Абсолютная минимальная температура воздуха: СНиП 23-01-99. Стр. кл. Таблица 1. Климат. парам. холод. вр. года. РФ. Магаданская обл., .Марий Эл, Мордовия, Московская обл, Мурманская, Нижегородская, Новгородская, Новосибирская, Омская, Оренбургская, Орловская,Пензенская, Пермская обл., Приморский кр.

Стандартные и абсолютные температурные шкалы.

Идея о том, что существует самая низкая температура, была подсказана поведением газов при низких давлениях: было отмечено, что газы, кажется, сжимаются бесконечно при понижении температуры.Оказалось, что «идеальный газ» при постоянном давлении достигнет нулевого объема при том, что сейчас называется абсолютным нулем температуры. Любой реальный газ фактически конденсируется в жидкость или твердое тело при температуре выше абсолютного нуля. Следовательно, закон идеального газа — это только приближение к поведению реального газа. Однако как таковой он чрезвычайно полезен.

Концепция абсолютного нуля как предельной температуры имеет множество термодинамических последствий. Например, все молекулярное движение не прекращается при абсолютном нуле (молекулы колеблются с так называемой нулевой энергией), но энергия от молекулярного движения (то есть тепловая энергия) не доступна для передачи другим системам, и поэтому Правильно сказать, что энергия при абсолютном нуле минимальна.

Любая шкала температуры, имеющая абсолютный ноль в качестве нулевой точки, называется шкалой абсолютной температуры или термодинамической шкалой. В Международной системе единиц шкала Кельвина (K) является стандартом для всех научных измерений температуры. Его основная единица, кельвин, идентична по размеру градусу Цельсия и определяется как 1 / 273,16 «тройной точки» чистой воды (0,01 ° C [32,02 ° F]), то есть температура, при которой жидкость одновременно могут поддерживаться твердые и газообразные формы вещества. Интервал между этой тройной точкой и абсолютным нулем составляет 273,16 кельвина. Самая низкая температура, достигнутая в экспериментах, составила 50 пикокельвинов (pK; 1 pK = 10 ⁻¹² K).

Минимальные и максимальные возможные температуры

С начала года я получил довольно много вопросов об абсолютных температурах — самой высокой и самой низкой, поэтому я решил начать краткое обсуждение этих двух значений, в котором я приведу основные факты о них, так что почувствуйте Вы можете свободно вмешиваться и добавлять дополнительную информацию или вопросы.

Абсолютный ноль

В термодинамике невозможно достичь абсолютного нуля; это температура, при которой энтропия достигает минимального значения, энтропия — это свойство, используемое для определения энергии, недоступной для работы, или, говоря простым языком, состояния «молекулярного беспорядка» любого вещества. Абсолютный ноль или абсолютный 0 K (0 градусов по шкале Кельвина, которая обычно используется для абсолютных значений) равняется -273,15 ° по шкале Цельсия и -459,67 ° по шкале Фаренгейта.

Ученым удалось максимально приблизиться к абсолютному нулю, на уровне 100 пикокельвинов или 10 ^-10 Кельвинов, но, как я уже сказал, достижение абсолютного нуля невозможно, по крайней мере, с нашими текущими знаниями. Исследователи отметили некоторые замечательные свойства материи, когда они приближаются к этой температуре, такие как сверхпроводимость.

Теперь об этом знает довольно много людей; но многие люди не знают, что подобно тому, как существует минимально возможная допустимая температура, существует также максимальная температура, называемая температурой Планка.

Планка и максимальная температура

В шкале температур Планка 0 — это абсолютный ноль, 1 — это температура Планка, а все остальные температуры — ее десятичные дроби. Считается, что эта максимальная температура составляет 1,416833 (85) x 10 ³² градусов Кельвина, а при температурах выше нее законы физики просто перестают существовать.

Однако многие не согласны с этой космологической моделью и считают, что по мере того, как мы продолжаем узнавать все больше и больше вещей о Вселенной, в которой живем, максимальная температура будет продолжать расти.

Из того, что мне удалось выяснить, самая высокая температура, полученная на Земле, составляла 3,6 миллиарда градусов, что, несмотря на то, что более чем в 2000 раз горячее, чем внутренняя часть Солнца, составляет лишь незначительную часть 10 ³² градусов.

Абсолютный ноль

2

Напряжения и течения в сверххолодных сверхтекучих средах

11 мая 2020 г. — Ученые разработали математическую модель потока сверххолодных сверхтекучих жидкостей, показывающую, как они деформируются при столкновении…

Квантовый термометр для измерения сверхнизких температур

16 сентября 2020 г. — В повседневной жизни измерить температуру довольно просто. Но в квантовом мире, который имеет дело с сверхмалым и сверхмалым, определение того, насколько что-то горячее или холодное, начинает …

Самый крутой LEGO® во Вселенной

23 декабря 2019 г. — LEGO® впервые был охлажден до минимально возможной температуры в эксперименте, который открывает новое применение популярной игрушки — развитие квантовых вычислений.Цифра и четверка …

Исследователи соблюдают предсказания 70-летней давности с далеко идущими эффектами

27 июня 2019 г. — Размешивая молоко в чашке кофе, вы увидите в действии турбулентность жидкости — быстрое перемешивание, которое не поддается глубокому научному пониманию. Исследователи задались целью узнать больше о повседневной жизни …

Теория описывает квантовые явления в наноматериалах

23 декабря 2020 г. — Физики-теоретики разработали математические формулы, описывающие физическое явление, происходящее внутри квантовых точек и других наноразмерных материалов. Формулы можно применять для дальнейшего …

Новое свидетельство двойственной природы электрона в квантовой спиновой жидкости

13 мая 2021 г. — Новые эксперименты подтверждают давнюю теорию о том, что в квантовом режиме электрон ведет себя так, как будто он состоит из двух частиц: одной частицы, несущей свой отрицательный заряд, и …

Экспериментальное устройство, вырабатывающее электричество из холода Вселенной

6 мая 2019 г. — Недостатком солнечных панелей является то, что они требуют солнечного света для выработки электроэнергии.Некоторые заметили, что для устройства на Земле, обращенного в космос, леденящий поток энергии из устройства может быть …

Далее: ультрахолодные симуляторы сверхплотных звезд

3 января 2019 г. — Физики создали первую в мире нейтральную плазму с лазерным охлаждением. Исследование открывает новые горизонты, на которых физики-экспериментаторы в области атомной энергии и плазмы могут уговорить материю вести себя по-новому . ..

Самая холодная реакция

Ноябрь28 января 2019 г. — При температурах, в миллионы раз ниже, чем в межзвездном пространстве, исследователи провели самую холодную реакцию в известной Вселенной. Но это не все. В таком сильном морозе их молекулы …

Открытия могут стимулировать энергосберегающую электронику, квантовые вычисления

4 июня 2018 г. — Физики продемонстрировали способ проводить электричество между транзисторами без потерь энергии, открывая двери маломощной электронике и, возможно, квантовым вычислениям, до которых еще далеко…

Мчится к абсолютному нулю — Сеть блогов Scientific American

Под спутанным беспорядком из труб, трубок, датчиков, металлических пластин, насосов и изоленты находится место, более холодное, чем космическое пространство. Работая в этой среде организованного хаоса, команда квантовой материи в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета начинает раскрывать экзотические квантовые свойства сверххолодных материалов в холодильнике размером с внедорожник.

Поскольку люди могут легко почувствовать разницу между горячим и холодным, температура — это особенность науки, которую люди понимают довольно интуитивно.Но на самом деле, когда люди различают горячее и холодное, они испытывают количество тепловой энергии, которое содержит система — например, рожок мороженого содержит меньше тепловой энергии, чем миска горячего супа. А поскольку эта энергия исходит от движения атомов и молекул внутри вещества, это означает, что молекулы супа движутся больше, чем в мороженом.

Команда из Кембриджского университета, однако, контролирует энергию на более экстремальном уровне, когда они пытаются приблизиться к абсолютному нулю — самой низкой температуре, разрешенной законами термодинамики.Абсолютный ноль, технически известный как ноль кельвина, равен -273,15 градуса Цельсия или -459,67 градуса по Фаренгейту и отмечает точку на термометре, где система достигает минимально возможной энергии или теплового движения.

Но есть одна загвоздка: абсолютного нуля достичь невозможно. Причина связана с объемом работы, необходимой для отвода тепла от вещества, которое существенно увеличивается, чем холоднее вы пытаетесь ехать. Чтобы достичь нуля кельвинов, вам потребуется бесконечный объем работы.И даже если бы вы смогли туда добраться, квантовая механика диктует, что атомы и молекулы по-прежнему будут иметь неприводимых движений.

Квантовая механика также означает, что чем ближе исследователи подходят к абсолютному нулю, тем более странными становятся свойства вещества. При достаточно низких температурах жидкий гелий, например, превращается в сверхтекучую жидкость — жидкость, которая течет без сопротивления трения. В результате он может самопроизвольно вытекать вверх и из контейнера; просачиваться сквозь трещины толщиной с молекулу; оставаться совершенно неподвижным при отжиме на высоких оборотах; и — что самое удивительное для физиков — сливаются в один «суператом», известный как конденсат Бозе-Эйнштейна.Работая при температуре от 1 до 10 милликельвинов, или тысячных долей кельвина, команда Кавендиша занимается исследованием множества других материалов, которые также демонстрируют необычное квантовое поведение. И технология, которую группа использует для достижения таких низких температур, почти так же сложна, как и поведение, которое она пытается вызвать.

Путешествие к абсолютному нулю началось в начале 1700-х годов, когда Гийом Амонтон утверждал, что если температура является мерой тепла в системе, то должна быть минимально возможная температура.Однако только два столетия спустя теория Амонтона нашла свое место в экспериментах. В Лейденском университете Хайке Камерлинг-Оннес и его коллеги соревновались с другими людьми по всему миру, чтобы разработать методы сжижения гелия. После многих неудачных попыток они преуспели, и, как говорит Дирк ван Делфт, директор Museum Boerhaave, Голландского национального музея истории науки и медицины, «Лейден ненадолго стал самым холодным местом на Земле».

Onnes в конечном итоге пришел благодаря одной из первых форм мощного охлаждения.Как и в обычных холодильниках, система охлаждения в лаборатории Оннеса, а теперь и в лабораториях по всему миру, работает в цикле. Сам процесс охлаждения аналогичен тому, что происходит, когда вы обдуваете чашку горячего кофе, чтобы охладить ее. Когда человек дует, более хаотичные, быстро движущиеся молекулы кофе испаряются и, следовательно, удаляются от чашки. Оставшиеся молекулы в среднем движутся медленнее, что делает кофе более пригодным для питья. Однако в отличие от обычных холодильников, в которых используется пар изнутри холодильника, Оннес использовал гелий в газообразном состоянии, а водород и кислород в жидком состоянии для достижения низких температур.

Циклически пропуская газообразный гелий через камеру, залитую холодным жидким водородом и воздухом, группа Оннеса успешно достигла температуры, при которой гелий, содержащийся в небольшой чашке, может превратиться в жидкость. При этом избыточное тепло из газообразного состояния рассеивалось, и система достигла температуры всего лишь 6

кельвина выше абсолютного нуля — самая близкая попытка своего времени. Это исследование принесло Оннесу Нобелевскую премию в 1913 году. Он также случайно открыл сверхпроводимость, способность вещества проводить электрический ток без сопротивления.Это свойство делает возможными, помимо прочего, мощные сверхпроводящие магниты, используемые в современных детекторах МРТ и гигантских ускорителях частиц.

Лучшие холодильные системы в мире сегодня основаны на оригинальной работе Оннеса, но теперь они могут достигать нескольких милликельвинов, используя два разных изотопа гелия. В отличие от большинства жидкостей, которые замерзают и превращаются в твердое тело при определенной температуре, гелий остается жидким вплоть до абсолютного нуля. Поскольку его атомы настолько легкие при этих температурах, гелий слабо притягивается к другим атомам гелия, так что они блокируются в постоянном покачивании, известном как движение нулевой точки, квантовомеханический эффект, определяемый принципом неопределенности Гейзенберга.

Работая по замкнутому циклу, гелий действует почти так же, как неупорядоченные молекулы кофе в вашей кружке, и при циркуляции отводит избыточное тепло в окружающую среду. Когда изотоп гелия-3 мигрирует к изотопу гелия-4 в результате притяжения и перепадов давления, вызванных холодильным устройством, он поглощает тепло и охлаждает всю систему до уровня милликельвина.

Лаборатория Кембриджа использует такой холодильник для проверки различных типов материалов и свойств материалов.Возможно, самым удивительным из них является германид железа YFe2Ge2. При низких температурах этот материал на основе железа превращается в сверхпроводник. «Самым поразительным открытием является то, что YFe2Ge2 вообще является сверхпроводником», — говорит Кейрон Мерфи, аспирант из Кембриджской группы Quantum Matter.

Железо, объясняет он, обычно разрушает любые сверхпроводящие свойства материала, независимо от температуры, из-за магнитной природы железа. Сверхпроводимость имеет множество применений в науке, медицине и вычислительной технике, и каждый новый сверхпроводник может способствовать развитию новых технологий.Благодаря работе этой лаборатории YFe2Ge2 теперь считается эталонным материалом для исследования сверхпроводимости в соединениях с аналогичной структурой железа.

К сожалению, говорит Мерфи, квантовые состояния «по своей природе хрупкие», и значительная часть интересных свойств, которые естественным образом возникают в некоторых материалах, «подавляются колебаниями при более высоких температурах». Группа Quantum Matter, работающая при температуре от 1 до 10 милликельвинов, может проводить измерения при этих температурах в течение нескольких месяцев.Но в настоящее время группа разрабатывает еще один более эффективный холодильник, который сможет дольше выдерживать такие низкие температуры.

С этим новым холодильником команда будет изучать другие материалы на основе железа при низких температурах в течение продолжительных периодов времени, а также продолжит работу с материалами, известными как топологические полуметаллы, такими как ZrSiS. Низкотемпературное магнитное поведение топологических полуметаллов в значительной степени является загадкой, поскольку их свойства определяются их топологией (или расположением ее частей), а не их составными элементами. И команда Кембриджа готова раскрыть свои загадки, как только новый холодильник будет запущен и заработает.

Странные физические свойства процветают при экстремально низких температурах, и последствия этих странных качеств кажутся безграничными. Методы переохлаждения, такие как те, что используются в разбавляющем охлаждении, имеют решающее значение для широкого круга дисциплин: исследования гравитационных волн, сверхпроводимости, спинтроники, квантовых вычислений и других перспективных технологий. Снижая высокотемпературные деформации, работа с абсолютным нулем имеет решающее значение для понимания и раскрытия множества неизвестных как в квантовой механике, так и в физике в целом.

«При таких температурах мы получаем доступ к миру экзотических явлений, а материалы, которые когда-то были обычными, становятся необычными», — говорит Мерфи.

Температурные и температурные шкалы | Безграничная физика

Шкала Цельсия

Цельсия или Цельсия — это шкала и единица измерения температуры. Это одна из наиболее часто используемых единиц измерения температуры.

Цели обучения

Объясните, как определяется шкала Цельсия

Основные выводы

Ключевые моменты

• Градус Цельсия (° C) может относиться к определенной температуре по шкале Цельсия, а также к единице измерения температурного интервала, разницы между двумя температурами или неопределенности.
• Шкала Цельсия в настоящее время определяется двумя различными температурами: абсолютным нулем и тройной точкой Венской стандартной средней океанской воды (VSMOW; специально очищенная вода).
• На основании этого соотношение между градусами Цельсия и Кельвином выглядит следующим образом: [latex] \ text {T} _ {\ text {Celsius}} = \ text {T} _ {\ text {Kelvin}} -273,15 [/ latex ].

Ключевые термины

• кельвин : в Международной системе единиц — основная единица термодинамической температуры; 1/273.16 термодинамической температуры тройной точки воды; обозначается как K
• абсолютный ноль : максимально низкая температура: ноль по шкале Кельвина и приблизительно -273,15 ° C и -459,67 ° F. Полное отсутствие тепла; температура, при которой движение всех молекул прекратится.
• стандартная атмосфера : международное эталонное давление, определенное как 101,325 кПа и ранее использовавшееся как единица измерения давления

Цельсия, также известный как градус Цельсия, представляет собой шкалу для измерения температуры.Единица измерения — градус Цельсия (° C). Это одна из наиболее часто используемых единиц измерения температуры в мире. Система единиц названа в честь шведского астронома Андерса Цельсия (1701-1744), который разработал аналогичную температурную шкалу.

Температурные шкалы : Краткое введение в температуру и температурные шкалы для студентов, изучающих теплофизику или термодинамику.

Термометр : термометр, калиброванный в градусах Цельсия

С 1743 по 1954 год 0 ° C определялось как точка замерзания воды, а 100 ° C определялась как точка кипения воды при давлении в одну стандартную атмосферу с ртутью в качестве рабочего материала.Хотя сегодня в школах обычно преподают эти определяющие корреляции, по международному соглашению единица «градус Цельсия» и шкала Цельсия в настоящее время определяются двумя разными температурами: абсолютным нулем и тройной точкой Венской стандартной средней океанской воды (VSMOW; специально очищенная вода). ). Это определение также точно связывает шкалу Цельсия со шкалой Кельвина, которая определяет базовую единицу термодинамической температуры в системе СИ и использует символ K. Абсолютный ноль, самая низкая возможная температура (температура, при которой вещество достигает минимальной энтропии), определяется как равняется точно 0К и -273.15 ° С. Температура тройной точки воды определена как 273,16 K и 0,01 ° C. Исходя из этого, соотношение между градусами Цельсия и Кельвина выглядит следующим образом:

Фазовая диаграмма воды : На этой типичной фазовой диаграмме воды зеленые линии отмечают точку замерзания, а синяя линия отмечает точку кипения, показывая, как они меняются в зависимости от давления. Пунктирная линия показывает аномальное поведение воды. Обратите внимание, что вода меняет состояние в зависимости от давления и температуры.

[латекс] \ text {T} _ {\ text {Celsius}} = \ text {T} _ {\ text {Kelvin}} -273,15 [/ latex].

Помимо выражения конкретных температур по шкале (например, «Галлий плавится при 29,7646 ° C» и «Температура на улице 23 градуса Цельсия»), градус Цельсия также подходит для выражения температурных интервалов — разницы между температурами или их неопределенности ( например, «Выходная мощность теплообменника выше на 40 градусов по Цельсию» и «Наша стандартная погрешность составляет ± 3 ° C»). Из-за этого двойного использования нельзя полагаться на название устройства или его символ для обозначения того, что величина является температурным интервалом; из контекста или явного утверждения должно быть ясно, что величина является интервалом.

Шкала Фаренгейта

По шкале Фаренгейта замерзание воды определяется как 32 градуса, а температура кипения воды определяется как 212 градусов.

Цели обучения

Объясните, как определяется шкала Фаренгейта, и преобразуйте ее в градусы Цельсия.

Основные выводы

Ключевые моменты

• В системе по Фаренгейту точки кипения и замерзания воды разделяются точно на 180 градусов. Следовательно, градус по шкале Фаренгейта равен 1⁄180 интервала между точкой замерзания и точкой кипения.
• Чтобы преобразовать ° F в ° C, вы можете использовать следующую формулу: [latex] \ text {T} _ {\ text {Celsius}} = \ frac {5} {9} (\ text {T} _ {\ текст {Fahrenheit}} — 32) [/ латекс]. Шкалы Фаренгейта и Цельсия пересекаются при -40 °.
• Шкала Фаренгейта была заменена шкалой Цельсия в большинстве стран с середины до конца 20 века. Фаренгейт остается официальной шкалой США, Каймановых островов, Палау, Багамских островов и Белиза.

Ключевые термины

• рассол : раствор соли (обычно хлорида натрия) в воде
• охлаждающая смесь : Смесь двух или более химических веществ, достигающая равновесной температуры независимо от температуры любого из составляющих ее химических веществ.Температура также относительно не зависит от количества смесей, пока значительное количество каждого исходного химического вещества присутствует в чистом виде

Шкала Фаренгейта измеряет температуру. Он основан на шкале, предложенной в 1724 году физиком Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686-1736). Единицей измерения этой шкалы является градус Фаренгейта (° F). По этой шкале точка замерзания воды составляет 32 градуса, а точка кипения воды — 212 градусов.

Исторически нулевая точка шкалы Фаренгейта определялась с помощью термометра, помещенного в рассол.Сам Фаренгейт использовал смесь льда, воды и хлорида аммония (соль) в соотношении 1: 1: 1. Это охлаждающая смесь, которая автоматически стабилизирует ее температуру; стабильная температура этой смеси была определена как 0 ° F (-17,78 ° C). Вторая определяющая точка, 32 градуса, представляла собой смесь льда и воды в соотношении 1: 1. Третья определяющая точка, 96 градусов, была приблизительно температурой человеческого тела, которая тогда называлась «кровяное тепло». ”

Система по Фаренгейту разделяет точки кипения и замерзания воды точно на 180 градусов.Следовательно, градус по шкале Фаренгейта равен 1/180 интервала между точкой замерзания и точкой кипения. По шкале Цельсия точки замерзания и кипения воды различаются на 100 градусов. Температурный интервал 1 ° F равен интервалу 5/9 градусов Цельсия (° C). Чтобы преобразовать ° F в ° C, вы можете использовать следующую формулу:

[латекс] \ text {T} _ {\ text {Celsius}} = \ frac {5} {9} (\ text {T} _ {\ text {Fahrenheit}} — 32) [/ latex]

Шкалы Фаренгейта и Цельсия пересекаются при -40 ° (-40 ° F и -40 ° C представляют одну и ту же температуру).Абсолютный ноль (-273,15 ° C или 0K) определяется как -459,67 ° F.

Шкала Фаренгейта была заменена шкалой Цельсия в большинстве стран в середине-конце 20 века, хотя Канада сохраняет ее в качестве дополнительной шкалы, которую можно использовать вместе со шкалой Цельсия. Шкала Фаренгейта остается официальной шкалой США, Каймановых островов, Палау, Багамских островов и Белиза.

Рис. 2 : Сравнение шкал Цельсия и Фаренгейта.

Температурные шкалы : Краткое введение в температуру и температурные шкалы для студентов, изучающих теплофизику или термодинамику.

Абсолютный ноль

Абсолютный ноль — максимально низкая температура; формально это температура, при которой энтропия достигает минимального значения.

Цели обучения

Объясните, почему абсолютный ноль является естественным выбором в качестве нулевой точки для системы единиц измерения температуры

Основные выводы

Ключевые моменты

• Абсолютный ноль универсален в том смысле, что при этой температуре вся материя находится в основном состоянии. Следовательно, это естественный выбор в качестве нулевой точки для системы единиц измерения температуры.
Система
• K при абсолютном нуле все еще обладает квантово-механической нулевой энергией, энергией своего основного состояния. Однако в интерпретации классической термодинамики кинетическая энергия может быть равна нулю, а тепловая энергия вещества равна нулю.
• Самая низкая температура, которая была достигнута в лаборатории, находится в диапазоне 100 pK, где pK (пикокельвин) эквивалентен 10-12 K. Самая низкая естественная температура, когда-либо зарегистрированная, составляет приблизительно 1K, наблюдаемую при быстром расширении газов. покидая туманность Бумеранг.

Ключевые термины

• энтропия : мера того, насколько равномерно энергия (или какое-либо аналогичное свойство) распределяется в системе.
• термодинамика : раздел естествознания, связанный с теплом и его отношением к энергии и работе

Абсолютный ноль — это самая низкая из возможных температур. Формально это температура, при которой энтропия достигает минимального значения. Проще говоря, абсолютный ноль относится к состоянию, в котором извлекается вся энергия системы (по определению, самое низкое энергетическое состояние, которое может иметь система).Абсолютный ноль универсален в том смысле, что при этой температуре вся материя находится в основном состоянии. Следовательно, это естественный выбор в качестве нулевой точки для системы единиц измерения температуры.

График зависимости давления от температуры : График зависимости давления от температуры для различных газов, поддерживаемых в постоянном объеме. Обратите внимание, что все графики экстраполируются к нулевому давлению при одной и той же температуре

Чтобы быть точным, система при абсолютном нуле все еще обладает квантово-механической нулевой энергией, энергией своего основного состояния.Принцип неопределенности гласит, что положение частицы не может быть определено с абсолютной точностью; следовательно, частица находится в движении, даже если она находится в абсолютном нуле, а основное состояние по-прежнему несет минимальное количество кинетической энергии. Однако в интерпретации классической термодинамики кинетическая энергия может быть равна нулю, а тепловая энергия вещества равна нулю.

Нулевая точка термодинамической шкалы температуры, такой как шкала Кельвина, устанавливается на абсолютный ноль. По международному соглашению абсолютный ноль определяется как 0K по шкале Кельвина и как -273.15 ° по шкале Цельсия (эквивалент -459,67 ° по шкале Фаренгейта). Ученые довели системы до температур, очень близких к абсолютному нулю, когда материя проявляет квантовые эффекты, такие как сверхпроводимость и сверхтекучесть. Самая низкая температура, которая была достигнута в лаборатории, находится в диапазоне 100 pK, где pK (пико-Кельвин) эквивалентен 10 ^-12 K. Самая низкая естественная температура, когда-либо зарегистрированная, составляет приблизительно 1K, наблюдаемую при быстром расширении газы, покидающие туманность Бумеранг, как показано ниже.

Туманность Бумеранг : Быстрое расширение газов, приводящее к образованию туманности Бумеранг, вызывает самую низкую наблюдаемую температуру за пределами лаборатории.

Температурные шкалы : Краткое введение в температуру и температурные шкалы для студентов, изучающих теплофизику или термодинамику.

Шкала Кельвина

Кельвин — это единица измерения температуры; нулевая точка шкалы Кельвина — это абсолютный ноль, минимально возможная температура.

Цели обучения

Объясните, как определяется шкала Кельвина

Основные выводы

Ключевые моменты

• 0K (абсолютный ноль) универсален, потому что все тепловые движения всего вещества максимально подавляются при этой температуре. Следовательно, абсолютный ноль — это естественный выбор в качестве нулевой точки шкалы Кельвина.
• Шкала Кельвина широко используется в научной работе, потому что ряд физических величин, таких как объем идеального газа, напрямую связаны с абсолютной температурой.
• Чтобы преобразовать градусы Кельвина в градусы Цельсия, мы используем следующую формулу: [latex] \ text {T} _ {\ text {Celsius}} = \ text {T} _ {\ text {Kelvin}} -273,15 [/ latex] .

Ключевые термины

• абсолютный ноль : самая низкая из возможных температур: ноль по шкале Кельвина и приблизительно -273,15 ° C и -459,67 ° F. Полное отсутствие тепла; температура, при которой движение всех молекул прекратится.
• Тройная точка : Уникальная температура и давление, при которых твердая, жидкая и газовая фазы вещества находятся в равновесии.
• идеальный газ : гипотетический газ, молекулы которого не взаимодействуют и подвергаются упругому столкновению друг с другом и со стенками контейнера.

Кельвин — это единица измерения температуры. Это одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ), которой присвоен символ единицы K. Шкала Кельвина — это абсолютная термодинамическая шкала температуры, использующая абсолютный ноль в качестве нулевой точки. В классическом описании термодинамики абсолютный ноль — это температура, при которой прекращается всякое тепловое движение.

Выбор абсолютного нуля в качестве нулевой точки шкалы Кельвина логичен. Различные типы материи кипят или замерзают при разных температурах, но при 0K (абсолютный ноль) все тепловые движения любого вещества максимально подавляются. Шкала Кельвина широко используется в научной работе, потому что ряд физических величин, таких как объем идеального газа, напрямую связаны с абсолютной температурой.

Шкала Кельвина названа в честь инженера и физика Университета Глазго Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина (1824–1907), который писал о необходимости «абсолютных термометрических шкал».В отличие от градуса Фаренгейта и градуса Цельсия, кельвин не упоминается и не набирается как градус. Кельвин — это основная единица измерения в физических науках, но она часто используется вместе с градусом Цельсия, который имеет ту же величину. Кельвин определяется как часть 1 / 273,16 термодинамической температуры тройной точки воды (точно 0,01 ° C или 32,018 ° F). Чтобы преобразовать кельвин в градусы Цельсия, мы используем следующую формулу:

[латекс] \ text {T} _ {\ text {Celsius}} = \ text {T} _ {\ text {Kelvin}} -273.15 [/ латекс]

Вычитание 273,16K из температуры тройной точки воды, 0,01 ° C, делает абсолютный ноль (0K) эквивалентным -273,15 ° C и -460 ° F.

Расчет U

Взаимосвязи между температурными шкалами : Взаимосвязи между температурными шкалами по Фаренгейту, Цельсию и Кельвину, округленные до ближайшего градуса. Также показаны относительные размеры шкал

Температурные шкалы : Краткое введение в температуру и температурные шкалы для студентов, изучающих теплофизику или термодинамику.

Температура: Фаренгейт, Цельсий, Кельвин | Живая наука

Горячие и холодные измеряются с помощью числовой шкалы, называемой температурой. Температурные шкалы — это то, как мы сообщаем о погоде, измеряем безопасность и комфорт и объясняем физический мир. Используя базовые линии, выбранные учеными для создания относительных измерений, температурные шкалы измеряют интенсивность тепла или количество тепловой энергии, содержащейся в материале или веществе (например, в воздухе, горшке с водой или поверхности солнца).Обычно используются три системы измерения: Фаренгейта, Цельсия и Кельвина.

Что такое температура?

Температура — это энергия, измеряемая с помощью инструмента, называемого термометром, который происходит от греческих слов «термос» (горячий) и «метрон» (мера), согласно Интернет-словарю по этимологии . Другое определение температуры состоит в том, что это мера средней кинетической энергии — энергии массы в движении — молекул вещества, согласно Государственному университету Джорджии

Древнегреческий врач Гиппократ предположительно учил, что человеческая рука могла быть использована для определения наличия лихорадки у человека уже в 400 г. до н.э.C., согласно отчету 2019 года в журнале Nature Public Health Emergency Collection . Однако точные инструменты для измерения температуры человеческого тела не были разработаны до шестнадцатого и семнадцатого веков.

Фаренгейт: первый точный термометр

В 1714 году голландский физик, изобретатель и производитель научных приборов Даниэль Габриэль Фаренгейт представил ртутный термометр. Ртуть , жидкий металл, расширяется и сжимается в зависимости от температуры окружающей среды. Когда Фаренгейт поместил ртуть в закрытую трубку, отмеченную числовой шкалой, он увидел, как ртуть поднимается и опускается, когда она подвергается воздействию различных температур.Согласно The Royal Society в Соединенном Королевстве, это был первый в мире практический точный термометр.

Фаренгейт основал свое изобретение на спиртовом термометре датского ученого Оле Ремера. Ремер обозначил свою температурную шкалу нулем, отмеченным при температуре замерзания рассола (соленой воды), и 60 как точкой, при которой вода закипела, писал Ульрих Григулл, покойный директор Института термодинамики при Техническом университете Мюнхена в Германии , на конференции 1986 года презентация . Лед таял при 7,5 градусах по шкале Ремера, а человеческое тело — 22,5.

Связано: Что, если температура определяет пол ребенка? А вот термометр

Фаренгейта был намного точнее. Он использовал те же контрольные точки замерзания и кипения, что и шкала Ремера, называемая в его трудах «Extream Cold» и «Extream Hott», — но примерно умножил шкалу на четыре, чтобы разделить каждый маркер на шкале на более мелкие приращения. По шкале Фаренгейта, как писал Григулл, четыре контрольных точки были: 0 (при комбинированной температуре замерзания рассола), 30 (точка замерзания обычной воды), 90 (температура тела) и 240 (точка кипения воды).

Связано: Сверхновые звезды нагревают атомы до сотен миллионов градусов по Фаренгейту.

Фаренгейт опубликовал статью с описанием своей шкалы в журнале Philosophical Transactions в 1724 году.В том же году Фаренгейт был принят в Королевское общество, национальную академию наук Соединенного Королевства. Григулл писал: «Его членство в Королевском обществе привело к тому, что его термометр и, следовательно, его шкала получили особое признание в Англии, а затем и в Северной Америке и Британской империи». Система измерения Фаренгейта, которую иногда называют частью имперской системы, путешествовала по миру вместе с Британской империей.

Связано: Мировой океан нагревается ускоренными темпами.

Однако сегодня лишь несколько стран все еще используют градусы Фаренгейта для измерения температуры. Соединенные Штаты и их территории, а также Багамы, Палау, Белиз, Каймановы острова, Федеративные Штаты Микронезии и Маршалловы острова придерживаются температурной шкалы, несмотря на то, что остальной мир перешел на шкалу Цельсия. к онлайн-ресурсу по географии Атлас мира .

После смерти Фаренгейта в 1736 году шкала Фаренгейта была перекалибрована, чтобы сделать ее немного более точной.Точные точки замерзания и кипения простой воды без соли были отмечены как 32 и 212 градусов по Фаренгейту соответственно. Нормальная температура человеческого тела составляла 98,6.

Подробнее: Изменилась ли средняя температура человеческого тела?

Температуру в градусах Фаренгейта часто выражают числом, за которым следует или просто F.

Цельсия: более научная шкала

«Андерса Цельсия следует признать первым, кто провел и опубликовал тщательные эксперименты, направленные на определение температуры. международная температурная шкала на научных основаниях », — написал Олоф Бекман , физик твердого тела из Упсальского университета в Швеции.Цельсий был шведским астрономом, и ему приписывают открытие связи между северным сиянием , также известным как Северное сияние, и магнитным полем Земли , а также метод определения яркости звезд , согласно Национальная лаборатория сильного магнитного поля США .

В предложении Шведской королевской академии наук в 1742 году Цельсий предложил шкалу, основанную на двух фиксированных точках: 0 (точка кипения воды) и 100 (точка замерзания воды).После смерти Цельсия в 1744 году известный шведский систематик Карл Линней предложил поменять местами фиксированные точки, где 0 указывает точку замерзания воды, а 100 — точку кипения, согласно The Legacy of Anders Celsius в JSTOR Daily. электронная библиотека. Шкала также была расширена за счет включения отрицательных чисел.

Цельсий первоначально назвал свою шкалу «Цельсия» от латинского слова, обозначающего сто («санти») градусов («степень»), потому что между замерзанием и кипением воды было 100 пунктов.В 1948 году международная конференция по мерам и весам (Conference General des Poids et Measures) изменила название на «Цельсий» в честь Андерса Цельсия в соответствии с Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST) .

Связано: Поскольку Парижское соглашение 2015 года направлено на сокращение выбросов, мы уже превысили целевые показатели по потеплению.

Шкала Цельсия является частью метрической системы, также известной как Международная система единиц (СИ).Температуру в градусах Цельсия можно выразить числом градусов с последующими символами ℃ или просто C.

Шкала Цельсия имеет 100 градусов между закипанием и замерзанием воды, а по Фаренгейту — 180 градусов. Это означает, что один градус Цельсия равен 1,8 градусу Фаренгейта. При -40 ° обе шкалы имеют одинаковое значение: -40 C = -40 F.

Кельвин: абсолютная шкала для ученых

В 1848 году британский математик и ученый Уильям Томсон (также известный как лорд Кельвин) предложил абсолютную шкалу. температурная шкала, которая не зависела от свойств такого вещества, как лед или человеческое тело.Он предположил, что диапазон возможных температур во Вселенной намного превышает диапазон, предложенный Цельсием и Фаренгейтом. Согласно NIST концепция абсолютного минимума температуры не была новой, но Кельвин поставил ей точное число: 0 кельвинов равно -273,15 C.

Связано: Какое самое холодное место во Вселенной?

«Термодинамическая температура» отличается от температур, основанных на точках замерзания и плавления жидкостей, сказала Live Science Юлия Шершлигт, эксперт по метрологии вакуума и давления в Национальном институте науки и технологий в США.

«Термодинамическая температура является абсолютной, а не относительно фиксированных точек. Она описывает количество кинетической энергии, содержащейся в частицах, которые составляют сгусток материи, который покачивается и покачивается на субмикроскопических уровнях», — сказала она. «По мере того, как температура падает, частицы замедляются, пока в какой-то момент все движение не прекращается. Это абсолютный ноль, который является эталоном шкалы Кельвина».

Связано: Ученые установили новый рекорд самой холодной естественной температуры в Гренландии.

Абсолютный ноль возникает при -273,15 C или -459,67 F. До недавнего времени ученые думали, что люди не могут воссоздать эту температуру (потому что для того, чтобы стать таким холодным, в систему необходимо добавить энергию, чтобы охладить ее, а это означает, что система будет теплее абсолютного нуля). Но в 2013 году немецким физикам удалось довести частицы до парадоксальной температуры ниже абсолютного нуля .

По мнению Кельвина, абсолютный ноль был местом, где должна начинаться шкала температуры, но для удобства он использовал маркеры и интервалы широко известной шкалы Цельсия в качестве основы для своей собственной. Таким образом, по шкале Кельвина вода замерзает при 273,15 K (0 C) и закипает при 373,15 K, или 100 C.

Один кельвин называется единицей, а не градусом, и равен единице. градус по шкале Цельсия. Шкала Кельвина в основном используется учеными.

В 2018 году Кельвин был изменен, чтобы сделать его более точным, согласно статье в журнале Metrologia , и теперь его определение привязано к постоянной Больцмана . Эта постоянная связывает температуру с кинетической энергией внутри вещества.

Новое определение, согласно Генеральной конференции по мерам и весам , гласит: «Кельвин, символ K, является единицей измерения термодинамической температуры в системе СИ; его величина устанавливается путем фиксации числового значения постоянной Больцмана равной равняется точно 1.380649 × 10-23 … Дж К-1 [джоулей на кельвин]. «

Какая шкала лучше?

Лучшая шкала для измерения температуры может варьироваться в зависимости от обстоятельств, а именно от сообщества, с которым вы делитесь информацией. Исторически сложилось так, что американцы используют Шкала Фаренгейта для повседневной жизни, в том числе для погоды и приготовления пищи, поэтому лучше всего использовать измерения Фаренгейта в Соединенных Штатах.Но большинство стран используют градусы Цельсия, поэтому лучше использовать эту шкалу для остальной части земного шара и при международном общении. В конечном счете, лучшая шкала для случайного использования зависит от условностей и того, что используют люди вокруг вас.

Но какая шкала самая точная?

«Точность — не особенность весов», — сказал Шершлигт. Скорее, точность измерения зависит от шага используемого термометра и техники человека, который его использует.«Число может быть измерено с произвольной точностью по любой шкале. Но только кельвин основан на физике, что означает, что это самая точная шкала».

Шкала Кельвина, основанная на физических свойствах любого газа, может быть откалибрована точно в любой точке Вселенной с помощью подходящего оборудования и универсальной постоянной. Вот почему ученые часто предпочитают использовать в своих экспериментах шкалу Кельвина.

Формулы преобразования

Цельсия в Фаренгейт: Умножить на 9, разделить на 5, затем прибавить 32

Фаренгейта к Цельсию: Вычесть 32, затем умножить на 5, затем разделить на 9

Цельсия в Кельвин: Прибавьте 273

Кельвина к Цельсию: Вычтите 273

Фаренгейта к Кельвину: Вычтите 32, умножьте на 5, разделите на 9 и затем прибавьте 273.15

Кельвин в Фаренгейт: Вычтите 273,15, умножьте на 1,8 и затем добавьте 32

Дополнительные ресурсы

• Вот видео о том, как сделать термометр в домашних условиях.
• В этом видео сравниваются самые низкие температуры, известные человеку, с самыми высокими.
• Встречайте универсальные константы , которые определяют Международную систему единиц, также известную как метрическая система.

Самое холодное место во Вселенной | Наука

Где самое холодное место во Вселенной? Только не на Луне, где температура опускается до минус 378 по Фаренгейту.Даже в самом глубоком космическом пространстве, где оценочная фоновая температура составляет около минус 455 ° F. Насколько могут судить ученые, здесь, на Земле, недавно наблюдались самые низкие из когда-либо достигнутых температур.

Рекордные минимумы были одними из последних достижений ультрахолодной физики, лабораторных исследований материи при температурах настолько ошеломляюще холодных, что атомы и даже сам свет ведут себя весьма необычным образом.Электрическое сопротивление в некоторых элементах исчезает ниже минус 440 ° F, это явление называется сверхпроводимостью. При еще более низких температурах некоторые сжиженные газы становятся «сверхтекучими», способными просачиваться через стенки, достаточно твердыми, чтобы удерживать любой другой вид жидкости; они даже, кажется, бросают вызов гравитации, когда ползут вверх, выходят из своих контейнеров.

Физики признают, что они никогда не смогут достичь самой холодной мыслимой температуры, известной как абсолютный ноль и которая давно была рассчитана как минус 459.67 ° F. Для физиков температура — это мера того, насколько быстро движутся атомы, отражение их энергии, а абсолютный ноль — это точка, в которой не остается абсолютно никакой тепловой энергии, которую можно было бы извлечь из вещества.

Но некоторые физики намерены как можно ближе приблизиться к этому теоретическому пределу, и я посетил лабораторию Вольфганга Кеттерле в Массачусетском технологическом институте в Кембридже, чтобы получить лучшее представление об этом самом редком из соревнований.В настоящее время он является рекордсменом — по крайней мере, согласно Книге рекордов Гиннеса за 2008 год — — по самой низкой температуре: 810 триллионных градуса по Фаренгейту выше абсолютного нуля. Кеттерле и его коллеги совершили этот подвиг в 2003 году, работая с облаком — около одной тысячной дюйма в поперечнике — молекул натрия, захваченных магнитами.

Я прошу Кеттерле показать мне место, где они установили рекорд. Мы надеваем очки, чтобы защитить себя от ослепления инфракрасным светом лазерных лучей, которые используются для замедления и охлаждения быстро движущихся атомных частиц.Мы пересекаем холл из его солнечного кабинета в темную комнату с переплетенными между собой проводами, маленькими зеркалами, электронными лампами, лазерными источниками и мощным компьютерным оборудованием. «Прямо здесь», — говорит он, его голос повышается от возбуждения, когда он указывает на черный ящик, в который ведет трубка, обернутая алюминиевой фольгой. «Здесь мы установили самую низкую температуру».

Достижение Кеттерле явилось результатом его поисков совершенно новой формы материи, называемой конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК).Конденсаты не являются стандартными газами, жидкостями или даже твердыми телами. Они образуются, когда облако атомов — иногда миллионы или более — все входят в одно и то же квантовое состояние и ведут себя как одно целое. Альберт Эйнштейн и индийский физик Сатьендра Бозе в 1925 году предсказали, что ученые могут создавать такую ​​материю, подвергая атомы воздействию температур, приближающихся к абсолютному нулю. Семьдесят лет спустя Кеттерле, работающий в Массачусетском технологическом институте, и почти одновременно Карл Виман, работающий в Университете Колорадо в Боулдере, и Эрик Корнелл из Национального института стандартов и технологий в Боулдере создали первые конденсаты Бозе-Эйнштейна.Все трое быстро получили Нобелевскую премию. Команда Кеттерле использует БЭК для изучения основных свойств материи, таких как сжимаемость, и лучшего понимания странных низкотемпературных явлений, таких как сверхтекучесть. В конечном итоге Кеттерле, как и многие физики, надеется открыть новые формы материи, которые могут действовать как сверхпроводники при комнатной температуре, что произведет революцию в том, как люди используют энергию. Для большинства лауреатов Нобелевской премии эта честь ограничивает долгую карьеру. Но для Кеттерле, которому было 44 года, когда он получил награду, создание BEC открыло новую область, которую он и его коллеги будут исследовать на протяжении десятилетий.

Еще один претендент на самое холодное место находится в другом конце Кембриджа, в лаборатории Лене Вестергаард Хау в Гарварде. Ее личный рекорд — несколько миллионных долей F выше абсолютного нуля, что близко к показателю Кеттерле, которого она тоже достигла при создании BEC. «Теперь мы делаем BEC каждый день», — говорит она, когда мы спускаемся по лестнице в лабораторию, заполненную оборудованием. Платформа размером с бильярдный стол в центре комнаты выглядит как лабиринт, состоящий из крошечных овальных зеркал и лазерных лучей толщиной с карандаш.Используя BEC, Хау и ее сотрудники сделали то, что может показаться невозможным: они практически полностью остановили свет.

Скорость света, как мы все слышали, постоянна: 186 171 миля в секунду в вакууме. Но в реальном мире, за пределами вакуума, все по-другому; например, свет не только изгибается, но и немного замедляется, когда проходит через стекло или воду. Тем не менее, это ничто по сравнению с тем, что происходит, когда Хау направляет лазерный луч света на BEC: это все равно, что бросить бейсбольный мяч в подушку.«Во-первых, мы снизили скорость до скорости велосипеда», — говорит Хау. «Теперь он ползет, и мы действительно можем остановить его — держать свет в бутылке полностью внутри BEC, смотреть на него, играть с ним и затем отпускать его, когда мы будем готовы».

Она может управлять светом таким образом, потому что плотность и температура БЭК замедляют световые импульсы. (Недавно она пошла дальше экспериментов, остановив импульс в одном BEC, преобразовав его в электрическую энергию, передав его другому BEC, затем выпуская его и отправив снова.) Hau использует BEC, чтобы узнать больше о природе света и о том, как использовать «медленный свет» — то есть свет, заключенный в BEC, — чтобы повысить скорость обработки компьютеров и предоставить новые способы хранения информации.

Не все ультрахолодные исследования проводятся с использованием БЭК. В Финляндии, например, физик Юха Туориниеми с помощью магнитов манипулирует ядрами атомов родия, чтобы достичь температуры 180 триллионных долей градуса F выше абсолютного нуля. (Несмотря на рекорд Гиннеса, многие эксперты приписывают Туориниеми достижение еще более низких температур, чем Кеттерле, но это зависит от того, измеряете ли вы группу атомов, такую ​​как BEC, или только части атомов, такие как ядра.)

Может показаться, что абсолютный ноль стоит попытаться достичь, но Кеттерле говорит, что знает лучше. «Мы не пытаемся», — говорит он. «Там, где мы находимся, достаточно холодно для наших экспериментов». Это просто не стоит проблем, не говоря уже о том, что, согласно физическим представлениям о тепле и законах термодинамики, это невозможно.