? Оказывается, исследователей интересует такое понятие как конденсат Бозе-Эйнштейна, которое представляет собой особое состояние вещества - не газ, твердое или жидкое, а просто облако атомов с одинаковым квантовым состоянием. Такая форма вещества была предсказана Эйнштейном и индийским физиком Satyendra Bose в 1925 году, а получена только через 70 лет. Один из ученых, который добился такого состояния вещества - Wolfgang Ketterle, который получил за свое открытие Нобелевскую премию в области физики.

Одно из замечательных свойств конденсата Бозе-Эйнштейна (КБЭ) - возможность управления движением световых лучей. В вакууме свет перемещается со скоростью 300000 км в секунду, и это максимальная скорость, достижимая во Вселенной. Но свет может распространяться медленнее, если будет распространяться не в вакууме, а в веществе. С помощью КБЭ можно замедлить движение света до малых скоростей, и даже остановить его. Из-за температуры и плотности конденсата световое излучение замедляется и может быть "схвачено" и преобразовано напрямую в электрический ток. Этот ток может быть передан в другое облако КБЭ и преобразовано обратно в световое излучение. Эта возможность очень востребована для телекоммуникации и вычислительной техники. Тут я немного не понимаю - ведь устройства, преобразующие световые волны в электричество и обратно УЖЕ есть... Видимо, использование КБЭ позволяет производить это преобразование быстрее и точнее.

Одной из причин, почему ученые настолько стремятся получить абсолютный ноль - попытка понять, что происходит и происходило с нашей Вселенной, какие термодинамические законы в ней действуют. При этом исследователи понимают, что извлечение всей энергии до последнего из атома практически недостижимо.

> Абсолютный ноль

Изучите, чему равен абсолютный ноль температуры и значение энтропии. Узнайте, чему равна температура абсолютного ноля по шкале Цельсия и Кельвина.

Абсолютный ноль – минимальная температура. Это отметка, при которой энтропия достигает наименьшего значения.

Задача обучения

• Разобраться в том, почему абсолютный ноль выступает естественным показателем нулевой точки.

Основные пункты

• Абсолютный ноль выступает универсальным, то есть, вся материя пребывает в основном состоянии при этом показателе.
• К обладает квантово-механической нулевой энергией. Но в интерпретации кинетическая энергия может быть нулевой, а тепловая исчезает.
• Максимально низкая температура в лабораторных условиях достигла 10-12 К. Минимальная естественная – 1К (расширение газов в туманности Бумеранг).

Термины

• Энтропия – мера того, как равномерная энергия располагается в системе.
• Термодинамика – отрасль в науке, изучающая тепло и его соотношение с энергией и работой.

Абсолютный ноль – минимальная температура, при которой энтропия достигает наименьшего значения. То есть, это самый маленький показатель, который можно наблюдать в системе. Это универсальное понятие и выступает нулевой точкой в системе единиц температуры.

График зависимости давления от температуры для разных газов с постоянным объемом. Заметьте, что все графики экстраполируются к нулевому давлению при одной температуре

Система в абсолютном нуле все еще наделена квантово-механической нулевой энергией. Согласно принципу неопределенности, положение частичек нельзя определить с абсолютной точностью. Если частичка смещается в абсолютном нуле, то все еще обладает минимальным энергетическим запасом. Но в классической термодинамике кинетическая энергия способна быть нулевой, а тепловая исчезает.

Нулевая точка термодинамической шкалы, вроде Кельвина, приравнивается к абсолютному нулю. Международное соглашение установило, что температура абсолютного ноля достигает 0K по шкале Кельвина и -273.15°C по шкале Цельсия. Вещество при минимальных температурных показателях проявляет квантовые эффекты, вроде сверхпроводимости и сверхтекучести. Наиболее низкая температура в лабораторных условиях составляла 10-12 K, а в естественной среде – 1K (быстрое расширение газов в туманности Бумеранг).

Стремительное расширение газов приводит к минимальной наблюдаемой температуре