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Combien de degrés est zéro absolu. Absolute Zero: historique de découverte et application principale

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Établissement d'enseignement professionnel supérieur budgétaire de l'État fédéral

Université pédagogique d'État de Voronej

Département de physique générale

sur le thème: "Température zéro absolue"

Complété par: étudiant de 1ère année, FMF,

PI, Kondratenko Irina Alexandrovna

Vérifié par: Assistant du Département général

physiciens G.V. Afonin

Voronej-2013

Introduction ………………………………………………………. 3

1. zéro absolu ……………………………………… ... 4

2.Histoire …………………………………………………… 6

3. Phénomènes observés près du zéro absolu ……… ..9

Conclusion …………………………………………………… 11

Liste de la littérature utilisée ………………………… ..12

introduction

Depuis de nombreuses années, les chercheurs se rapprochent de la température zéro absolue. Comme on le sait, la température égale au zéro absolu caractérise l'état fondamental d'un système de nombreuses particules - l'état avec l'énergie la plus faible possible, dans lequel les atomes et les molécules effectuent des vibrations dites «nulles». Ainsi, un refroidissement profond, proche du zéro absolu (on pense que le zéro absolu lui-même est inatteignable en pratique), ouvre des possibilités illimitées pour étudier les propriétés de la matière.

1. Zéro absolu

La température zéro absolue (moins souvent - température zéro absolue) est la limite de température minimale qu'un corps physique dans l'Univers peut avoir. Le zéro absolu est l'origine d'une échelle de température absolue, telle que l'échelle Kelvin. En 1954, la X Conférence générale sur les poids et mesures a établi une échelle de température thermodynamique avec un point de référence - un point triple de l'eau, dont la température a été prise 273,16 K (exact), ce qui correspond à 0,01 ° C, de sorte que sur l'échelle Celsius, la température correspond au zéro absolu -273,15 ° C

Dans le cadre de l'applicabilité de la thermodynamique, le zéro absolu est inatteignable en pratique. Son existence et sa position sur l'échelle de température découlent de l'extrapolation des phénomènes physiques observés, alors qu'une telle extrapolation montre qu'au zéro absolu l'énergie du mouvement thermique des molécules et des atomes d'une substance doit être égale à zéro, c'est-à-dire que le mouvement chaotique des particules s'arrête et qu'elles forment une structure ordonnée, occupant position claire dans les nœuds du réseau cristallin (l'hélium liquide est une exception). Cependant, du point de vue de la physique quantique et à la température zéro absolue, il y a des oscillations au point zéro, qui sont dues aux propriétés quantiques des particules et au vide physique qui les entoure.

Lorsque la température du système tend vers le zéro absolu, son entropie, sa capacité thermique, son coefficient de dilatation thermique tendent également à zéro et le mouvement chaotique des particules qui composent le système s'arrête. En un mot, la matière devient super-matière avec supraconductivité et superfluidité.

En pratique, la température du zéro absolu est inaccessible, et l'obtention de températures extrêmement proches de celle-ci est un problème expérimental difficile, mais on a déjà obtenu des températures qui ne sont qu'à des millionièmes de degré du zéro absolu. ...

Trouvez la valeur du zéro absolu sur l'échelle Celsius, en assimilant le volume V à zéro et en tenant compte du fait que

Par conséquent, la température zéro absolue est de -273 ° C.

C'est la température extrême, la plus basse de la nature, ce "plus grand ou dernier degré de froid", dont l'existence a prédit Lomonosov.

Fig. 1. Échelle absolue et échelle Celsius

L'unité SI de température absolue est appelée le kelvin (abrégé K). Par conséquent, un degré sur l'échelle Celsius est égal à un degré sur l'échelle Kelvin: 1 ° C \u003d 1 K.

Ainsi, la température absolue est une grandeur dérivée qui dépend de la température Celsius et de la valeur expérimentalement déterminée de a. Cependant, il est d'une importance fondamentale.

Du point de vue de la théorie cinétique moléculaire, la température absolue est liée à l'énergie cinétique moyenne du mouvement chaotique des atomes ou des molécules. A T \u003d O K, le mouvement thermique des molécules s'arrête.

2. Histoire

Le concept physique de "température zéro absolue" est très important pour la science moderne: il est étroitement lié à un concept tel que la supraconductivité, dont la découverte a fait sensation dans la seconde moitié du XXe siècle.

Pour comprendre ce qu'est un zéro absolu, il faut se tourner vers les travaux de physiciens aussi célèbres que G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac et W. Thomson. Ils ont joué un rôle clé dans la création des principales échelles de température utilisées jusqu'à présent.

Le premier à offrir son échelle de température en 1714 fut le physicien allemand G. Fahrenheit. Dans le même temps, la température du mélange, qui comprenait la neige et l'ammoniac, a été prise comme un zéro absolu, c'est-à-dire pour le point le plus bas de cette échelle. L'indicateur important suivant était la température normale du corps humain, qui commençait à être égale à 1000. En conséquence, chaque division de cette échelle était appelée "degrés Fahrenheit", et l'échelle elle-même - "échelle Fahrenheit".

Trente ans plus tard, l'astronome suédois A. Celsius a proposé sa propre échelle de température, où les points principaux étaient le point de fusion de la glace et le point d'ébullition de l'eau. Cette échelle s'appelait «l'échelle Celsius», elle est toujours populaire dans la plupart des pays du monde, y compris la Russie.

En 1802, menant ses fameuses expériences, le scientifique français J. Gay-Lussac découvre que le volume d'une masse de gaz à pression constante est directement proportionnel à la température. Mais le plus curieux était que lorsque la température changeait de 10 degrés Celsius, le volume de gaz augmentait ou diminuait du même montant. Ayant fait les calculs nécessaires, Gay-Lussac a constaté que cette valeur était égale à 1/273 du volume de gaz. La conclusion suivante découle de cette loi: la température égale à -273 ° C est la température la plus basse, même lorsque vous vous en approchez, il est impossible de l'atteindre. C'est cette température que l'on appelle "température zéro absolue". De plus, le zéro absolu est devenu le point de départ de la création de l'échelle de température absolue, à laquelle le physicien anglais W. Thomson, également connu sous le nom de Lord Kelvin, a pris une part active. Ses recherches principales concernaient la preuve qu'aucun corps dans la nature ne peut être refroidi en dessous du zéro absolu. Dans le même temps, il a activement utilisé la deuxième loi de la thermodynamique, par conséquent, l'échelle de température absolue introduite par lui en 1848 a commencé à être appelée thermodynamique ou "échelle Kelvin". Dans les années et les décennies suivantes, seul un raffinement numérique du concept de "zéro absolu" a eu lieu.

Fig. 2. Relation entre les échelles de température Fahrenheit (F), Celsius (C) et Kelvin (K).

Il convient également de noter que le zéro absolu joue un rôle très important dans le système SI. Le fait est qu'en 1960, à la prochaine Conférence générale sur les poids et mesures, l'unité de température thermodynamique - le kelvin - est devenue l'une des six unités de mesure de base. Dans le même temps, il était spécialement stipulé qu'un degré Kelvin

il est numériquement égal à un degré Celsius, sauf que le zéro absolu est considéré comme le point de référence "selon Kelvin".

La signification physique principale du zéro absolu est que, selon les lois physiques de base, à une telle température, l'énergie de mouvement des particules élémentaires, telles que les atomes et les molécules, est nulle, et dans ce cas, tout mouvement chaotique de ces particules mêmes devrait s'arrêter. À une température égale au zéro absolu, les atomes et les molécules doivent prendre une position claire aux principaux points du réseau cristallin, formant un système ordonné.

À l'heure actuelle, à l'aide d'équipements spéciaux, les scientifiques ont pu obtenir une température qui n'est que de quelques parties par million supérieure au zéro absolu. Il est physiquement impossible d'atteindre cette valeur elle-même en raison de la deuxième loi de la thermodynamique.

3 Phénomènes observés près du zéro absolu

À des températures proches du zéro absolu, des effets purement quantiques peuvent être observés au niveau macroscopique, tels que:

1. Supraconductivité - la propriété de certains matériaux d'avoir une résistance électrique strictement nulle lorsqu'ils atteignent une température inférieure à une certaine valeur (température critique). On connaît plusieurs centaines de composés, d'éléments purs, d'alliages et de céramiques qui passent à l'état supraconducteur.

La supraconductivité est un phénomène quantique. Il est également caractérisé par l'effet Meissner, qui consiste en un déplacement complet du champ magnétique de la masse du supraconducteur. L'existence de cet effet montre que la supraconductivité ne peut être décrite simplement comme une conductivité idéale au sens classique. Ouvert en 1986-1993. un certain nombre de supraconducteurs à haute température (HTSC) ont poussé loin la limite de température de la supraconductivité et ont permis d'utiliser pratiquement des matériaux supraconducteurs non seulement à la température de l'hélium liquide (4,2 K), mais aussi au point d'ébullition de l'azote liquide (77 K), un liquide cryogénique beaucoup moins cher.

2. La superfluidité est la capacité d'une substance dans un état spécial (liquide quantique), qui se produit lorsque la température tombe au zéro absolu (phase thermodynamique), de s'écouler à travers des fentes étroites et des capillaires sans frottement. Jusqu'à récemment, la superfluidité n'était connue que pour l'hélium liquide, mais ces dernières années, la superfluidité a également été découverte dans d'autres systèmes: dans les condensats atomiques de Bose raréfiés, l'hélium solide.

La superfluidité est expliquée comme suit. Puisque les atomes d'hélium sont des bosons, la mécanique quantique permet à un nombre arbitraire de particules d'être dans un état. Presque des températures nulles absolues, tous les atomes d'hélium sont à l'état d'énergie fondamentale. Puisque l'énergie des états est discrète, un atome ne peut recevoir aucune énergie, mais seulement telle qu'elle est égale à l'écart d'énergie entre les niveaux d'énergie adjacents. Mais à basse température, l'énergie de collision peut être inférieure à cette valeur, ce qui fait que la dissipation d'énergie ne se produit tout simplement pas. Le fluide s'écoulera sans frottement.

3. Le condensat de Bose - Einstein est un état agrégé de la matière, dont la base est constituée de bosons refroidis à des températures proches du zéro absolu (moins d'un millionième de degré au-dessus du zéro absolu). Dans un tel état fortement refroidi, un nombre suffisamment grand d'atomes se retrouvent dans leurs états quantiques minimaux possibles et les effets quantiques commencent à se manifester au niveau macroscopique.

Conclusion

L'étude des propriétés de la matière proche du zéro absolu est d'un grand intérêt pour la science et la technologie.

De nombreuses propriétés d'une substance, voilées à température ambiante par des phénomènes thermiques (par exemple, le bruit thermique), avec une température décroissante commencent à se manifester de plus en plus, permettant d'étudier à l'état pur les régularités et les relations inhérentes à une substance donnée. Les recherches dans le domaine des basses températures ont permis de découvrir de nombreux nouveaux phénomènes naturels, comme par exemple la superfluidité de l'hélium et la supraconductivité des métaux.

À basse température, les propriétés des matériaux changent radicalement. Certains métaux augmentent leur résistance, deviennent ductiles, d'autres deviennent cassants, comme le verre.

L'étude des propriétés physiques et chimiques à basses températures permettra à l'avenir de créer de nouvelles substances aux propriétés prédéterminées. Tout cela est très précieux pour la conception et la création de vaisseaux spatiaux, de stations et d'instruments.

On sait que dans les études radar des corps spatiaux, le signal radio reçu est très petit et il est difficile de le séparer de divers bruits. Les oscillateurs et amplificateurs moléculaires récemment développés fonctionnent à des températures très basses et ont donc des niveaux de bruit très faibles.

Les propriétés électriques et magnétiques à basse température des métaux, des semi-conducteurs et des diélectriques permettent de développer des dispositifs d'ingénierie radio fondamentalement nouveaux de dimensions microscopiques.

Des températures ultra-basses sont utilisées pour créer le vide nécessaire, par exemple, pour faire fonctionner des accélérateurs de particules nucléaires géants.

Bibliographie

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

Brève description

La température limite à laquelle le volume d'un gaz parfait devient égal à zéro est prise comme température zéro absolue. Cependant, le volume de gaz réels à température nulle absolue ne peut pas disparaître. Cette limite de température a-t-elle alors un sens?

La température limite, dont l'existence découle de la loi de Gay-Lussac, a du sens, car en pratique il est possible de rapprocher les propriétés d'un gaz réel des propriétés d'un gaz idéal. Pour cela il faut prendre un gaz de plus en plus raréfié pour que sa densité tende vers zéro. Dans un tel gaz, en effet, le volume à température décroissante tendra vers le limitant, proche de zéro.

Trouvez la valeur zéro absolue sur l'échelle Celsius. Volume égal V dansformule (3.6.4) à zéro et en tenant compte du fait que

Par conséquent, la température zéro absolue est

* Valeur plus précise du zéro absolu: -273,15 ° С.

C'est la température extrême, la plus basse de la nature, ce "plus grand ou dernier degré de froid", dont l'existence a prédit Lomonosov.

Échelle Kelvin

Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - un physicien anglais exceptionnel, l'un des fondateurs de la thermodynamique et de la théorie cinétique moléculaire des gaz.

Kelvin a introduit une échelle de température absolue et a donné l'une des formulations de la deuxième loi de la thermodynamique sous la forme de l'impossibilité de conversion complète de la chaleur en travail. Il a calculé la taille des molécules en fonction de la mesure de l'énergie de surface du liquide. En relation avec la pose du câble télégraphique transatlantique, Kelvin a développé la théorie des oscillations électromagnétiques et a dérivé une formule pour la période d'oscillations libres dans le circuit. W. Thomson a reçu le titre de Lord Kelvin pour ses réalisations scientifiques.

Le scientifique anglais W. Kelvin a introduit une échelle de température absolue. La température zéro sur l'échelle Kelvin correspond au zéro absolu, et l'unité de température sur cette échelle est égale aux degrés Celsius, donc la température absolue Test liée à la température sur l'échelle Celsius par la formule

(3.7.6)

La figure 3.11 montre l'échelle absolue et l'échelle Celsius à des fins de comparaison.

L'unité de température absolue en SI est appelée le kelvin (abrégé K). Par conséquent, un degré sur l'échelle Celsius est égal à un degré sur l'échelle Kelvin: 1 ° C \u003d 1 K.

Ainsi, la température absolue, selon la définition donnée par la formule (3.7.6), est une valeur dérivée qui dépend de la température Celsius et de la valeur expérimentalement déterminée de a. Cependant, il est d'une importance fondamentale.

Du point de vue de la théorie cinétique moléculaire, la température absolue est liée à l'énergie cinétique moyenne du mouvement chaotique des atomes ou des molécules. Quand T \u003dO K le mouvement thermique des molécules s'arrête. Ceci est discuté plus en détail au chapitre 4.

Dépendance du volume à la température absolue

En utilisant l'échelle de Kelvin, la loi de Gay-Lussac (3.6.4) peut être écrite sous une forme plus simple. Comme

(3.7.7)

Le volume de gaz d'une masse donnée à pression constante est directement proportionnel à la température absolue.

Il en résulte que le rapport des volumes de gaz de même masse dans différents états à la même pression est égal au rapport des températures absolues:

(3.7.8)

Il existe une température minimale possible à laquelle le volume (et la pression) d'un gaz idéal passe à zéro. C'est la température zéro absolue:-273 ° C Il est pratique de lire la température à partir du zéro absolu. C'est ainsi que se construit l'échelle de température absolue.

Une température de -273,15 ° C correspond au zéro absolu.

On pense que le zéro absolu est inaccessible en pratique. Son existence et sa position sur l'échelle de température découlent de l'extrapolation des phénomènes physiques observés, alors qu'une telle extrapolation montre qu'au zéro absolu l'énergie du mouvement thermique des molécules et des atomes d'une substance doit être égale à zéro, c'est-à-dire que le mouvement chaotique des particules s'arrête et qu'elles forment une structure ordonnée, occupant position claire dans les nœuds du réseau cristallin. Cependant, en fait, même à température nulle absolue, les mouvements réguliers des particules constituant la substance resteront. Les vibrations restantes, par exemple les vibrations du point zéro, sont dues aux propriétés quantiques des particules et au vide physique qui les entoure.

À l'heure actuelle, dans les laboratoires de physique, il a été possible d'obtenir des températures dépassant le zéro absolu de quelques millionièmes de degré seulement; il est impossible de l'atteindre, selon les lois de la thermodynamique.

Remarques

Littérature

G. Burmin. Assaut sur le zéro absolu. - M.: "Littérature pour enfants", 1983.

voir également

Fondation Wikimedia. 2010.

Synonymes:

Voyez ce que signifie "zéro absolu" dans d'autres dictionnaires:

Les températures, origine de la température sur l'échelle de température thermodynamique (voir ÉCHELLE DE TEMPÉRATURE THERMODYNAMIQUE). Le zéro absolu est situé à 273,16 ° С en dessous de la température du point triple (voir TRIPLE POINT) de l'eau, pour laquelle il est accepté ... ... Dictionnaire encyclopédique

Les températures, origine de la température sur l'échelle de température thermodynamique. Le zéro absolu est situé à 273,16 ° C sous le point triple de l'eau (0,01 ° C). Le zéro absolu est fondamentalement inaccessible, les températures ont été pratiquement atteintes, ... ... Encyclopédie moderne

Tempère l'origine de la température sur une échelle de température thermodynamique. Le zéro absolu est situé à 273,16 ° C en dessous de la température du point triple de l'eau, pour laquelle une valeur de 0,01 ° C est prise. Le zéro absolu est fondamentalement inaccessible (voir ... ... Grand dictionnaire encyclopédique

La température, exprimant l'absence de chaleur, est égale à 218 ° C. Dictionnaire de mots étrangers inclus dans la langue russe. Pavlenkov F., 1907. Température zéro absolu (physique) - la température la plus basse possible (273,15 ° C). Grand dictionnaire ... ... Dictionnaire des mots étrangers de la langue russe

zéro absolu - La température extrêmement basse à laquelle s'arrête le mouvement thermique des molécules, dans l'échelle Kelvin, le zéro absolu (0 ° K) correspond à –273,16 ± 0,01 ° С ... Dictionnaire de géographie

Présent, nombre de synonymes: 15 rond zéro (8) petite personne (32) petite frite ... Dictionnaire de synonymes

Température extrêmement basse à laquelle le mouvement thermique des molécules s'arrête. La pression et le volume d'un gaz idéal, selon la loi de Boyle Marriott, deviennent égaux à zéro, et le point de départ de la température absolue sur l'échelle Kelvin est pris ... ... Dictionnaire écologique

zéro absolu - - [A.S. Goldberg. Le dictionnaire anglais russe de l'énergie. 2006] Thèmes énergie en général EN zeropoint ... Guide du traducteur technique

L'origine de la température absolue. Correspond à 273,16 ° C.Aujourd'hui, dans les laboratoires de physique, il a été possible d'obtenir une température dépassant le zéro absolu de quelques millionièmes de degré seulement, mais de l'atteindre, selon les lois ... ... Encyclopédie de Collier

zéro absolu - absoliutusis nulis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės températūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. Tai 273,16 ° C, 459,69 ° F arba 0 K températûra. atitikmenys: angl. ... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

zéro absolu - absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 ° C). atitikmenys: angl. zéro absolu rus. zéro absolu ... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Lorsque le bulletin météo prédit une température de l'ordre de zéro, il ne faut pas aller à la patinoire: la glace fondra. La température de fonte de la glace correspond à zéro degré Celsius - l'échelle de température la plus courante.
Nous connaissons très bien les degrés négatifs de l'échelle Celsius - degrés<ниже нуля>, degrés de froid. La température la plus basse sur Terre a été enregistrée en Antarctique: -88,3 ° C. En dehors de la Terre, des températures encore plus basses sont possibles: à la surface de la Lune à minuit lunaire, elles peuvent atteindre - 160 ° C.
Mais nulle part il ne peut y avoir de températures arbitrairement basses. La température extrêmement basse - zéro absolu - sur l'échelle Celsius correspond à - 273,16 °.
L'échelle de température absolue, l'échelle Kelvin, provient du zéro absolu. La glace fond à 273,16 ° Kelvin et l'eau bout à 373,16 ° K. Ainsi, le degré K est égal au degré C. Mais sur l'échelle Kelvin, toutes les températures sont positives.
Pourquoi 0 ° K est-il la limite du froid?
La chaleur est un mouvement chaotique d'atomes et de molécules d'une substance. Lorsqu'une substance est refroidie, l'énergie thermique en est retirée et le mouvement aléatoire des particules est affaibli. Après tout, avec un fort refroidissement, le thermique<пляска> les particules sont presque complètement arrêtées. Les atomes et les molécules gèlent complètement à une température considérée comme zéro absolu. Selon les principes de la mécanique quantique, à zéro absolu, ce serait le mouvement thermique des particules qui cesserait, mais les particules elles-mêmes ne gèleraient pas, car elles ne peuvent pas être au repos complet. Ainsi, à zéro absolu, les particules doivent toujours conserver une sorte de mouvement, appelé zéro.

Cependant, refroidir une substance à une température inférieure au zéro absolu est un plan aussi dénué de sens que, par exemple, l'intention<идти медленнее, чем стоять на месте>.

De plus, même atteindre le zéro absolu exact est presque impossible. Vous ne pouvez que vous en rapprocher. Parce que la totalité de son énergie thermique ne peut en aucun cas être retirée d'une substance. Une partie de l'énergie thermique reste pendant le refroidissement le plus profond.
Comment atteindre des températures ultra-basses?
Il est plus difficile de congeler une substance que de la chauffer. Cela peut être vu au moins à partir de la comparaison de l'appareil de la cuisinière et du réfrigérateur.
Dans la plupart des réfrigérateurs ménagers et industriels, la chaleur est évacuée en raison de l'évaporation d'un liquide spécial - le fréon, qui circule à travers des tubes métalliques. Le secret est que le fréon ne peut être à l'état liquide qu'à une température suffisamment basse. Dans la chambre frigorifique, en raison de la chaleur de la chambre, il se réchauffe et bout, se transformant en vapeur. Mais la vapeur est comprimée par le compresseur, liquéfiée et entre dans l'évaporateur, compensant la perte de fréon qui s'évapore. De l'énergie est consommée pour faire fonctionner le compresseur.
Dans les refroidisseurs profonds, le transporteur de froid est un liquide ultra-froid - l'hélium liquide. Incolore, léger (8 fois plus léger que l'eau), il bout sous pression atmosphérique à 4,2 ° K, et sous vide à 0,7 ° K. L'isotope léger de l'hélium donne une température encore plus basse: 0,3 ° K.
Il est assez difficile de disposer d'un réfrigérateur permanent à l'hélium. La recherche est menée simplement dans des bains d'hélium liquide. Les physiciens utilisent différentes astuces pour liquéfier ce gaz. Par exemple, l'hélium prérefroidi et comprimé est expansé en le libérant à travers un trou mince dans une chambre à vide. Dans ce cas, la température baisse encore et une partie du gaz se transforme en liquide. Il est plus efficace non seulement de dilater le gaz refroidi, mais aussi de lui faire faire le travail - pour déplacer le piston.
L'hélium liquide résultant est stocké dans des thermos spéciaux - des récipients Dewar. Le coût de ce liquide le plus froid (le seul qui ne gèle pas à zéro absolu) s'avère assez élevé. Néanmoins, l'hélium liquide est de plus en plus utilisé aujourd'hui, non seulement dans la science, mais aussi dans divers appareils techniques.
Les températures les plus basses ont été atteintes d'une manière différente. Il s'avère que les molécules de certains sels, par exemple l'alun de potassium et de chrome, peuvent tourner le long des lignes de force magnétiques. Ce sel est pré-refroidi à l'hélium liquide à 1 ° K et placé dans un champ magnétique puissant. Dans ce cas, les molécules tournent le long des lignes de force et la chaleur dégagée est évacuée par l'hélium liquide. Ensuite, le champ magnétique est brusquement éliminé, les molécules tournent à nouveau dans différentes directions et le

ce travail conduit à un refroidissement supplémentaire du sel. C'est ainsi que l'on obtient une température de 0,001 ° K. Par une méthode similaire, en principe, en utilisant d'autres substances, une température encore plus basse peut être obtenue.
La température la plus basse obtenue jusqu'à présent sur Terre est de 0,00001 ° K.

Superfluidité

La substance congelée à des températures ultra-basses dans des bains contenant de l'hélium liquide change considérablement. Le caoutchouc devient cassant, le plomb devient dur comme l'acier et résilient, et de nombreux alliages augmentent la résistance.

L'hélium liquide lui-même se comporte d'une manière particulière. À des températures inférieures à 2,2 ° K, il acquiert une propriété sans précédent pour les liquides ordinaires - la superfluidité: une partie perd complètement sa viscosité et s'écoule sans frottement à travers les fentes les plus étroites.
Ce phénomène, découvert en 1937 par l'académicien physicien soviétique P. JI. Kapitsa, a ensuite été expliqué par l'académicien JI. D. Landau.
Il s'avère qu'à des températures extrêmement basses, les lois quantiques du comportement de la matière commencent à se manifester de manière visible. Comme l'une de ces lois l'exige, l'énergie ne peut être transférée d'un corps à l'autre que dans des portions-quanta bien définies. Il y a si peu de quanta de chaleur dans l'hélium liquide qu'ils ne sont pas suffisants pour tous les atomes. Une partie du liquide, dépourvue de quanta de chaleur, reste pour ainsi dire à température nulle absolue, ses atomes ne participent pas du tout au mouvement thermique aléatoire et n'interagissent en aucune façon avec les parois du vaisseau. Cette partie (elle s'appelait hélium-H) et a une superfluidité. Avec une diminution de la température, l'hélium-P devient de plus en plus, et au zéro absolu, tout l'hélium se transformerait en hélium-H.
La superfluidité a maintenant été étudiée en détail et a même trouvé une application pratique utile: avec son aide, il est possible de séparer les isotopes d'hélium.

Supraconductivité

Près du zéro absolu, des changements extrêmement curieux se produisent dans les propriétés électriques de certains matériaux.
En 1911, le physicien néerlandais Kamerling-Onnes a fait une découverte inattendue: il s'est avéré qu'à une température de 4,12 ° K, la résistance électrique au mercure disparaît complètement. Le mercure devient un supraconducteur. Le courant électrique induit dans l'anneau supraconducteur ne se désintègre pas et peut circuler presque indéfiniment.
Au-dessus d'un tel anneau, une balle supraconductrice flottera dans les airs et ne tombera pas comme un fabuleux<гроб Магомета>car son poids est compensé par la répulsion magnétique entre l'anneau et la balle. Après tout, un courant continu dans l'anneau créera un champ magnétique, ce qui, à son tour, induira un courant électrique dans la balle et, avec lui, un champ magnétique dirigé de manière opposée.
En plus du mercure, l'étain, le plomb, le zinc et l'aluminium ont une supraconductivité proche du zéro absolu. Cette propriété a été trouvée dans 23 éléments et plus d'une centaine d'alliages différents et autres composés chimiques.
Les températures d'apparition de la supraconductivité (températures critiques) constituent une gamme assez large - de 0,35 ° K (hafnium) à 18 ° K (alliage niobium-étain).
Le phénomène de la supraconductivité, comme le super-
fluidité, étudiée en détail. On trouve les dépendances des températures critiques sur la structure interne des matériaux et le champ magnétique externe. Une théorie approfondie de la supraconductivité a été développée (une contribution importante a été apportée par l'académicien scientifique soviétique N.N. Bogolyubov).
L'essence de ce phénomène paradoxal est encore une fois purement quantique. Aux températures ultra-basses, les électrons

les supraconducteurs forment un système de particules connectées par paires qui ne peuvent pas donner d'énergie au réseau cristallin, dépensent des quanta d'énergie pour le chauffer. Les paires d'électrons se déplacent comme si<танцуя>, entre<прутьями решетки> - les ions et les contourner sans collisions ni transfert d'énergie.
La supraconductivité est de plus en plus utilisée dans la technologie.
Par exemple, les solénoïdes supraconducteurs - des bobines supraconductrices immergées dans l'hélium liquide - entrent en pratique. Ils peuvent stocker un courant induit une fois et, par conséquent, un champ magnétique pendant une durée arbitrairement longue. Il peut atteindre une taille gigantesque - plus de 100 000 oersted. Dans le futur, apparaîtront sans aucun doute de puissants dispositifs supraconducteurs industriels - moteurs électriques, électroaimants, etc.
Dans l'électronique radio, les amplificateurs et générateurs d'ondes électromagnétiques supersensibles commencent à jouer un rôle important, qui fonctionnent particulièrement bien dans les bains à l'hélium liquide, où<шумы> équipement. Dans la technologie de l'informatique électronique, un avenir radieux est promis aux interrupteurs supraconducteurs de faible puissance - les cryotrons (voir art.<Пути электроники>).
Il n'est pas difficile d'imaginer à quel point il serait tentant de pousser le fonctionnement de tels dispositifs dans la région des températures plus élevées et plus accessibles. Récemment, il y a eu un espoir de créer des supraconducteurs à film polymère. La nature particulière de la conductivité électrique dans ces matériaux promet une opportunité brillante de préserver la supraconductivité même à température ambiante. Les scientifiques recherchent constamment des moyens de concrétiser cet espoir.

Au fond des étoiles

Et maintenant, regardons dans le domaine de la chose la plus chaude au monde - dans les entrailles des étoiles. Là où les températures atteignent des millions de degrés.
Le mouvement thermique désordonné des étoiles est si intense que des atomes entiers ne peuvent y exister: ils sont détruits dans d'innombrables collisions.
Par conséquent, une telle substance hautement incandescente ne peut pas être solide, liquide ou gazeuse. Il est dans un état de plasma, c'est-à-dire un mélange de<осколков> atomes - noyaux atomiques et électrons.
Le plasma est une sorte d'état de la matière. Comme ses particules sont chargées électriquement, elles sont sensibles aux forces électriques et magnétiques. Par conséquent, la proximité étroite de deux noyaux atomiques (ils portent une charge positive) est un phénomène rare. Ce n'est qu'à des densités élevées et à des températures énormes que les noyaux atomiques se heurtent capables de s'approcher de près. Ensuite, des réactions thermonucléaires ont lieu - la source d'énergie pour les étoiles.
L'étoile la plus proche de nous - le Soleil - se compose principalement de plasma d'hydrogène, qui est chauffé dans les entrailles de l'étoile jusqu'à 10 millions de degrés. Dans de telles conditions, des rencontres rapprochées de noyaux d'hydrogène rapides - protons, bien que rares, se produisent. Parfois les protons qui approchent interagissent: après avoir surmonté la répulsion électrique, ils tombent dans la puissance de forces nucléaires géantes d'attraction, rapidement<падают> les uns sur les autres et fusionnent. Un réarrangement instantané a lieu ici: au lieu de deux protons, un deutéron (le noyau d'un isotope d'hydrogène lourd), un positron et un neutrino apparaissent. L'énergie libérée est de 0,46 million d'électrons volts (MeV).
Chaque proton solaire individuel peut entrer dans une telle réaction en moyenne une fois tous les 14 milliards d'années. Mais il y a tellement de protons dans les profondeurs du luminaire que cet événement improbable se produit ici et là, et notre étoile brûle avec sa flamme uniforme et éblouissante.
La synthèse des deutons n'est que la première étape des transformations thermonucléaires solaires. Le deutéron nouveau-né se combine très rapidement (en moyenne après 5,7 secondes) avec un autre proton. Un noyau d'hélium léger et un quantum gamma de rayonnement électromagnétique apparaissent. 5,48 MeV d'énergie sont libérés.
Enfin, en moyenne, une fois tous les millions d'années, deux noyaux d'hélium léger peuvent converger et s'unir. Ensuite, un noyau d'hélium ordinaire (particule alpha) est formé et deux protons sont séparés. L'énergie libérée est de 12,85 MeV.
Ces trois étapes<конвейер> les réactions thermonucléaires ne sont pas les seules. Il y a une autre chaîne de transformations nucléaires, plus rapide. Il s'agit (sans gaspiller) de noyaux atomiques de carbone et d'azote. Mais dans les deux versions, les particules alpha sont synthétisées à partir de noyaux d'hydrogène. Au sens figuré, le plasma d'hydrogène du Soleil<сгорает>se transformer en<золу> - plasma d'hélium. Et dans le processus de synthèse de chaque gramme de plasma d'hélium, 175 000 kWh d'énergie sont libérés. Grande quantité!
Chaque seconde, le Soleil émet 4 1033 ergs d'énergie, perdant 4 1012 g (4 millions de tonnes) de matière en poids. Mais la masse totale du Soleil est de 2 1027 tonnes. Cela signifie que dans un million d’années, grâce au rayonnement du Soleil<худеет> seulement un dix-millionième partie de sa masse. Ces chiffres illustrent de manière éloquente l'efficacité des réactions thermonucléaires et la gigantesque teneur calorique du solaire<горючего> - l'hydrogène.
La fusion thermonucléaire semble être la principale source d'énergie pour toutes les étoiles. À différentes températures et densités de l'intérieur stellaire, différents types de réactions ont lieu. En particulier, solaire<зола>-noyau d'hélium - à 100 millions de degrés, il devient lui-même thermonucléaire<горючим>... Ensuite, même des noyaux atomiques plus lourds - carbone et même oxygène - peuvent être synthétisés à partir de particules alpha.
Comme de nombreux scientifiques le croient, toute notre métagalaxie dans son ensemble est également le fruit de la fusion thermonucléaire, qui a eu lieu à une température d'un milliard de degrés (voir Art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Au soleil artificiel

L'extraordinaire teneur en calories d'un thermonucléaire<горючего> a incité les scientifiques à rechercher la mise en œuvre artificielle de réactions de fusion nucléaire.
<Горючего> - Il existe de nombreux isotopes de l'hydrogène sur notre planète. Par exemple, l'hydrogène tritium super-lourd peut être produit à partir de lithium métal dans des réacteurs nucléaires. Et l'hydrogène lourd - le deutérium fait partie de l'eau lourde, qui peut être obtenue à partir d'eau ordinaire.
L'hydrogène lourd, extrait de deux verres d'eau ordinaire, donnerait dans un réacteur à fusion autant d'énergie que brûler un baril d'essence premium en donne maintenant.
La difficulté réside dans le préchauffage<горючее> à des températures auxquelles il est capable d'allumer un puissant feu thermonucléaire.
Pour la première fois, ce problème a été résolu dans une bombe à hydrogène. Les isotopes de l'hydrogène y sont enflammés par l'explosion d'une bombe atomique, qui s'accompagne d'un échauffement de la substance à plusieurs dizaines de millions de degrés. Dans l'une des variantes de la bombe à hydrogène, le combustible thermonucléaire est un composé chimique d'hydrogène lourd avec du lithium léger - deutéride léger l et etc. Cette poudre blanche comme le sel de table<воспламеняясь> de<спички>, qui sert de bombe atomique, explose instantanément et crée une température de centaines de millions de degrés.
Pour initier une réaction thermonucléaire pacifique, il faut tout d'abord apprendre à chauffer de petites doses d'un plasma suffisamment dense d'isotopes d'hydrogène à des températures de centaines de millions de degrés sans les services d'une bombe atomique. Ce problème est l'un des plus difficiles de la physique appliquée moderne. Des scientifiques du monde entier y travaillent depuis de nombreuses années.
Nous avons déjà dit que c'est le mouvement chaotique des particules qui crée l'échauffement des corps, et l'énergie moyenne de leur mouvement chaotique correspond à la température. Réchauffer un corps froid signifie créer ce trouble de quelque manière que ce soit.
Imaginez deux groupes de coureurs se précipitant l'un vers l'autre. Alors ils sont entrés en collision, se sont mélangés, une foule, la confusion a commencé. Grand bordel!
Dans un premier temps, les physiciens ont tenté d'obtenir des températures élevées en heurtant des jets de gaz à haute pression. Le gaz a été chauffé jusqu'à 10 mille degrés. À un moment donné, c'était un record: la température est plus élevée qu'à la surface du Soleil.
Mais avec cette méthode, un chauffage supplémentaire, plutôt lent et non explosif du gaz est impossible, car le désordre thermique se propage instantanément dans toutes les directions, réchauffant les parois de la chambre expérimentale et l'environnement. La chaleur générée quitte rapidement le système et ne peut pas être isolée.
Si les jets de gaz sont remplacés par des flux de plasma, le problème de l'isolation thermique reste très difficile, mais il y a aussi de l'espoir pour sa solution.
Certes, même le plasma ne peut pas être protégé de la perte de chaleur par des récipients constitués d'une substance, même la plus réfractaire. Le plasma chaud se refroidit immédiatement lorsqu'il touche des parois solides. Mais vous pouvez essayer de retenir et de chauffer le plasma, en créant son accumulation dans le vide afin qu'il ne touche pas les parois de la chambre, mais se bloque dans le vide, sans rien toucher. Ici, il faut profiter du fait que les particules de plasma ne sont pas neutres, comme les atomes de gaz, mais chargées électriquement. Par conséquent, en mouvement, ils sont exposés à des forces magnétiques. Le problème se pose: organiser un champ magnétique d'une configuration spéciale, dans laquelle le plasma chaud serait suspendu comme dans un sac à parois invisibles.
La forme la plus simple d'un tel p.ele est créée automatiquement lorsque de fortes impulsions de courant électrique traversent le plasma. Dans ce cas, des forces magnétiques sont induites autour du filament de plasma, qui ont tendance à comprimer le filament. Le plasma est séparé des parois du tube à décharge, et près de l'axe du cordon dans la masse de particules, la température monte à 2 millions de degrés.
Dans notre pays, de telles expériences ont été réalisées en 1950 sous la direction d'académiciens JI. A. Artsimovich et M. A. Leontovich.
Une autre direction d'expérimentation est l'utilisation d'une bouteille magnétique proposée en 1952 par le physicien soviétique GI Budker, aujourd'hui académicien. La bouteille magnétique est disposée dans une cellule miroir - une chambre à vide cylindrique équipée d'un enroulement extérieur qui s'épaissit aux extrémités de la chambre. Le courant traversant l'enroulement crée un champ magnétique dans la chambre. Ses lignes de force dans la partie médiane sont parallèles à la génératrice du cylindre, et aux extrémités elles sont comprimées et forment des bouchons magnétiques. Des particules de plasma injectées dans une bouteille magnétique s'enroulent autour des lignes de force et sont réfléchies par les bouchons. En conséquence, le plasma est retenu pendant un certain temps à l'intérieur du flacon. Si l'énergie des particules de plasma introduites dans la bouteille est suffisamment grande et qu'il y en a suffisamment, elles entrent dans des interactions de force complexes, leur mouvement initialement ordonné s'emmêle, devient désordonné - la température des noyaux d'hydrogène s'élève à des dizaines de millions de degrés.
Un chauffage supplémentaire est réalisé par électromagnétique<ударами> sur le plasma, la compression du champ magnétique, etc. Maintenant, le plasma des noyaux d'hydrogène lourds est chauffé à des centaines de millions de degrés. Certes, cela peut être fait pendant une courte période ou à une faible densité de plasma.
Afin d'initier une réaction auto-entretenue, la température et la densité du plasma doivent être augmentées davantage. C'est difficile à réaliser. Cependant, le problème, comme les scientifiques en sont convaincus, est incontestable.

G.B. Anfilov

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Le terme «température» est apparu à une époque où les physiciens pensaient que les corps chauds étaient constitués d'une substance plus spécifique - calorique - que les mêmes corps, mais froids. Et la température était interprétée comme une valeur correspondant à la quantité de calories dans le corps. Depuis lors, la température de n'importe quel corps a été mesurée en degrés. Mais en fait, il s'agit d'une mesure de l'énergie cinétique des molécules en mouvement et, sur cette base, elle doit être mesurée en Joules, conformément au système d'unités C.

Le concept de "température nulle absolue" provient de la deuxième loi de la thermodynamique. Selon lui, le processus de transfert de chaleur d'un corps froid à un corps chaud est impossible. Ce concept a été introduit par le physicien anglais W. Thomson. Pour ses réalisations en physique, il a reçu le titre de noblesse "seigneur" et le titre de "baron Kelvin". En 1848, W. Thomson (Kelvin) proposa d'utiliser une échelle de température, dans laquelle le point de départ était considéré comme la température zéro absolue correspondant au froid extrême, et le degré de Celsius était considéré comme une division. L'unité Kelvin est 1/27316 de la fraction de température du point triple de l'eau (environ 0 ° C), c'est-à-dire température à laquelle l'eau pure se présente immédiatement sous trois formes: glace, eau liquide et vapeur. La température est la basse température la plus basse possible à laquelle le mouvement des molécules s'arrête et il n'est plus possible d'extraire l'énergie thermique de la substance. Depuis, l'échelle des températures absolues porte son nom.

La température est mesurée à différentes échelles

L'échelle de température la plus couramment utilisée est appelée l'échelle Celsius. Il est construit en deux points: à la température de la transition de phase de l'eau du liquide à la vapeur et de l'eau à la glace. A. Celsius en 1742 a proposé de diviser la distance entre les points de référence en 100 intervalles, et de prendre l'eau comme zéro, tandis que le point de congélation est de 100 degrés. Mais le Suédois K. Linnaeus a suggéré de faire le contraire. Depuis, l'eau gèle à zéro degré A. Celsius. Bien qu'exactement Celsius, il devrait bouillir. Le zéro absolu en Celsius correspond à moins 273,16 degrés Celsius.

Il existe plusieurs autres échelles de température: Fahrenheit, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. Ils ont également des prix de division différents. Par exemple, l'échelle de Reaumur est également construite sur les points d'ébullition et de congélation de l'eau, mais elle comporte 80 divisions. L'échelle Fahrenheit, apparue en 1724, n'est utilisée dans la vie quotidienne que dans certains pays du monde, dont les USA; l'un est la température du mélange de glace d'eau - ammoniaque et l'autre est la température du corps humain. L'échelle est divisée en cent divisions. Zéro Celsius correspond à 32 La conversion des degrés Fahrenheit peut être effectuée en utilisant la formule: F \u003d 1,8 C + 32. Traduction inverse: C \u003d (F - 32) / 1,8, où: F - degrés Fahrenheit, C - degrés Celsius. Si vous êtes trop paresseux pour compter, accédez au service en ligne de conversion Celsius en Fahrenheit. Dans la case tapez le nombre de degrés Celsius, cliquez sur "Calculer", sélectionnez "Fahrenheit" et cliquez sur "Démarrer". Le résultat apparaîtra immédiatement.

Nommé d'après le physicien anglais (plus précisément écossais) William J. Rankin, qui était un contemporain de Calvin et l'un des fondateurs de la thermodynamique technique. Il y a trois points importants sur son échelle: le début est le zéro absolu, le point de congélation de l'eau est de 491,67 degrés Rankin et le point d'ébullition de l'eau est de 671,67 degrés. Le nombre de divisions entre la congélation de l'eau et son ébullition pour Rankin et Fahrenheit est de 180.

La plupart de ces échelles sont utilisées exclusivement par les physiciens. Et 40% des lycéens américains interrogés ces jours-ci ont déclaré ne pas savoir ce qu'est la température zéro absolue.