Hem / Relationer / Hur många grader är absolut noll. Absolut Zero: Discovery History och Main Application

Hur många grader är absolut noll. Absolut Zero: Discovery History och Main Application

- 48,67 Kb

Federal State Budgetary Education Institution of Higher Professional Education

Voronezh State Pedagogical University

Institutionen för allmän fysik

om ämnet: "Absolut noll temperatur"

Slutförd av: 1: a student, FMF,

PI, Kondratenko Irina Alexandrovna

Kontrollerad av: Assistent vid generaldepartementet

fysiker G.V. Afonin

Voronezh-2013

Introduktion ……………………………………………………………. 3

1.Absolute zero ………………………………………… ... 4

2.Historia ………………………………………………………… 6

3. Fenomen observerade nära absolut noll ……… ..9

Slutsats ……………………………………………………… 11

Lista över begagnad litteratur ………………………… ..12

Introduktion

Under många år har forskare närmat sig absolut noll temperatur. Som känt kännetecknar temperaturen lika med absolut noll grundtillståndet för ett system med många partiklar - tillståndet med lägsta möjliga energi, vid vilken atomer och molekyler utför så kallade "noll" -vibrationer. Således öppnar djupkylning, nära absolut noll (man tror att absolut noll i sig är ouppnåelig i praktiken), obegränsade möjligheter för att studera materiens egenskaper.

1. Absolut noll

Absolut noll temperatur (mindre ofta - absolut noll temperatur) - den lägsta temperaturgräns som en fysisk kropp i universum kan ha. Absolut noll är ursprunget för en absolut temperaturskala, såsom Kelvin-skalan. 1954 upprättade X: s allmänna konferens om vikter och mått en termodynamisk temperaturskala med en referenspunkt - en trippelpunkt för vatten, vars temperatur togs 273,16 K (exakt), vilket motsvarar 0,01 ° C, så att temperaturen på Celsius-skala motsvarar absolut noll −273,15 ° C.

Inom ramen för termodynamikens tillämpbarhet är absolut noll ouppnåelig i praktiken. Dess existens och position på temperaturskalan följer av extrapolering av de observerade fysiska fenomenen, medan sådan extrapolering visar att vid absolut noll ska energin för den termiska rörelsen för molekyler och atomer i ett ämne vara lika med noll, det vill säga partiklarnas kaotiska rörelse stannar, och de bildar en ordnad struktur, upptar tydlig position i kristallgitterets noder (flytande helium är ett undantag). Men ur kvantfysikens synvinkel och vid absolut noll temperatur finns det nollpunktssvängningar, som beror på kvantegenskaperna hos partiklar och det fysiska vakuumet som omger dem.

Eftersom systemets temperatur tenderar att vara absolut noll, tenderar dess entropi, värmekapacitet, värmeutvidgningskoefficient också till noll och den kaotiska rörelsen hos partiklarna som utgör systemet slutar. Med ett ord blir materia supermateria med supraledning och superfluiditet.

I praktiken är absolut noll temperatur ouppnåelig, och att erhålla temperaturer som är extremt nära det är ett svårt experimentellt problem, men temperaturer har redan erhållits som är bara miljondelar av en grad bort från absolut noll. ...

Hitta värdet absolut noll på Celsius-skalan, jämföra volymen V till noll och ta hänsyn till det

Följaktligen är den absoluta nolltemperaturen -273 ° C.

Detta är den extrema, den lägsta temperaturen i naturen, den "största eller sista graden av kyla", vars existens förutspådde Lomonosov.

Figur 1. Absolut skala och Celsius skala

SI-enheten med absolut temperatur kallas kelvin (förkortat K). Därför är en grad på Celsius-skalan lika med en grad på Kelvin-skalan: 1 ° C \u003d 1 K.

Således är den absoluta temperaturen en härledd kvantitet som beror på Celsius-temperaturen och det experimentellt bestämda värdet av a. Det är dock av grundläggande betydelse.

Ur synvinkeln för molekylär kinetisk teori är absolut temperatur relaterad till den genomsnittliga kinetiska energin för den kaotiska rörelsen hos atomer eller molekyler. Vid T \u003d O K stoppar molekylernas termiska rörelse.

2. Historia

Det fysiska begreppet "absolut noll temperatur" är mycket viktigt för modern vetenskap: det är nära besläktat med ett sådant koncept som superledningsförmåga, vars upptäckt gjorde ett stänk under andra hälften av 1900-talet.

För att förstå vad en absolut noll är bör man vända sig till verk av så kända fysiker som G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac och W. Thomson. De spelade en nyckelroll i skapandet av de viktigaste temperaturskalorna som hittills använts.

Den första som erbjöd sin temperaturskala 1714 var den tyska fysikern G. Fahrenheit. Samtidigt togs blandningens temperatur, som inkluderade snö och ammoniak, som en absolut noll, det vill säga för den lägsta punkten i denna skala. Nästa viktiga indikator var den normala människokroppstemperaturen, som började motsvara 1000. Följaktligen kallades varje uppdelning av denna skala "grader Fahrenheit", och själva skalan - "Fahrenheit-skala".

Trettio år senare föreslog den svenska astronomen A. Celsius sin egen temperaturskala, där huvudpunkterna var smältpunkten för is och kokpunkten för vatten. Denna skala kallades "Celsius-skalan", den är fortfarande populär i de flesta länder i världen, inklusive Ryssland.

1802, genomföra sina berömda experiment, upptäckte den franska forskaren J. Gay-Lussac att volymen av en gasmassa vid konstant tryck står i direkt proportion till temperaturen. Men det mest märkliga var att när temperaturen ändrades med 10 grader Celsius, ökade eller minskade gasvolymen med samma mängd. Efter att ha gjort de nödvändiga beräkningarna fann Gay-Lussac att detta värde var lika med 1/273 av gasvolymen. Följande slutsats följde av denna lag: temperaturen lika med -273 ° С är den lägsta temperaturen, även om du kommer nära den är det omöjligt att nå den. Det är denna temperatur som har fått namnet "absolut noll temperatur". Dessutom blev absolut noll utgångspunkten för skapandet av den absoluta temperaturskalan, där den engelska fysikern W. Thomson, även känd som Lord Kelvin, deltog aktivt. Hans huvudsakliga forskning gällde beviset för att ingen kropp i naturen kan kylas under absolut noll. Samtidigt använde han aktivt den andra lagen om termodynamik, därför började den absoluta temperaturskalan som introducerades av honom 1848 kallas termodynamik eller "Kelvin-skala". Under efterföljande år och årtionden skedde endast en numerisk förfining av begreppet "absolut noll".

Fig. 2. Förhållandet mellan temperaturskalor Fahrenheit (F), Celsius (C) och Kelvin (K).

Det är också värt att notera att absolut noll spelar en mycket viktig roll i SI-systemet. Saken är att 1960 vid nästa generalkonferens om vikter och mått blev enheten för termodynamisk temperatur - kelvin - en av de sex grundläggande måttenheterna. Samtidigt bestämdes det särskilt att en grad Kelvin

den är numeriskt lika med en grad Celsius, förutom att absolut noll anses vara referenspunkten "enligt Kelvin".

Den huvudsakliga fysiska betydelsen av absolut noll är att enligt de grundläggande fysiska lagarna vid en sådan temperatur är rörelsenergin hos elementära partiklar, såsom atomer och molekyler, noll, och i detta fall bör all kaotisk rörelse av just dessa partiklar stoppas. Vid en temperatur som är lika med absolut noll bör atomer och molekyler ta en tydlig position vid kristallgitterets huvudpunkter och bilda ett ordnat system.

För närvarande har forskare med hjälp av specialutrustning kunnat få en temperatur som bara är några få delar per miljon högre än absolut noll. Det är fysiskt omöjligt att uppnå detta värde på grund av termodynamikens andra lag.

3 Fenomen observerade nära absolut noll

Vid temperaturer nära absolut noll kan rent kvanteffekter observeras på makroskopisk nivå, såsom:

1. Superledningsförmåga - egenskapen hos vissa material att ha strikt noll elektrisk resistans när de når en temperatur under ett visst värde (kritisk temperatur). Flera hundratals föreningar, rena element, legeringar och keramik är kända som går i ett supraledande tillstånd.

Supraledning är ett kvantfenomen. Det kännetecknas också av Meissner-effekten, som består i fullständig förskjutning magnetiskt fält från huvuddelen av superledaren. Förekomsten av denna effekt visar att supraledning inte bara kan beskrivas som ideal ledningsförmåga i klassisk mening. Öppnade 1986-1993 ett antal superledare med hög temperatur (HTSC) har skjutit supergränsledningens temperaturgräns långt och gjort det möjligt att praktiskt taget använda supraledande material inte bara vid temperaturen i flytande helium (4,2 K) utan också vid kokpunkten för flytande kväve (77 K), en mycket billigare kryogen vätska.

2. Superfluiditet är förmågan hos ett ämne i ett speciellt tillstånd (kvantvätska), som uppstår när temperaturen sjunker till absolut noll (termodynamisk fas), att strömma genom smala slitsar och kapillärer utan friktion. Fram till nyligen var superfluiditet endast känd för flytande helium, men i senaste åren superfluiditet upptäcktes också i andra system: i sällsynta atomiska Bose-kondensat, fast helium.

Superfluiditet förklaras enligt följande. Eftersom heliumatomer är bosoner tillåter kvantmekanik ett godtyckligt antal partiklar att vara i ett tillstånd. Nästan absolut noll temperatur är alla heliumatomer i markenergiläge. Eftersom tillstånden i staten är diskret kan en atom inte ta emot någon energi utan bara den som är lika med energigapet mellan angränsande energinivåer. Men vid låga temperaturer kan kollisionsenergin vara mindre än detta värde, vilket leder till att energiförlust helt enkelt inte kommer att inträffa. Vätskan flyter utan friktion.

3. Bose - Einstein-kondensat är ett sammanlagt tillstånd av materia, som baseras på bosoner som kyls till temperaturer nära absolut noll (mindre än en miljonedel av en grad över absolut noll). I ett så kallt tillstånd räcker det stort nummer atomer är i sina minsta möjliga kvanttillstånd och kvanteffekter börjar manifestera sig på makroskopisk nivå.

Slutsats

Studiet av materiens egenskaper nära absolut noll är av stort intresse för vetenskap och teknik.

Många egenskaper hos ett ämne, täckt vid rumstemperatur av termiska fenomen (till exempel termiskt brus), med sjunkande temperatur börjar manifestera sig mer och mer, vilket gör det möjligt att i ren form studera de regelbundenheter och förhållanden som är inneboende i detta ämne. Forskning inom området låga temperaturer har gjort det möjligt att upptäcka många nya naturfenomen, såsom superfluiditet i helium och superledningsförmåga hos metaller.

Vid låga temperaturer förändras materialens egenskaper dramatiskt. Vissa metaller ökar sin hållfasthet, blir duktila, andra blir spröda, som glas.

Studiet av fysikaliska och kemiska egenskaper vid låga temperaturer gör det möjligt i framtiden att skapa nya ämnen med förutbestämda egenskaper. Allt detta är mycket värdefullt för design och skapande av rymdskepp, stationer och instrument.

Det är känt att den mottagna radiosignalen i radarstudier av rymdkroppar är mycket liten och det är svårt att skilja den från olika ljud. Nyligen utvecklade molekylära oscillatorer och förstärkare arbetar vid mycket låga temperaturer och har därför mycket låga ljudnivåer.

Låg temperatur elektrisk och magnetiska egenskaper metaller, halvledare och dielektrikum möjliggör utveckling av fundamentalt nya radiotekniska enheter med mikroskopiska dimensioner.

Ultra-låga temperaturer används för att skapa det vakuum som behövs, till exempel för att driva gigantiska kärnpartikelacceleratorer.

Bibliografi

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

Kort beskrivning

Den begränsande temperaturen vid vilken volymen för en idealgas blir noll tas som absolut noll temperatur. Volymen av riktiga gaser vid absolut noll temperatur kan dock inte försvinna. Är den här temperaturgränsen vettig då?

Den begränsande temperaturen, vars existens följer av Gay-Lussac-lagen, är vettigt, eftersom det i praktiken är möjligt att föra egenskaperna hos en riktig gas närmare egenskaperna hos en idealisk. För detta är det nödvändigt att ta en alltmer sällsynt gas så att densiteten tenderar att vara noll. I en sådan gas tenderar volymen med sjunkande temperatur att vara den begränsande, nära noll.

Hitta det absoluta nollvärdet på Celsius-skalan. Utjämningsvolym V iformel (3.6.4) till noll och med hänsyn till det

Följaktligen är den absoluta noll temperaturen

* Mer exakt värde för absolut noll: -273,15 ° С.

Detta är den extrema, den lägsta temperaturen i naturen, den "största eller sista graden av kyla", vars existens förutspådde Lomonosov.

Kelvin-skala

Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - en enastående engelsk fysiker, en av grundarna av termodynamik och den molekylära kinetiska teorin om gaser.

Kelvin introducerade den absoluta temperaturskalan och gav en av formuleringarna i den andra lagen om termodynamik i form av omöjligheten till fullständig omvandling av värme till arbete. Han beräknade storleken på molekylerna baserat på mätningen av vätskans ytenergi. I samband med läggningen av den transatlantiska telegrafkabeln utvecklade Kelvin teorin om elektromagnetiska svängningar och härledde en formel för perioden med fria svängningar i kretsen. W. Thomson fick titeln Lord Kelvin för vetenskapliga meriter.

Den engelska forskaren W. Kelvin introducerade en absolut temperaturskala. Noll temperatur på Kelvin-skalan motsvarar absolut noll, och temperaturenheten på denna skala är lika med grader Celsius, så den absoluta temperaturen Tär relaterad till temperaturen på Celsius-skalan med formeln

(3.7.6)

Figur 3.11 visar den absoluta skalan och Celsius-skalan för jämförelse.

Enheten för absolut temperatur i SI kallas kelvin (förkortat K). Därför är en grad på Celsius-skalan lika med en grad på Kelvin-skalan: 1 ° C \u003d 1 K.

Således är den absoluta temperaturen, enligt definitionen som ges av formeln (3.7.6), ett derivatvärde som beror på Celsius-temperaturen och på det experimentellt bestämda värdet av a. Det är dock av grundläggande betydelse.

Ur synvinkeln för molekylär kinetisk teori är absolut temperatur relaterad till den genomsnittliga kinetiska energin för den kaotiska rörelsen hos atomer eller molekyler. När T \u003dO K molekylernas termiska rörelse slutar. Detta diskuteras mer detaljerat i kapitel 4.

Volymberoende på absolut temperatur

Med hjälp av Kelvin-skalan kan Gay-Lussacs lag (3.6.4) skrivas i en enklare form. Som

(3.7.7)

Volymen gas med en given massa vid konstant tryck är direkt proportionell mot den absoluta temperaturen.

Av detta följer att förhållandet mellan volymerna av gas med samma massa i olika tillstånd vid samma tryck är lika med förhållandet mellan absoluta temperaturer:

(3.7.8)

Det finns en minsta möjliga temperatur vid vilken volymen (och trycket) för en idealgas går till noll. Detta är absolut noll temperatur:-273 ° C Det är bekvämt att läsa temperaturen från absolut noll. Således är den absoluta temperaturskalan konstruerad.

En temperatur på -273,15 ° C motsvarar absolut noll.

Man tror att absolut noll inte kan uppnås i praktiken. Dess existens och position på temperaturskalan följer av extrapolering av de observerade fysiska fenomenen, medan sådan extrapolering visar att vid absolut noll ska energin för den termiska rörelsen för molekyler och atomer i ett ämne vara lika med noll, det vill säga partiklarnas kaotiska rörelse stannar, och de bildar en ordnad struktur, upptar tydlig position i kristallgitterets noder. Men i själva verket, även vid absolut noll temperatur, kommer de regelbundna rörelserna för de partiklar som utgör substansen att förbli. De återstående vibrationerna, till exempel nollpunktsvibrationer, beror på kvantegenskaperna hos partiklar och det fysiska vakuum som omger dem.

För närvarande i fysiklaboratorier har det varit möjligt att få temperaturer som överstiger absolut noll med bara några miljondelar av en grad; enligt termodynamikens lagar är det omöjligt att nå honom.

Anteckningar

Litteratur

G. Burmin. Angrepp på absolut noll. - M.: "Barnlitteratur", 1983.

se även

Wikimedia Foundation. 2010.

Synonymer:

Se vad "Absolut noll" är i andra ordböcker:

Temperaturer, ursprunget till temperaturavläsningen på en termodynamisk temperaturskala (se TERMODYNAMISK TEMPERATURSKALA). Absolut noll ligger vid 273,16 ° С under temperaturen på den tredubbla punkten (se TRIPLE POINT) för vatten, för vilken det accepteras ... ... encyklopedisk ordbok

Temperaturer, temperaturens ursprung på den termodynamiska temperaturskalan. Den absoluta nollan ligger 273,16 ° C under vattenets tredubbla punkt (0,01 ° C). Absolut noll är i grunden ouppnåelig, temperaturer har praktiskt taget uppnåtts, ... ... Modern uppslagsverk

Temperaturer temperaturens ursprung på en termodynamisk temperaturskala. Den absoluta nollan ligger vid 273,16 ° C under temperaturen för den tredubbla punkten för vatten, för vilken ett värde på 0,01 ° C tas. Absolut noll är i grunden ouppnåelig (se ... ... Big Encyclopedic Dictionary

Temperaturen, som uttrycker frånvaron av värme, är lika med 218 ° C. Ordbok för främmande ord som ingår i ryska språket. Pavlenkov F., 1907. absolut noll temperatur (fysisk) - lägsta möjliga temperatur (273,15 ° C). Stor ordbok ... ... Ordbok över främmande ord på ryska språket

absolut noll - Den extremt låga temperaturen vid vilken molekylernas termiska rörelse stannar, i Kelvin-skalan, absolut noll (0 ° K) motsvarar –273,16 ± 0,01 ° С ... Geography Dictionary

Antal, antal synonymer: 15 runda noll (8) liten person (32) liten stek ... Synonymordbok

Extremt låg temperatur vid vilken molekylernas termiska rörelse stannar. Trycket och volymen på en idealgas, enligt Boyle Marriotts lag, blir lika med noll och utgångspunkten för den absoluta temperaturen på Kelvin-skalan tas ... ... Ekologisk ordbok

absolut noll - - [A.S. Goldberg. English Russian Energy Dictionary. 2006] Ämnen energi i allmänhet EN nollpunkt ... Teknisk översättarhandbok

Ursprunget till den absoluta temperaturen. Motsvarar 273,16 ° C. För närvarande har det i fysiklaboratorier varit möjligt att få en temperatur som överstiger absolut noll med bara några miljondelar av en grad, men att nå den enligt lagarna ... ... Colliers encyklopedi

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

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

När väderrapporten förutspår en temperatur på cirka noll, ska du inte gå till isbanan: isen smälter. Issmältningstemperaturen tas som noll grader Celsius, den vanligaste temperaturskalan.
Vi är mycket bekanta med negativa grader av Celsius-skalan - grader<ниже нуля>, grader av kyla. Den lägsta temperaturen på jorden registrerades i Antarktis: -88,3 ° C. Utanför jorden är ännu lägre temperaturer möjliga: på måneytan vid midnatt kan det vara upp till - 160 ° C.
Men ingenstans kan det finnas godtyckligt låga temperaturer. Extremt låg temperatur - absolut noll - på Celsius-skalan motsvarar - 273,16 °.
Den absoluta temperaturskalan, Kelvin-skalan, härstammar från absolut noll. Is smälter vid 273,16 ° Kelvin och vatten kokar vid 373,16 ° K. Således är grad K lika med grad C. Men på Kelvin-skalan är alla temperaturer positiva.
Varför är 0 ° K gränsen för kyla?
Värme är en kaotisk rörelse av atomer och molekyler av ett ämne. När ett ämne kyls tas värmeenergi bort från det och den slumpmässiga rörelsen av partiklar försvagas. När allt kommer omkring, med stark kylning, den termiska<пляска> partiklarna stoppas nästan helt. Atomer och molekyler skulle helt frysa vid en temperatur som anses vara absolut noll. Enligt principerna för kvantmekanik skulle det vid absolut noll vara partiklarnas termiska rörelse som skulle upphöra, men partiklarna själva skulle inte frysa, eftersom de inte kan vara i fullständig vila. Således, vid absolut noll, måste partiklarna fortfarande behålla någon form av rörelse, som kallas noll.

Att kyla ett ämne till en temperatur under absolut noll är dock en plan så meningslös som, till exempel, avsikten<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Dessutom är det nästan omöjligt att till och med nå exakt absolut noll. Du kan bara komma närmare den. Eftersom inga medel kan ta bort från ett ämne absolut all dess termiska energi. En del av den termiska energin finns kvar under den djupaste kylningen.
Hur når du extremt låga temperaturer?
Att frysa ett ämne är svårare än att värma upp det. Detta framgår åtminstone av jämförelsen mellan kaminen och kylen.
I de flesta hushålls- och industriella kylskåp avlägsnas värme på grund av avdunstning av en speciell vätska - freon, som cirkulerar genom metallrör. Hemligheten är att freon endast kan förbli i flytande tillstånd vid en tillräckligt låg temperatur. I kylkammaren värms den upp och kokar och blir till ånga på grund av kammarens värme. Men ångan komprimeras av kompressorn, flytande och kommer in i förångaren, vilket kompenserar förlusten av förångad freon. Energi förbrukas för att driva kompressorn.
I djupkylare är kylbäraren en ultrakold vätska - flytande helium. Färglös, lätt (8 gånger lättare än vatten), den kokar under atmosfärstryck vid 4,2 ° K och i vakuum vid 0,7 ° K. Heliums ljusisotop ger en ännu lägre temperatur: 0,3 ° K.
Det är ganska svårt att ordna ett permanent heliumkylskåp. Forskning utförs helt enkelt i bad med flytande helium. Fysiker använder olika knep för att smälta denna gas. Till exempel expanderas förkylt och komprimerat helium genom att släppa det genom ett tunt hål i en vakuumkammare. Samtidigt sjunker temperaturen ytterligare och en del av gasen förvandlas till vätska. Det är mer effektivt att inte bara expandera den kylda gasen utan också att få den att göra jobbet - att flytta kolven.
Det resulterande flytande helium lagras i speciella termoser - Dewar-kärl. Kostnaden för denna kallaste vätska (den enda som inte fryser vid absolut noll) visar sig vara ganska hög. Ändå används flytande helium mer och mer idag, inte bara inom vetenskapen utan också i olika tekniska enheter.
De lägsta temperaturerna uppnåddes på ett annat sätt. Det visar sig att molekylerna i vissa salter, såsom kaliumkromalum, kan rotera längs de magnetiska kraftlinjerna. Detta salt förkyls med flytande helium till 1 ° K och placeras i ett starkt magnetfält. I detta fall roterar molekylerna längs kraftlinjerna och den frisatta värmen tas bort av flytande helium. Sedan avlägsnas magnetfältet plötsligt, molekylerna vänder igen i olika riktningar och förbrukas

detta arbete leder till ytterligare kylning av saltet. Således erhölls en temperatur på 0,001 ° K. Genom en liknande metod kan man i princip använda andra ämnen en ännu lägre temperatur.
Den lägsta temperaturen hittills på jorden är 0,00001 ° K.

Superfluiditet

Ämnen frusna till extremt låga temperaturer i bad med flytande helium förändras markant. Gummi blir sprött, bly blir hård som stål och fjädrande och många legeringar ökar styrkan.

Flytande helium i sig beter sig på ett märkligt sätt. Vid temperaturer under 2,2 ° K förvärvar den en oöverträffad egenskap för vanliga vätskor - superfluiditet: en del av den tappar helt sin viskositet och flyter utan friktion genom de smalaste slitsarna.
Detta fenomen upptäcktes 1937 av den sovjetiska fysikern Akademiker P. JI. Kapitsa, förklarades sedan av akademikern JI. D. Landau.
Det visar sig att vid ultralåga temperaturer börjar kvantlagarna för materiens beteende att märkas märkbart. Som en av dessa lagar kräver kan energi överföras från kropp till kropp endast i helt bestämda delar-kvanta. Det finns så få värmekvantar i flytande helium att de inte räcker för alla atomer. En del av vätskan, utan värmekvanta, förblir som det ska vid absolut noll temperatur, dess atomer deltar inte alls i slumpmässig termisk rörelse och interagerar inte på något sätt med kärlets väggar. Denna del (den kallades helium-H) och har superfluiditet. Med sjunkande temperatur blir helium-P mer och mer, och vid absolut noll skulle allt helium förvandlas till helium-H.
Superfluiditet har nu studerats i detalj och till och med funnits användbar praktisk användning: med hjälp är det möjligt att separera isotoper av helium.

Supraledning

Nästan absolut noll inträffar extremt nyfikna förändringar i de elektriska egenskaperna hos vissa material.
1911 gjorde den holländska fysikern Kamerling-Onnes en oväntad upptäckt: det visade sig att vid en temperatur på 4,12 ° K försvinner det elektriska motståndet i kvicksilver helt. Kvicksilver blir en superledare. Den elektriska strömmen som induceras i den supraledande ringen förfaller inte och kan flöda nästan för alltid.
Ovanför en sådan ring kommer en supraledande boll att flyta i luften och inte falla som en fantastisk<гроб Магомета>eftersom dess vikt kompenseras av magnetiskt avstötning mellan ringen och kulan. När allt kommer omkring kommer en odämpad ström i ringen att skapa ett magnetfält som i sin tur kommer att inducera en elektrisk ström i bollen och därmed ett motsatt riktat magnetfält.
Förutom kvicksilver har tenn, bly, zink och aluminium supraledning nära absolut noll. Denna egenskap har hittats i 23 element och över hundra olika legeringar och andra kemiska föreningar.
Temperaturerna för utseende av supraledning (kritiska temperaturer) utgör ett ganska brett intervall - från 0,35 ° K (hafnium) till 18 ° K (niob-tennlegering).
Fenomenet supraledning, som super-
flytande, studerat i detalj. Beroendet av kritiska temperaturer på materialets inre struktur och det yttre magnetfältet finns. En djup teori om superledningsförmåga utvecklades (ett viktigt bidrag gjordes av den sovjetiska forskaren akademiker N.N. Bogolyubov).
Kärnan i detta paradoxala fenomen är återigen rent kvantum. Vid ultralåga temperaturer kommer elektroner in

superledare bildar ett system av parvis anslutna partiklar som inte kan ge energi till kristallgitteret, spendera energi kvantitet på att värma upp det. Par av elektroner rör sig som om<танцуя>, mellan<прутьями решетки> - joner och kringgå dem utan kollisioner och energiöverföring.
Superledningsförmåga används alltmer i tekniken.
Till exempel kommer supraledande solenoider - supraledande spolar nedsänkta i flytande helium - i praktiken. De kan lagra en en gång inducerad ström och följaktligen ett magnetfält under godtyckligt lång tid. Det kan nå en gigantisk storlek - över 100.000 oersted. I framtiden kommer det utan tvekan att visas kraftfulla industriella superledande enheter - elmotorer, elektromagneter etc.
I radioelektronik börjar överkänsliga förstärkare och generatorer av elektromagnetiska vågor att spela en viktig roll, som fungerar särskilt bra i bad med flytande helium, där inre<шумы> Utrustning. Inom elektronisk datateknik lovas en ljus framtid för superledande strömbrytare med låg effekt - kryotroner (se art.<Пути электроники>).
Det är inte svårt att föreställa sig hur frestande det skulle vara att driva sådana anordningar till en region med högre och mer tillgängliga temperaturer. Nyligen har det funnits ett hopp om att skapa supraledare av polymerfilm. Den speciella karaktären hos elektrisk ledningsförmåga i sådana material lovar en lysande möjlighet att bevara supraledning även vid rumstemperatur. Forskare letar ständigt efter sätt att uppfylla detta hopp.

I djupet av stjärnorna

Och nu ska vi titta in i riket med det hetaste som finns i världen - i tarmarna hos stjärnorna. Där temperaturen når miljontals grader.
Den orörda termiska rörelsen i stjärnor är så intensiv att hela atomer inte kan existera där: de förstörs i otaliga kollisioner.
Därför kan en sådan starkt glödande substans varken vara fast eller flytande eller gasformig. Det är i ett tillstånd av plasma, dvs en blandning av elektriskt laddat<осколков> atomer - atomkärnor och elektroner.
Plasma är ett slags tillstånd. Eftersom partiklarna är elektriskt laddade är de känsliga för elektriska och magnetiska krafter. Därför är närheten till två atomkärnor (de har en positiv laddning) ett sällsynt fenomen. Endast vid höga densiteter och enorma temperaturer kan atomkärnor träffa varandra för att kunna närma sig nära. Då äger termonukleära reaktioner rum - energikällan för stjärnorna.
Den närmaste stjärnan för oss - solen - består huvudsakligen av väteplasma, som värms upp i tarmarna på stjärnan upp till 10 miljoner grader. Under sådana förhållanden förekommer nära möten med snabba vätekärnor - även om protoner är sällsynta. Ibland interagerar protonerna som närmar sig: efter att ha övervunnit den elektriska avstötningen faller de snabbt in i gigantiska kärnkraftskrafter<падают> ovanpå varandra och slå ihop. En omedelbar omstrukturering sker här: i stället för två protoner uppträder en deuteron (kärnan till en tung väteisotop), en positron och en neutrino. Den frigjorda energin är 0,46 miljoner elektronvolt (MeV).
Varje enskild solproton kan delta i en sådan reaktion i genomsnitt en gång var 14: e miljard år. Men det finns så många protoner i det inre av ljuset att denna osannolika händelse inträffar här och där, och vår stjärna brinner med sin jämna, bländande flamma.
Syntesen av deuteroner är bara det första steget i sol-termonukleära transformationer. Det nyfödda deuteronet kombineras mycket snart (i genomsnitt efter 5,7 sekunder) med ett annat proton. En kärna av lätt helium och ett gammakvantum av elektromagnetisk strålning uppträder. 5.48 MeV energi frigörs.
Slutligen, i genomsnitt, en gång i en miljon år, kan två kärnor av lätt helium konvergera och förenas. Sedan bildas en kärna av vanlig helium (alfapartikel) och två protoner delas av. Den frigjorda energin är 12,85 MeV.
Detta tre steg<конвейер> termonukleära reaktioner är inte den enda. Det finns en annan kedja av kärntransformationer, snabbare. Det involverar (utan att slösa) atomkärnor av kol och kväve. Men i båda versionerna syntetiseras alfapartiklar från vätekärnor. Figurativt sett, Solens väteplasma<сгорает>förvandlas till<золу> - heliumplasma. Och under syntesen av varje gram heliumplasma frigörs 175 tusen kWh energi. Stor mängd!
Varje sekund avger solen 4 1033 energiorg och förlorar 4 1012 g (4 miljoner ton) vikt. Men solens totala massa är 2 1027 ton. Det betyder att det på en miljon år, tack vare solens strålning<худеет> bara en tio miljonte del av dess massa. Dessa siffror illustrerar vältaligt effektiviteten hos termonukleära reaktioner och solens gigantiska kaloriinnehåll<горючего> - väte.
Termonukleär fusion verkar vara huvudkälla energier av alla stjärnor. Vid olika temperaturer och densiteter i stjärninteriören sker olika typer av reaktioner. I synnerhet solenergi<зола>-heliumkärnan - vid 100 miljoner grader blir den själv termonukleär<горючим>... Sedan kan även tyngre atomkärnor - kol och till och med syre - syntetiseras från alfapartiklar.
Som många forskare tror är hela vår metagalax som helhet också frukten av termonukleär fusion, som ägde rum vid en temperatur på en miljard grader (se art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Till den konstgjorda solen

Det extraordinära kaloriinnehållet i en termonukleär<горючего> uppmanade forskare att söka konstgjord implementering av kärnfusionsreaktioner.
<Горючего> - Det finns många isotoper av väte på vår planet. Exempelvis kan superhår vätetritium framställas av litiummetall i kärnreaktorer. Och tungt väte - deuterium är en del av tungt vatten som kan erhållas från vanligt vatten.
Tungt väte extraherat från två glas vanligt vatten skulle ge en termonukleär reaktor lika mycket energi som att bränna ett fat premiumbensin nu ger.
Svårigheten ligger i förvärmning<горючее> till temperaturer vid vilka det kan antända en kraftfull termonukleär eld.
För första gången löstes detta problem i en vätgasbomb. Väteisotoperna där antänds av explosionen av en atombombe, som åtföljs av uppvärmning av ämnet till många tiotals miljoner grader. I en av varianterna av vätgasbomben är det termonukleära bränslet en kemisk förening av tungt väte med lätt litium - lätt deuterid l, etc. Detta vita pulver som bordssalt<воспламеняясь> från<спички>, som fungerar som en atombombe, exploderar omedelbart och skapar en temperatur på hundratals miljoner grader.
För att inleda en fredlig termonukleär reaktion måste man först och främst lära sig att värma upp små doser av en tillräckligt tät plasma av väteisotoper till temperaturer på hundratals miljoner grader utan en atombomb. Detta problem är ett av de svåraste inom modern tillämpad fysik. Forskare från hela världen har arbetat med det i många år.
Vi har redan sagt att det är kaotisk rörelse av partiklar som skapar kroppsuppvärmning, och den genomsnittliga energin för deras kaotiska rörelse motsvarar temperaturen. Att värma upp en kall kropp betyder att skapa denna störning på något sätt.
Föreställ dig två grupper löpare som rusar mot varandra. Så de kolliderade, blandades, en folkmassa, förvirring började. Stor röra!
Först försökte fysiker få höga temperaturer genom att kollidera med högtrycksgasstrålar. Gasen värmdes upp till 10 tusen grader. Vid en tidpunkt var det ett rekord: temperaturen är högre än på solens yta.
Men med denna metod är ytterligare, ganska långsam, icke-explosiv uppvärmning av gasen omöjlig, eftersom den termiska störningen omedelbart sprider sig i alla riktningar och värmer upp experimentkammarens väggar och miljön. Den genererade värmen lämnar systemet snabbt och kan inte isoleras.
Om gasstrålarna ersätts av plasmaflödet är problemet med värmeisolering fortfarande mycket svårt, men det finns också hopp för dess lösning.
Det är sant att även plasma inte kan skyddas från värmeförlust av kärl som är tillverkade av till och med den mest eldfasta substansen. Varm plasma svalnar omedelbart när den vidrör fasta väggar. Men du kan försöka hålla och värma upp plasmaen och skapa dess ansamling i ett vakuum så att den inte rör vid kammarens väggar utan hänger i tomrummet utan att röra vid något. Här bör man dra nytta av det faktum att plasmapartiklar inte är neutrala, som gasatomer, utan elektriskt laddade. Därför utsätts de i rörelse för magnetiska krafter. Problemet uppstår: att ordna ett magnetfält med en speciell konfiguration, där den heta plasman skulle hänga som i en påse med osynliga väggar.
Den enklaste formen av en sådan p.ele skapas automatiskt när starka pulser passeras genom plasma elektrisk ström... I detta fall induceras magnetiska krafter runt plasmafilamentet, som tenderar att komprimera filamentet. Plasman separeras från väggarna i urladdningsröret, och vid sladdens axel i massan av partiklar stiger temperaturen till 2 miljoner grader.
I vårt land utfördes sådana experiment 1950 under ledning av akademiker JI. A. Artsimovich och M. A. Leontovich.
En annan riktning för experiment är användningen av en magnetisk flaska som föreslogs 1952 av den sovjetiska fysikern GI Budker, nu en akademiker. Magnetflaskan är ordnad i en spegelcell - en cylindrisk vakuumkammare utrustad med en yttre lindning som tjocknar i kammarens ändar. Strömmen som strömmar genom lindningen skapar ett magnetfält i kammaren. Dess kraftlinjer i mittdelen är parallella med cylinderns generatris, och i ändarna drar de sig samman och bildar magnetiska pluggar. Plasmapartiklar injicerade i en magnetisk flaska krullar runt kraftlinjerna och reflekteras från pluggarna. Som ett resultat hålls plasman kvar i flaskan. Om plasmapartiklarnas energi som introduceras i flaskan är tillräckligt stor och det finns tillräckligt med dem, går de in i komplexa kraftinteraktioner, deras ursprungligen ordnade rörelse trasslar in, blir orolig - vätekärnornas temperatur stiger till tiotals miljoner grader.
Ytterligare uppvärmning uppnås genom elektromagnetisk<ударами> på plasma, magnetfältskompression osv. Nu värms plasma av tunga vätekärnor upp till hundratals miljoner grader. Det är sant att detta kan göras antingen under en kort tid eller med låg plasmadensitet.
För att initiera en självbärande reaktion måste plasmans temperatur och densitet höjas ytterligare. Detta är svårt att uppnå. Problemet är dock, som forskare är övertygade om, obestridligt.

G.B. Anfilov

Att publicera fotografier och citera artiklar från vår webbplats på andra resurser är tillåtet, förutsatt att det finns en länk till källan och fotografierna.

Uttrycket "temperatur" uppträdde vid en tidpunkt då fysiker trodde att varma kroppar består av mer specifika ämnen - kalori - än samma kroppar, men kalla. Och temperaturen tolkades som ett värde som motsvarar mängden kalori i kroppen. Sedan dess har varje kropps temperatur uppmätts i grader. Men i själva verket är detta ett mått på rörelse molekylers kinetiska energi, och baserat på detta bör den mätas i Joule, i enlighet med System of Units C.

Begreppet "absolut noll temperatur" kommer från termodynamikens andra lag. Enligt det är processen med värmeöverföring från en kall kropp till en varm omöjlig. Detta koncept introducerades av den engelska fysikern W. Thomson. För sina prestationer inom fysik tilldelades han titeln adel "herre" och titeln "Baron Kelvin". År 1848 föreslog W. Thomson (Kelvin) att använda en temperaturskala, där utgångspunkten ansågs vara den absoluta nolltemperaturen motsvarande den extrema förkylningen, och graden av Celsius togs som en uppdelning. Kelvin-enheten är 1/27316 av temperaturfraktionen av den tredubbla vattenpunkten (cirka 0 grader C), d.v.s. temperatur vid vilken rent vatten omedelbart finns i tre former: is, flytande vatten och ånga. temperatur är den lägsta möjliga låga temperaturen vid vilken molekylers rörelse stannar, och det är inte längre möjligt att extrahera termisk energi från ämnet. Sedan dess har skalan för absoluta temperaturer fått sitt namn.

Temperaturen mäts i olika skalor

Den vanligaste temperaturskalan kallas Celsius-skalan. Den är byggd på två punkter: temperatur fasövergång vatten från vätska till ånga och vatten till is. A. Celsius 1742 föreslog att dela avståndet mellan referenspunkterna i 100 intervall och ta vattnet som noll, medan fryspunkten är 100 grader. Men svensken K. Linné föreslog att göra det motsatta. Sedan dess har vattnet fryst vid noll grader A. Celsius. Även om det är exakt Celsius, borde det koka. Absolut noll i Celsius motsvarar minus 273,16 grader Celsius.

Det finns flera temperaturskalor: Fahrenheit, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. De har också olika uppdelningspriser. Till exempel är Reaumur-skalan också byggd på vattenens kok- och fryspunkter, men den har 80 delar. Fahrenheit-skalan, som dök upp 1724, används endast i vardagen i vissa länder i världen, inklusive USA; den ena är temperaturen på blandningen av vattenis - ammoniak och den andra är temperaturen på människokroppen. Skalan är uppdelad i hundra divisioner. Noll Celsius motsvarar 32 Omvandling av grader till Fahrenheit kan göras med formeln: F \u003d 1,8 C + 32. Omvänd översättning: C \u003d (F - 32) / 1,8, där: F - grader Fahrenheit, C - grader Celsius. Om du är för lat för att räkna, gå till online-omvandlingstjänsten Celsius till Fahrenheit. Ange antalet grader Celsius i rutan, klicka på Beräkna, välj Fahrenheit och klicka på Start. Resultatet visas omedelbart.

Uppkallad efter den engelska (närmare bestämt skotska) fysikern William J. Rankin, som var en samtida av Kelvin och en av grundarna av teknisk termodynamik. Det finns tre viktiga punkter i dess skala: början är absolut noll, vattenets fryspunkt är 491,67 grader Rankin och kokpunkten för vatten är 671,67 grader. Antalet uppdelningar mellan frysning av vatten och dess kokning för både Rankin och Fahrenheit är 180.

De flesta av dessa skalor används uteslutande av fysiker. Och 40% av de amerikanska gymnasieeleverna som undersöktes idag sa att de inte visste vad absolut nolltemperatur är.