Что такое абсолютный ноль температуры в физике: Абсолютный нуль температуры | это… Что такое Абсолютный нуль температуры?

Абсолютный ноль

Поделиться:

Абсолютный ноль температуры (-273.15 °С) — это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C или -459,67 °F (по Фаренгейту).

В рамках применимости термодинамики абсолютный нуль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки (жидкий гелий составляет исключение). Однако, с точки зрения квантовой физики и при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего.

 Что такое температура.

Температура — важная физическая величина, удобное и понятное обозначение для бытовых определений «тепло» или «холодно». Говоря о градусах Цельсия, до которых остыл или нагрелся воздух, мы в первую очередь задумываемся о том, что надеть, а не о физическом смысле явления. Хотя он очень и очень интересен. Ещё больше некоторых интересует, а насколько суровым и трескучим может быть мороз? Как сильно можно охладить тело? До нуля, конечно. Только до абсолютного и то не совсем. Всему виной опять же законы природы, которые описывает физика.

Агрегатные состояния вещества при изменении температуры

Измерение температуры дело довольно сложное — для начала следует понять, что такое температура. В термодинамике степень нагретости тела определяется как скорость броуновского (хаотического) движения его молекул. Нагрев (передача телу тепловой энергии) приводит к тому, что молекулы начинают двигаться все быстрее, тело сначала плавится, затем полученная жидкость закипает, далее молекулы начинают двигаться со все большей скоростью и образуется газ.

Попробуем представить обратный процесс — мы отнимаем у тела тепло:

Поначалу газ конденсируется в жидкость, затем она превращается в твердое тело. Дальнейшее охлаждение приводит к еще большему замедлению молекул, вернее скорости их колебания возле узлов кристаллической решетки. Сразу возникает вопрос можно ли охлаждением добиться полного прекращения броуновского движения?

Итак, чтобы разобраться в вопросе, надо понять, а каков смысл температуры? Градусы по Цельсию, Кельвину, Фаренгейту — всего лишь понятная человеку форма, которая описывает энергию молекул. Представьте себе жаркий день, обжигающий воздух и зимнюю ночь. В первом случае энергия молекул, которые составляют газ, будет очень высокой, а во втором — низкой. Температура и описывает меру этой энергии. Конечно, есть более точные и правильные определения,где говорится об энтропии, но не будем их рассматривать, чтобы не усложнять заметку.

Возможно ли достижение температуры тела абсолютного ноля.

Чем холоднее объект, тем меньше энергия его молекул, тем менее интенсивно они движутся. Естественно, если мы охлаждаем газ или твёрдое тело, то замедляем молекулы. И вот, достигнув температуры -273,15 градуса по Цельсию или 0 по Кельвину, нас ждёт абсолютный предел, абсолютный холод. Далее смысл охлаждения просто теряется — молекулы и так замерли. Говорят, что достигнута температура полного прекращения теплового движения. Абсолютный ноль.

Но здесь стоит сделать очень важную оговорку. Хотя современные устройства позволяют достаточно быстро получать температуры, близкие к абсолютному нолю, цифры в -273,15 достигнуть не удастся. Помешает квантовый мир с его странными и причудливыми правилами. Мельчайшие частицы никогда не смогут замереть, это противоречит принципу неопределённости — такое состояние можно будет описать как редкие повороты на долю градуса.

Температурная шкала Цельсия, термодинамическая шкала Кельвина и шкала Фаренгейта.

Абсолютный ноль лежит в основе шкалы измерения температуры — шкалы Кельвина. Она удобна для расчётов и используется в технике. Шкала Кельвина наиболее правильно отражает состояние молекул, не обладая участками с отрицательным значением температур.

Спасибо что прочитали!

Следите за погодой и климатом вместе с нами!

С Уважением, Маглипогода!

Информация, которая размещается на сайте, не считается официальной. 
На всех страницах функционирует система уведомления правописания. Обнаружив ошибку или неточность в тексте, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter.

С Уважением, Маглипогода!

Дисклеймер. Материалы, размещенные на данном сайте не являются официальными и не могут быть использованы, как эталонные! Все материалы предоставляются по принципу «как есть», без каких-либо явных или подразумеваемых гарантий. Команда проекта «Маглипогода» не несет и не может нести какую-либо ответственность за последствия использования этих материалов. При использовании материалов сайта, активная гиперссылка на соответствующую статью или страницу обязательна, при этом любое искажение оригнального текста или его рерайтинг строго запрещены!

Поддержите сайт!

Как ученые рассчитали значение абсолютного нуля

Абсолютный нуль представляет собой минимальный предел температур, достичь которого, согласно законам термодинамики, нельзя. Но как ученым удалось рассчитать это значение?

Deskarati.com

Согласно законам термодинамики, абсолютный нуль недостижим. При этой температуре все атомы и молекулы обладают минимумом энергии

Температура является мерой движения атомов и молекул. С этой точки зрения абсолютный нуль представляет собой температуру, при которой атомы и молекулы перестают двигаться — у них просто нет энергии для передвижения или колебаний. Меньшие по размеру элементарные частицы могут двигаться даже при, казалось бы, полном отсутствии энергии. Это объясняется принципом неопределенности Гейзенберга, согласно которому мы не можем одновременно точно измерить координату и импульс квантовой частицы. 

Достичь этого минимального предела с точки зрения термодинамики нельзя — для этого потребуется тело с температурой, равной или меньше абсолютного нуля, что невозможно. В современных системах для охлаждения вещества его заставляют совершать работу, в результате чего оно теряет энергию и остывает.

Для приближения вплотную к пределу ученые направляют лазерные лучи на движущиеся атомы противоположно направлению движения, чтобы уменьшить их скорость. На сегодняшний день физики смогли охладить вещество до температуры всего на 10^-12 градуса выше абсолютного нуля — пока что это рекорд.

Абсолютный нуль считается началом отсчета абсолютных температурных шкал, в частности, шкалы Кельвина. По этой шкале температура замерзания воды составляет 273,16 градуса. Впервые о возможности существования минимума температур высказался Роберт Бойль в 1665 году. Он думал, что существует некое тело, имеющее минимальную температуру и содержащееся в других телах. Согласно Бойлю, именно благодаря этому телу все остальные объекты имеют свою температуру.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

За ним последовали эксперименты французского физика Гийома Амонтона, который с помощью своего «воздушного» термометра измерял «упругость» воздуха. Физик утверждал, что самой низкой будет та температура, при которой упругость воздуха станет нулевой.

По шкале Гийома Амонтона абсолютный нуль должен быть равен примерно -240°C. Физик просто взял значение упругости при двух температурах (например, кипения и замерзания воды) и представил зависимость этих двух величин друг от друга в виде прямой. Распространив прямую на всю ось координат, ученый выяснил, что нулевое значение упругости воздух будет иметь при температуре в -240°C. 

Впоследствии принимались и другие попытки рассчитать значение абсолютного нуля. И не все из полученных исследователями значений оказались близки к истине. Например, один из выдающихся химиков XVIII и XIX века Джон Дальтон посчитал, что абсолютный нуль должен быть примерно при температуре в -3000°C. Большая часть первых попыток посчитать абсолютный нуль температур основывалась на свойствах каких-либо соединений.

Лорд Кельвин первый использовал для своих расчетов только теоретические выкладки. Используя теорию Карно, он впервые вывел температуру, при которой атомы любого физического тела становятся неподвижны. Она оказалась равной примерно -273°C. До начала XX века, пока не появились более точные методы анализа, ученые пользовались разными значениями абсолютного нуля — от -271,1°C до -274,5°C.

Абсолютный ноль | Определение и факты

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Britannica Beyond
  Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Просить. Мы не будем возражать.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

Викторины

• Апрельские дожди для мартовских львов и ягнят

Абсолютный ноль — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Рис. 1. Термометр, простирающийся от центра Виктории до Сент-Джонса. В Виктории будет комнатная температура, вода замерзнет на границе AB-BC, а абсолютный ноль будет в гавани в центре Сент-Джонса. Конденсат Бозе-Эйнштейна находится на расстоянии нескольких нанокельвинов (несколько песчинок) от конца). ^[1]

Температура — это мера количества тепловой энергии в системе. Это измерение означает, что все атомы и молекулы, которые движутся вокруг, обладают определенной кинетической энергией (и, что менее очевидно, потенциальной энергией). Когда все молекулы (или атомы) в системе полностью перестают двигаться, это настолько холодно, насколько это возможно. Эта температура, при которой вообще нет тепловой энергии, называется

абсолютным нулем . ^[2]

Численно это записывается как 0 K, -273,15°C или -4590,67°F.

Идея абсолютного нуля играет роль в понимании того, сколько энергии доступно от молекул газа в законе идеального газа, поскольку температура должна быть измерена в абсолютной шкале (например, в Кельвине), чтобы закон идеального газа имел смысл. ^[2] Кроме того, идея абсолютного нуля играет роль в физике излучения черного тела (сколько энергии излучается объектом при определенной температуре) и максимально возможной эффективности тепловой машины (называемой эффективностью Карно).

Концепция абсолютного нуля также является частью физики изменения климата. Средняя температура Земли, которая составляет около 15 ° C, будет 288 K. Если парниковые газы увеличат температуру планеты на 1%, то она поднимется не на 0,15 градуса, а на 2,88 градуса. Кельвин и Цельсий имеют одинаковое приращение градусов, но Кельвин — это абсолютная шкала (это означает, что его нулевая точка действительно равна нулю), а Цельсий — относительная шкала (эта нулевая точка произвольна — она ​​была выбрана ученым). Вот почему температура увеличилась бы на 2,88 градуса вместо 0,15 градуса. Понимание того, как эти небольшие процентные изменения температуры Земли могут привести к серьезным последствиям для планеты, является важной частью науки о климате.

^[3]

Термодинамика показала, что достичь абсолютного нуля невозможно, но физики подошли очень близко. ^[2] Используя лазерное охлаждение и магнитный захват, эксперименты позволили снизить температуру атомов до нескольких нК (10 ^-9 К) с образованием конденсата Бозе-Эйнштейна. Чтобы дать представление о том, насколько здесь холодно, представьте себе термометр, протянувшийся от Виктории, Британская Колумбия, до Сент-Джонса, Ньюфаундленд (7500 км) (см. рис. 1).

• 293 K (20°C) Комнатная температура – ​​центр города Виктория
• 273 K (0°C) Вода замерзает – граница Британской Колумбии и Альберты
• 0 K — гавань в центре города Сент-Джонс Ньюфаундленд
• 1 нК — 0,026 мм от порта, менее песчинки от конца термометра!

Для дальнейшего чтения

• Температура
• по Цельсию
• по Фаренгейту
• Климат
• Тепловая энергия
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

1. ↑ Изменено из: Siim Sepp (Собственная работа) [CC BY-SA 3.