Предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры. Однако объем реальных газов при абсолютном нуле температуры обращаться в нуль не может. Имеет ли смысл тогда это предельное значение температуры?
Предельная температура, существование которой вытекает из закона Гей-Люссака, имеет смысл, так как практически можно приблизить свойства реального газа к свойствам идеального. Для этого надо брать все более разреженный газ, так чтобы его плотность стремилась к нулю. У такого газа действительно объем с понижением температуры будет стремиться к предельному, близкому к нулю.
Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Приравнивая объем V в формуле (3.6.4) нулю и учитывая, что
Отсюда абсолютный нуль температуры равен
* Более точное значение абсолютного нуля: -273,15 °С.
Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.
Шкала Кельвина
Кельвин Уильям (Томсон У.) (1824- 1907) - выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.
Кельвин ввел абсолютную шкалу температур и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости. В связи с прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля Кельвин разработал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу для периода свободных колебаний в контуре. За научные заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина.
Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой
(3.7.6)
На рисунке 3.11 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.
Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.
Таким образом, абсолютная температура по определению, даваемому формулой (3.7.6), является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения а. Однако она имеет фундаментальное значение.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При Т = О К тепловое движение молекул прекращается. Подробнее об этом пойдет речь в главе 4.
Зависимость объема от абсолютной температуры
Применяя шкалу Кельвина, закон Гей-Люссака (3.6.4) можно записать в более простой форме. Так как
(3.7.7)
Объем газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.
Отсюда следует, что отношение объемов газа одной и той же массы в различных состояниях при одном и том же давлении равно отношению абсолютных температур:
(3.7.8)
Существует минимально возможная температура, при которой объем (и давление) идеального газа обращаются в нуль. Это абсолютный нуль температуры: -273 °С. Удобно отсчитывать температуру от абсолютного нуля. Так строится абсолютная шкала температур.
Термин «температура» появился во времена, когда ученые-физики думали, что теплые тела состоят из большего количества специфической субстанции - теплорода, - чем такие же тела, но холодные. А температура трактовалась как величина, соответствующая количеству теплорода в теле. С тех пор температуру любых тел измеряют в градусах. Но на самом деле это мера кинетической энергии движущихся молекул, и, исходя из этого, ее следует измерять в Джоулях, в соответствии с Системой единиц Си.
Понятие «абсолютный ноль температуры» исходит из второго начала термодинамики. По нему процесс перехода тепла от холодного тела к горячему невозможен. Это понятие введено английским физиком У. Томсоном. Ему за достижения в физике было даровано дворянское звание «лорд» и титул «барон Кельвин». В 1848 г. У.Томсон (Кельвин) предложил использовать температурную шкалу, в которой за начальную точку принял абсолютный ноль температуры, соответствующий предельному холоду, а ценой деления взял градус Цельсия. Единицей Кельвина является 1/27316 доля температуры тройной точки воды (около 0 град. С), т.е. температуры, при которой чистая вода сразу находится в трех видах: лед, жидкая вода и пар. температуры - это минимально возможная низкая температура, при которой движение молекул останавливается, и из вещества уже невозможно извлечь тепловую энергию. С тех пор шкала абсолютных температур стала называться его именем.
Температура измеряется по разным шкалам
Наиболее употребляемая шкала температуры носит название «шкала Цельсия». Она построена на двух точках: на температуре фазового перехода воды из жидкости в пар и воды в лед. А. Цельсий в 1742 г. предложил расстояние между опорными точками разделить на 100 промежутков, а воды принять за ноль, при этом точку замерзания за 100 градусов. Но швед К. Линней предложил сделать наоборот. С тех пор вода замерзает при ноле градусов А. Цельсия. Хотя точно по Цельсию она должна кипеть. Абсолютный ноль по Цельсию соответствует минус 273,16 градусов Цельсия.
Есть еще несколько температурных шкал: Фаренгейта, Реомюра, Ранкина, Ньютона, Рёмера. Они имеют разные и цену деления. Например шкала Реомюра тоже построена на реперах кипения и замерзания воды, но она имеет 80 делений. Шкала Фаренгейта, появившаяся в 1724 г., используется в быту только в некоторых странах мира, в т. ч. США; одна - температура смеси водяной лед - нашатырь и другая - человеческого тела. Шкала делится на сто делений. Ноль Цельсия соответствует 32 Перевод градусов в фаренгейты можно сделать по формуле: F = 1,8 C + 32. Обратный перевод: С = (F - 32)/1,8, где: F - градусы Фаренгейта, С - градусы Цельсия. Если вам лень считать, сходите в онлайн-сервис по переводу Цельсия в Фаренгейты. В рамочке наберите число градусов Цельсия, нажмите «Рассчитать», выберите «Фаренгейт» и нажмите «Пуск». Результат появится сразу.
Названа в честь английского (точнее шотландского) физика Уильяма Дж. Ранкина, бывшего современником Кельвина и одним из создателей технической термодинамики. В его шкале важных точек три: начало - абсолютный ноль, точки замерзания воды 491,67 градус Ранкина и закипания воды 671,67 град. Число делений между замерзанием воды и ее закипанием и у Ранкина, и у Фаренгейта равно 180.
Большинством этих шкал пользуются исключительно физики. А 40% опрошенных в наши дни американских школьников выпускных классов сказали, что они не знают, что такое абсолютный ноль температуры.
Любое физическое тело, включая все объекты во Вселенной, имеет минимальный показатель температуры или ее предел. За точку отсчета любой температурной шкалы и принято считать значение абсолютного нуля температур. Но это только в теории. Хаотичное движение атомов и молекул, которые отдают в это время свою энергию, остановить пока на практике не удалось.
Это и есть основная причина, почему нельзя достичь абсолютного нуля температур. До сих пор ведутся споры и о последствиях этого процесса. С точки зрения термодинамики этот предел недостижим, так как тепловое движение атомов и молекул прекращается полностью, образуется кристаллическая решетка.
Представители квантовой физики предусматривают наличие при абсолютном нуле температур минимальных нулевых колебаний.
Какое значение абсолютного нуля температур и почему его нельзя достичь
На генеральной конференции по мерам и весам была установлена впервые реперная или точка отсчета для измерительных приборов, определяющих показатели температуры.
В настоящее время в Международной системе единиц реперная точка для шкалы Цельсия составляет 0°C при замерзании и 100°C в процессе кипения, значение абсолютного нуля температур приравнивается к −273,15°C.
Используя температурные значения по шкале Кельвина по той же Международный системе измерения единиц, кипение воды будет происходить при реперном значении 99,975°C, абсолютный нуль приравнивается к 0. По Фаренгейту на шкале соответствует показателю -459,67 градусов.
Но, если эти данные получены, почему тогда нельзя на практике достичь абсолютного нуля температур. Для сравнения можно взять известную всем скорость света, которая равна постоянному физическому значению 1 079 252 848,8 км/ч.
Однако эту величину достичь не удается на практике. Она зависит и от длины волны передачи, и от условий, и от необходимого поглощения большого количества энергии частицами. Чтобы получить значение абсолютного нуля температур, необходима большая отдача энергии и отсутствие ее источников для предотвращения попадания ее в атомы и молекулы.
Но даже в условиях полного вакуума ни скорости света, ни абсолютного нуля температур ученым получить так и не удалось.
Почему можно достичь приблизительного нуля температур, но нельзя абсолютного
Что же будет происходить, когда наука сможет вплотную приблизиться к достижению предельно низкого показателя температуры абсолютного нуля, пока остается только в теории термодинамики и квантовой физики. В чем причина, почему нельзя достичь абсолютного нуля температур на практике.
Все известные попытки охладить вещество до самой низкой предельной границы за счет максимальной потери энергии приводили к тому, что значение теплоемкости вещества так же достигало минимального значения. Отдавать оставшуюся часть энергии молекулы уже были просто не в состоянии. В результате процесс охлаждения прекращался, так и не достигнув абсолютного нуля.
При изучении поведения металлов в условиях, приближенных к значению абсолютного нуля температур, ученые установили, что максимальное понижение температуры должно спровоцировать потерю сопротивления.
Но прекращение движения атомов и молекул привело только к образованию кристаллической решетки, через которую проходящие электроны передавали часть своей энергии неподвижным атомам. Достичь абсолютного нуля опять не удалось.
В 2003 году до температуры абсолютного нуля не хватило всего лишь половины миллиардной доли 1°C. Исследователи «NASA» использовали для проведения опытов молекулу Na, которая все время находилась в магнитном поле и отдавала свою энергию.
Ближе всех стало достижение ученых Йельского университета, которое в 2014 году добилась показателя в 0,0025 Кельвинов. Полученное соединение монофторид стронция (SrF) существовало всего лишь 2,5 секунды. И в итоге все равно распалось на атомы.
Температура является количественной мерой «нагретости» тела. Понятие температуры занимает особое место в ряду физических величин, определяющих состояние системы. Температура не только характеризует состояние теплового равновесия данного тела. Она является также тем параметром, который принимает одинаковое значение для любых двух или большего числа тел, находящихся в тепловом равновесии друг с другом, т.е. характеризует тепловое равновесие системы тел. Это значит, что если два или несколько тел, имеющих разные температуры, привести в контакт, то в результате взаимодействия между молекулами эти тела примут одинаковое значение температуры.
Молекулярно-кинетическая теория позволяет выяснить физический смысл температуры. Сравнивая выражения (2.4) и (2.7), видим, что они совпадают, если положить
(2.9)
Эти соотношения называют вторыми основными уравнениями молекулярно-кинетической теории газов. Они показывают, что абсолютная температура есть величина, определяющая среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул; она является мерой энергии поступательного движения молекул, а тем самым и интенсивности теплового движения молекул. В этом состоит молекулярно-кинетический смысл абсолютной температуры. Как видим, процесс нагревания тела непосредственно связан с увеличением средней кинетической энергии частиц тела. Из (2.9) видно, что абсолютная температура – величина положительная: 
Значение 
называется абсолютным нулем температуры. Согласно (2.8) при абсолютном нуле должно полностью прекращаться поступательное движение частиц (
). Следует, однако, отметить, что при низких температурах газ переходит в конденсированное состояние. Следовательно, теряют смысл и все выводы, сделанные на основе кинетической теории газов. И при абсолютном нуле температуры движение не исчезает. Движение электронов в атомах, движение свободных электронов в металлах полностью сохраняются и при температуре абсолютного нуля. Кроме того, даже при абсолютном нуле сохраняется некоторое колебательное движение атомов внутри молекул и атомов в узлах кристаллической решетки. Существование этих колебаний связано с наличием нулевой энергии у квантового гармонического осциллятора (
), в качестве которого можно рассматривать указанные выше колебания атомов. Эта энергия не зависит от температуры, а значит, не обращается в нуль и при . При низких температурах классические представления о движении перестают выполняться. В этой области действуют квантовые законы, в соответствии с которыми движение частиц не прекращается, даже если понизить температуру тела до абсолютного нуля. Но скорость этого движения уже не зависит от температуры и это движение не является тепловым. Это подтверждается и принципом неопределенности. Если бы частицы тела покоились, то их положения (координаты x
, y
, z) и импульсы (проекции импульса p x
, p y
, p z
) были бы точно определены 
и т.д., а это противоречит соотношениям неопределенностей 
и т.д. Абсолютный нуль не достижим. Ниже будет показано, что абсолютный нуль температуры означает такое состояние системы, при котором система находится в состоянии с наименьшей энергией, и поэтому дальнейшее уменьшение интенсивности движения ее частиц за счет отдачи его энергии окружающим телам не возможно.
Формулу (2.7) можно записать в виде.
Эта формула может служить определением понятия абсолютной температуры для одноатомного газа. Температуру любой другой системы можно определить как величину, равную температуре одноатомного газа, находящегося в тепловом равновесии с этой системой. Определение температуры с помощью этой формулы верно вплоть до температур, при которых уже нельзя пренебречь вероятностью возникновения электронно-возбужденных состояний атомов газа.
Соотношение (2.8) позволяет ввести так называемую среднюю квадратичную скорость молекулы , определив ее как
Тогда получим
Понятие абсолютной температуры можно более строго ввести в статистической физике, где ее можно рассматривать как модуль статистического распределения частиц по энергиям. Отметим также, что поскольку температура, так же как и давление, как видно из формул (2.7) и (2.8), определяется средней кинетической энергией молекулы идеального газа, то тони представляют собой статистические величины и, следовательно, бессмысленно говорить о температуре или давлении одной или небольшого числа молекул.
Наука
До недавних пор, самой холодной температурой, которую могло иметь физическое тело, считалась температура "абсолютного нуля" по шкале Кельвина. Это соответствует −273,15 градусам по Цельсию или −460 градусам по Фаренгейту.
Теперь же физики из Германии смогли достичь температуры ниже абсолютного нуля. Такое открытие поможет ученым понять такие явления, как темная энергия и создать новые формы вещества.
Абсолютный ноль температуры
В середине 19-го века, британский физик лорд Кельвин создал шкалу абсолютной температуры и определил, что ничто не может быть холоднее, чем абсолютный ноль . Когда частицы находятся при температуре абсолютного нуля, они перестают движение и у них отсутствует энергия.
Температура объекта - это мера того, насколько атомы движутся. Чем холоднее объект, тем медленнее движутся атомы. При температуре абсолютного нуля или -273,15 градусах по Цельсию, атомы перестают двигаться.
В 1950-х годах, физики начали утверждать, что частицы не всегда теряют энергию при абсолютном нуле.
Ученые из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге создали газ, который стал холоднее абсолютного нуля на несколько нанокельвинов .
Они охладили около 100 000 атомов до положительной температуры нескольких нанокельвинов (нанокельвин – одна миллиардная часть кельвина) и использовали сеть лазерных лучей и магнитных полей, чтобы контролировать поведение атомов, и подтолкнуть их к новому пределу температуры.
Самая высокая температура
Если самая низкая возможная температура считается абсолютным нулем, то какая температура может считаться его противоположностью - самой высокой температурой? Согласно космологическим моделям, самая высокая возможная температура – это планковская температура, которая соответствует 1.416785(71)х1032 кельвинов (141 нониллион 679 октиллионов градусов).
Наша Вселенная уже проходила через планковскую температуру. Это случилось через 10^-42 секунд после Большого взрыва, когда родилась Вселенная.
Самая низкая температура на Земле
Самая низкая температура на Земле была зафиксирована 21 июля 1983 году на станции Восток в Антарктиде, и она составила -89,2 градуса по Цельсию .
Станция Восток – самое холодное постоянное населенное место на Земле. Она была основана Россией в 1957 году и расположена на высоте 3488 метров над уровнем моря.
Самая высокая температура на Земле
Самая высокая температура на Земле была зарегистрирована 10 июля 1913 года в Долине Смерти в Калифорнии и она составила 56,7 градусов по Цельсию .
Предыдущий рекорд самой высокой температуры мире в городе Эль-Азизия в Ливии, составивший 57,7 градусов по Цельсию, был опровергнут Всемирной метеорологической организацией из-за ненадежности данных.
Загрузка...
