Что такое абсолютный нуль?

Абсолютный ноль, теоретически, является самой низкой из возможных температур и, следовательно, самой низкой возможной полной энергией системы. Хотя можно ожидать, что движение всех частиц остановится на абсолютном нуле, на самом деле это не так. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что даже при минимально возможной температуре субатомные частицы все еще будут обладать остаточной кинетической энергией, известной как энергия нулевой точки. Странный результат этого факта заключается в том, что плотно упакованные электроны в металле при абсолютном нуле будут иметь ту же энергию, что и обычный газ при 50000 ° C. Таким образом, хотя в абсолютном нуле системы энтропия равна нулю, полная энергия системы не равна нулю.

Температуры в пределах нескольких миллиардных долей степени абсолютного нуля были достигнуты в лаборатории. При таких низких температурах вещества попадают в своеобразное состояние, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором их квантовые волновые функции сливаются, и частицы теряют свою индивидуальную идентичность.

Обозначенный нулевыми градусами на шкале Кельвина (0K = -273,16 ° C = -459,69 ° F), абсолютный ноль физически недостижим в соответствии с третьим законом термодинамики. На первый взгляд, это может показаться необоснованным. Верхнего предела температуры нет, так почему должен быть нижний? Пытаясь понять это, полезно подумать о соотношении температур, а не о разнице температур. Скажем, соотношение от 10000 К до 1000 К, например, такое же, как и от 0,001 К до 0,0001 К. Подобно тому, как мы поставляем все больше и больше энергии в систему, мы можем добавить столько нулей до десятичной точки кельвинского чтения, сколько захотим, поэтому, продолжая выводить энергию из системы, мы можем добавить произвольное число нулей после десятичной точки. Однако точно так же, как мы никогда не сможем достичь бесконечно высокой температуры, мы никогда не сможем достичь бесконечно низкой температуры — самого абсолютного нуля.

В глубоком смысле, абсолютный ноль лежит на асимптотическом пределе низкой энергии так же, как скорость света лежит для частиц с массой на асимптотическом пределе высокой энергии. В обоих случаях энергия движения — кинетическая энергия — является ключевой величиной. В конце высокой энергии, когда средняя скорость частиц вещества приближается к скорости света, температура возрастает без ограничений.

На пути к абсолютному нулю

Каждое вещество содержит определенное количество тепла, даже относительно холодное вещество, такое как лед. Тепло является результатом непрерывного движения молекул вещества, которые благодаря этому движению обладают кинетической энергией. Температура является мерой средней кинетической энергии молекул. Чем холоднее вещество, тем меньше его молекулы движутся. Таким образом, должна быть возможность продолжать охлаждение до точки, в которой молекулярное движение полностью прекращается. Эта точка, «абсолютный нуль», представляет большой интерес для ученых, но на практике недостижима. При температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые материалы проявляют замечательные свойства, такие как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Расчет абсолютного нуля

На шкале Цельсия абсолютный ноль на 273,16 градуса ниже точки замерзания воды. Его значение может быть предсказано в результате поведения газов, когда они нагреваются или охлаждаются. При нагревании «идеальный» газ расширяется в объеме (V) пропорционально его абсолютной температуре (T), если его давление (P) сохраняется постоянная. Его давление увеличивается в той же пропорции, если его объем остается постоянным. При охлаждении происходит обратное, согласно уравнению PV = RT, где R известно как универсальная газовая постоянная. Фактически давление падает в 1 / 273,16 раза при каждом понижении температуры на 1 ° C. Таким образом, при -273,16 ° C будет достигнуто нулевое давление, и это должен быть абсолютный нуль температуры.

Абсолютный нуль обычно обозначается как 0 по шкале Кельвина температуры, названной в честь британского ученого Уильяма Томсона, барона Кельвина из Ларгса. Его приращения температуры равны приращениям по шкале Цельсия или Цельсия. Таким образом, 0K соответствует -273 ° C (абсолютная нулевая температура обычно округляется до -273 ° C или -460 по шкале Фаренгейта), а 273K соответствует 0 ° C — точке замерзания воды.

Нацеленность на абсолютный нуль

Температуру газа можно снизить, сначала сжав газ в корпусе с фиксированным объемом, а затем отводя полученное тепло, например, с помощью окружающей водяной рубашки. Если затем газу позволяют выходить в больший объем, он становится еще холоднее, поскольку его молекулы теряют кинетическую энергию во время расширения. Этот цикл используется в холодильнике и может сжижать и даже замораживать многие газы.

Газом, наиболее полезным в экспериментах при очень низких температурах, был гелий, газ с самой низкой температурой кипения, 4.2K (-269 ° C). Температура жидкого гелия может быть дополнительно снижена до 1 К путем вакуумной откачки газа выше уровня жидкости, чтобы снизить его давление и тем самым снизить температуру кипения. Жидкий гелий обычно производится на установке для сжижения воздуха, поскольку один из редких газов, оставшихся после сжижения кислорода и азота.

Ниже 1K трудно добиться дальнейшего охлаждения, и используется низкотемпературный эффект, который возникает в некоторых твердых веществах. Некоторые соли действуют как магниты, когда погружены в сильное магнитное поле, но перестают быть магнитными при удалении поля. Это явление известно как парамагнетизм. Когда соль намагничена, ее молекулы выстраиваются в поле, но расстраиваются при удалении поля. Если парамагнитное твердое вещество охлаждают до 1 К жидким гелием, которому дают испариться, тепловая энергия удаляется из твердого вещества. Когда сильное магнитное поле включено, молекулы выравниваются и создают тепло при своем движении. Это удалено окружающим газом гелия, который откачан. Когда поле выключено, молекулы становятся неупорядоченными и вызывают дальнейшее снижение внутренней энергии твердого тела. Холодная соль может затем поглощать тепло из второго контейнера с гелием. Цикл намагничивания и размагничивания может производить температуры в несколько тысячных градуса Кельвина.

Сверхтекучесть и сверхпроводимость

Жидкий гелий при очень низких температурах не только трудно получить, но и ведет он себя самым необычным образом. Быстрое кипение происходит, когда давление пара падает, но при 2,18 К внутреннее барботирование газа гелия внезапно прекращается, хотя кипение продолжается. Ниже этого так называемого «лямбда-точки» жидкий гелий проявляет «сверхтекучие» свойства.

Вблизи абсолютного нуля некоторые вещества проявляют замечательные свойства. Например, становится возможным своего рода вечное движение электрического тока, то есть некоторые металлы и сплавы обладают сверхпроводимостью. При понижении их температуры (например, до 7 К для свинца) электрическое сопротивление материала полностью исчезает. Если электрический ток может течь в кольце такого металла, он продолжает течь. Таким образом, ток течет без ослабления в течение нескольких лет.

Сверхпроводимость была обнаружена голландским физиком Хайке Камерлинг Оннес. Теоретически она может быть использована в качестве основы для некоторых компьютерных запоминающих устройств, поскольку при хранении в сверхпроводнике информация остается неизменной. Магнитное поле достаточной силы может разрушить сверхпроводящее состояние, и этот эффект можно использовать для создания высокоскоростного устройства переключения тока. Поскольку сверхпроводящий материал имеет нулевое электрическое сопротивление, через него могут проходить очень большие токи. В результате сверхпроводящие обмотки для электромагнитов могут быть использованы для создания чрезвычайно мощных магнитных полей.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментарии закрыты.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: