Όταν το δελτίο καιρού προβλέπει θερμοκρασίες κοντά στο μηδέν, δεν πρέπει να πάτε στο παγοδρόμιο: ο πάγος θα λιώσει. Η θερμοκρασία τήξης του πάγου θεωρείται ότι είναι μηδέν βαθμοί Κελσίου, η πιο κοινή κλίμακα θερμοκρασίας.
Γνωρίζουμε πολύ καλά την κλίμακα αρνητικών βαθμών Κελσίου - μοίρες<ниже нуля>, βαθμοί ψύχους. Πλέον χαμηλή θερμοκρασίαστη Γη καταγράφηκε στην Ανταρκτική: -88,3°C. Ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες είναι πιθανές έξω από τη Γη: στην επιφάνεια της Σελήνης τα σεληνιακά μεσάνυχτα μπορεί να φτάσει τους -160°C.
Αλλά αυθαίρετα χαμηλές θερμοκρασίες δεν μπορούν να υπάρχουν πουθενά. Η εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία - απόλυτο μηδέν - αντιστοιχεί σε - 273,16° στην κλίμακα Κελσίου.
Η κλίμακα απόλυτης θερμοκρασίας, η κλίμακα Kelvin, προέρχεται από το απόλυτο μηδέν. Ο πάγος λιώνει στους 273,16° Κέλβιν και το νερό βράζει στους 373,16° Κ. Έτσι, βαθμοί Κ ίσο με ένα βαθμόΓ. Αλλά στην κλίμακα Kelvin, όλες οι θερμοκρασίες είναι θετικές.
Γιατί είναι 0°K το όριο ψυχρού;
Η θερμότητα είναι η χαοτική κίνηση των ατόμων και των μορίων μιας ουσίας. Όταν μια ουσία ψύχεται, η θερμική ενέργεια αφαιρείται από αυτήν και η τυχαία κίνηση των σωματιδίων εξασθενεί. Τελικά, με ισχυρή ψύξη, θερμική<пляска>τα σωματίδια σταματά σχεδόν εντελώς. Τα άτομα και τα μόρια θα παγώσουν εντελώς σε μια θερμοκρασία που θεωρείται απόλυτο μηδέν. Σύμφωνα με τις αρχές κβαντική μηχανική, στο απόλυτο μηδέν θα σταματούσε ακριβώς θερμική κίνησησωματίδια, αλλά τα ίδια τα σωματίδια δεν θα παγώσουν, αφού δεν μπορούν να είναι εντελώς σε ηρεμία. Έτσι, στο απόλυτο μηδέν, τα σωματίδια πρέπει να διατηρούν ακόμα κάποιο είδος κίνησης, το οποίο ονομάζεται μηδενική κίνηση.

Ωστόσο, η ψύξη μιας ουσίας σε θερμοκρασία κάτω από το απόλυτο μηδέν είναι μια ιδέα τόσο ανούσια όσο, ας πούμε, η πρόθεση<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Επιπλέον, ακόμη και η επίτευξη του ακριβούς απόλυτου μηδέν είναι σχεδόν αδύνατο. Μπορείτε μόνο να τον πλησιάσετε. Διότι σε καμία περίπτωση δεν μπορείτε να αφαιρέσετε απολύτως όλη τη θερμική ενέργεια από μια ουσία. Μέρος της θερμικής ενέργειας παραμένει στη βαθύτερη ψύξη.
Πώς επιτυγχάνετε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες;
Η κατάψυξη μιας ουσίας είναι πιο δύσκολη από τη θέρμανση. Αυτό φαίνεται ακόμη και από τη σύγκριση του σχεδιασμού μιας σόμπας και ενός ψυγείου.
Στα περισσότερα οικιακά και βιομηχανικά ψυγεία, η θερμότητα απομακρύνεται λόγω της εξάτμισης ενός ειδικού υγρού - φρέον, το οποίο κυκλοφορεί μέσω μεταλλικών σωλήνων. Το μυστικό είναι ότι το φρέον μπορεί να παραμείνει σε υγρή κατάσταση μόνο σε αρκετά χαμηλή θερμοκρασία. Στον θάλαμο του ψυγείου, λόγω της θερμότητας του θαλάμου, θερμαίνεται και βράζει, μετατρέπεται σε ατμό. Όμως ο ατμός συμπιέζεται από τον συμπιεστή, υγροποιείται και εισέρχεται στον εξατμιστή, αναπληρώνοντας την απώλεια του εξατμισμένου φρέον. Καταναλώνεται ενέργεια για τη λειτουργία του συμπιεστή.
Στις συσκευές βαθιάς ψύξης, ο ψυχρός φορέας είναι ένα υπερκρύο υγρό - υγρό ήλιο. Άχρωμο, ελαφρύ (8 φορές ελαφρύτερο από το νερό), βράζει κάτω ατμοσφαιρική πίεσηστους 4,2°K και στο κενό - στους 0,7°K. Ακόμη χαμηλότερη θερμοκρασία δίνεται από το ισότοπο φωτός του ηλίου: 0,3°K.
Η εγκατάσταση ενός μόνιμου ψυγείου ηλίου είναι αρκετά δύσκολη. Η έρευνα γίνεται απλά σε λουτρά με υγρό ήλιο. Και για να υγροποιήσουν αυτό το αέριο, οι φυσικοί χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνικές. Για παράδειγμα, το προψυγμένο και συμπιεσμένο ήλιο διαστέλλεται, απελευθερώνεται μέσω μιας λεπτής οπής σε ένα θάλαμο κενού. Ταυτόχρονα, η θερμοκρασία μειώνεται περαιτέρω και μέρος του αερίου μετατρέπεται σε υγρό. Είναι πιο αποτελεσματικό όχι μόνο να διαστέλλετε το ψυχρό αέριο, αλλά και να το αναγκάσετε να κάνει εργασία - μετακινήστε το έμβολο.
Το υγρό ήλιο που προκύπτει αποθηκεύεται σε ειδικά θερμοσώματα - φιάλες Dewar. Το κόστος αυτού του πολύ κρύου υγρού (το μόνο που δεν παγώνει στο απόλυτο μηδέν) αποδεικνύεται αρκετά υψηλό. Ωστόσο, το υγρό ήλιο χρησιμοποιείται όλο και πιο ευρέως στις μέρες μας, όχι μόνο στην επιστήμη, αλλά και σε διάφορες τεχνικές συσκευές.
Οι χαμηλότερες θερμοκρασίες επιτεύχθηκαν με διαφορετικό τρόπο. Αποδεικνύεται ότι τα μόρια ορισμένων αλάτων, για παράδειγμα στυπτηρία καλίου χρωμίου, μπορούν να περιστρέφονται κατά μήκος της δύναμης μαγνητικές γραμμές. Αυτό το άλας προψύχεται με υγρό ήλιο στον 1°K και τοποθετείται σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Σε αυτή την περίπτωση, τα μόρια περιστρέφονται κατά μήκος ηλεκτρικά καλώδιακαι η θερμότητα που απελευθερώνεται αφαιρείται από το υγρό ήλιο. Στη συνέχεια, το μαγνητικό πεδίο αφαιρείται απότομα, τα μόρια ξαναγυρίζουν μέσα διαφορετικές πλευρές, και ξόδεψε

Αυτή η εργασία οδηγεί σε περαιτέρω ψύξη του αλατιού. Έτσι αποκτήσαμε θερμοκρασία 0,001° Κ. Χρησιμοποιώντας μια παρόμοια μέθοδο κατ' αρχήν, χρησιμοποιώντας άλλες ουσίες, μπορούμε να επιτύχουμε ακόμη χαμηλότερη θερμοκρασία.
Η χαμηλότερη θερμοκρασία που έχει επιτευχθεί μέχρι στιγμής στη Γη είναι 0,00001° Κ.

Υπερρευστότητα

Μια ουσία παγωμένη σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες σε λουτρά υγρού ηλίου αλλάζει αισθητά. Το καουτσούκ γίνεται εύθραυστο, ο μόλυβδος γίνεται σκληρός όπως ο χάλυβας και το ελαστικό, πολλά κράματα αυξάνουν την αντοχή.

Το ίδιο το υγρό ήλιο συμπεριφέρεται με έναν περίεργο τρόπο. Σε θερμοκρασίες κάτω από 2,2° Κ, αποκτά μια ιδιότητα πρωτόγνωρη για τα συνηθισμένα υγρά - υπερρευστότητα: μέρος του χάνει εντελώς το ιξώδες και ρέει μέσα από τις στενότερες ρωγμές χωρίς καμία τριβή.
Αυτό το φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1937 από τον Σοβιετικό φυσικό ακαδημαϊκό P. JI. Καπίτσα, στη συνέχεια εξήγησε ο Ακαδημαϊκός JI. D. Landau.
Αποδεικνύεται ότι σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες αρχίζουν να έχουν αξιοσημείωτο αποτέλεσμα κβαντικοί νόμοισυμπεριφορά της ουσίας. Όπως απαιτεί ένας από αυτούς τους νόμους, η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί από σώμα σε σώμα μόνο σε καλά καθορισμένα τμήματα - κβάντα. Υπάρχουν τόσο λίγα θερμικά κβάντα στο υγρό ήλιο που δεν υπάρχουν αρκετά από αυτά για όλα τα άτομα. Το μέρος του υγρού, χωρίς κβάντα θερμότητας, παραμένει σαν σε απόλυτο μηδέν θερμοκρασία· τα άτομα του δεν συμμετέχουν καθόλου σε τυχαία θερμική κίνηση και δεν αλληλεπιδρούν με κανέναν τρόπο με τα τοιχώματα του δοχείου. Αυτό το τμήμα (ονομαζόταν ήλιο-Η) έχει υπερρευστότητα. Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, το ήλιο-P γίνεται όλο και πιο άφθονο, και στο απόλυτο μηδέν όλο το ήλιο θα μετατρεπόταν σε ήλιο-Η.
Η υπερρευστότητα έχει πλέον μελετηθεί με μεγάλη λεπτομέρεια και μάλιστα έχει φανεί χρήσιμη πρακτική χρήση: με τη βοήθειά του είναι δυνατός ο διαχωρισμός των ισοτόπων ηλίου.

Υπεραγωγιμότητα

Σχεδόν το απόλυτο μηδέν, συμβαίνουν εξαιρετικά ενδιαφέρουσες αλλαγές στις ηλεκτρικές ιδιότητες ορισμένων υλικών.
Το 1911, ο Ολλανδός φυσικός Kamerlingh Onnes έκανε μια απροσδόκητη ανακάλυψη: αποδείχθηκε ότι σε θερμοκρασία 4,12 ° K, η ηλεκτρική αντίσταση στον υδράργυρο εξαφανίζεται εντελώς. Ο υδράργυρος γίνεται υπεραγωγός. Το ηλεκτρικό ρεύμα που προκαλείται σε έναν υπεραγώγιμο δακτύλιο δεν σβήνει και μπορεί να ρέει σχεδόν για πάντα.
Πάνω από ένα τέτοιο δαχτυλίδι, μια υπεραγώγιμη μπάλα θα επιπλέει στον αέρα και δεν θα πέσει, σαν παραμύθι<гроб Магомета>, γιατί η βαρύτητα του αντισταθμίζεται από τη μαγνητική απώθηση μεταξύ του δακτυλίου και της μπάλας. Εξάλλου, ένα συνεχές ρεύμα στον δακτύλιο θα δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο και αυτό, με τη σειρά του, θα προκαλέσει ηλεκτρικό ρεύμα στην μπάλα και μαζί του ένα αντίθετα κατευθυνόμενο μαγνητικό πεδίο.
Εκτός από τον υδράργυρο, ο κασσίτερος, ο μόλυβδος, ο ψευδάργυρος και το αλουμίνιο έχουν υπεραγωγιμότητα κοντά στο απόλυτο μηδέν. Αυτή η ιδιότητα έχει βρεθεί σε 23 στοιχεία και σε περισσότερα από εκατό διαφορετικά κράματα και άλλες χημικές ενώσεις.
Οι θερμοκρασίες στις οποίες εμφανίζεται η υπεραγωγιμότητα (κρίσιμες θερμοκρασίες) καλύπτουν ένα αρκετά μεγάλο εύρος - από 0,35° Κ (άφνιο) έως 18° Κ (κράμα νιοβίου-κασσιτέρου).
Το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας, όπως η υπερ-
η ρευστότητα έχει μελετηθεί λεπτομερώς. Βρέθηκαν εξαρτήσεις κρίσιμες θερμοκρασίεςαπό την εσωτερική δομή των υλικών και το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Αναπτύχθηκε μια βαθιά θεωρία υπεραγωγιμότητας (σημαντική συμβολή είχε ο Σοβιετικός επιστήμονας Ακαδημαϊκός N. N. Bogolyubov).
Η ουσία αυτού του παράδοξου φαινομένου είναι και πάλι καθαρά κβαντική. Σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια εισέρχονται

Οι υπεραγωγοί σχηματίζουν ένα σύστημα σωματιδίων συνδεδεμένων κατά ζεύγη που δεν μπορούν να δώσουν ενέργεια στο κρυσταλλικό πλέγμα ή να σπαταλούν ενεργειακά κβάντα θερμάνοντάς το. Ζεύγη ηλεκτρονίων κινούνται σαν<танцуя>, μεταξύ<прутьями решетки>- ιόντα και να τα παρακάμψετε χωρίς συγκρούσεις και μεταφορά ενέργειας.
Η υπεραγωγιμότητα χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην τεχνολογία.
Για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται στην πράξη υπεραγώγιμα σωληνοειδή - πηνία υπεραγωγού βυθισμένα σε υγρό ήλιο. Μόλις επάγεται ρεύμα και, κατά συνέπεια, ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να αποθηκευτεί σε αυτά για όσο χρονικό διάστημα επιθυμείτε. Μπορεί να φτάσει σε γιγάντιο μέγεθος - πάνω από 100.000 όστερες. Στο μέλλον, θα εμφανιστούν αναμφίβολα ισχυρές βιομηχανικές υπεραγώγιμες συσκευές - ηλεκτρικοί κινητήρες, ηλεκτρομαγνήτες κ.λπ.
Στα ραδιοηλεκτρονικά Σημαντικός ρόλοςΟι υπερευαίσθητοι ενισχυτές και ταλαντωτές αρχίζουν να παίζουν Ηλεκτρομαγνητικά κύματα, που λειτουργούν ιδιαίτερα καλά σε λουτρά με υγρό ήλιο - εκεί το εσωτερικό<шумы>εξοπλισμός. Στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών υπολογιστών, υπόσχεται ένα λαμπρό μέλλον για τους υπεραγώγιμους διακόπτες χαμηλής ισχύος - τα κρυοτόνια (βλ.<Пути электроники>).
Δεν είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πόσο δελεαστικό θα ήταν να προωθηθεί η λειτουργία τέτοιων συσκευών στην περιοχή με υψηλότερες, πιο προσιτές θερμοκρασίες. ΣΕ Πρόσφαταανοίγεται η ελπίδα δημιουργίας υπεραγωγών πολυμερούς φιλμ. Η ιδιόμορφη φύση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας σε τέτοια υλικά υπόσχεται μια εξαιρετική ευκαιρία διατήρησης της υπεραγωγιμότητας ακόμη και σε θερμοκρασίες δωματίου. Οι επιστήμονες αναζητούν επίμονα τρόπους για να πραγματοποιήσουν αυτή την ελπίδα.

Στα βάθη των αστεριών

Και τώρα ας δούμε τη σφαίρα του πιο καυτού πράγματος στον κόσμο - στα βάθη των αστεριών. Εκεί που οι θερμοκρασίες φτάνουν τους εκατομμύρια βαθμούς.
Η τυχαία θερμική κίνηση στα αστέρια είναι τόσο έντονη που ολόκληρα άτομα δεν μπορούν να υπάρξουν εκεί: καταστρέφονται σε αμέτρητες συγκρούσεις.
Επομένως, μια ουσία που είναι τόσο καυτή δεν μπορεί να είναι ούτε στερεή, ούτε υγρή, ούτε αέρια. Βρίσκεται σε κατάσταση πλάσματος, δηλαδή μείγμα ηλεκτρικά φορτισμένων<осколков>άτομα - ατομικοί πυρήνες και ηλεκτρόνια.
Το πλάσμα είναι μια μοναδική κατάσταση της ύλης. Δεδομένου ότι τα σωματίδια του είναι ηλεκτρικά φορτισμένα, είναι ευαίσθητα σε ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις. Επομένως, η εγγύτητα δύο ατομικών πυρήνων (που φέρουν θετικό φορτίο) είναι ένα σπάνιο φαινόμενο. Μόνο όταν υψηλές πυκνότητεςκαι τεράστιες θερμοκρασίες που συγκρούονται μεταξύ τους ατομικούς πυρήνεςικανός να πλησιάσει. Στη συνέχεια λαμβάνουν χώρα θερμοπυρηνικές αντιδράσεις - η πηγή ενέργειας για τα αστέρια.
Το πλησιέστερο σε εμάς αστέρι, ο Ήλιος, αποτελείται κυρίως από πλάσμα υδρογόνου, το οποίο θερμαίνεται στα έγκατα του αστεριού στους 10 εκατομμύρια βαθμούς. Κάτω από τέτοιες συνθήκες, συμβαίνουν στενές συναντήσεις ταχέων πυρήνων υδρογόνου - πρωτονίων, αν και σπάνιες. Μερικές φορές τα πρωτόνια που πλησιάζουν αλληλεπιδρούν: έχοντας ξεπεράσει την ηλεκτρική απώθηση, πέφτουν στη δύναμη των γιγάντιων πυρηνικών δυνάμεων έλξης, γρήγορα<падают>το ένα πάνω στο άλλο και συγχωνεύονται. Εδώ συμβαίνει μια στιγμιαία αναδιάρθρωση: αντί για δύο πρωτόνια, εμφανίζεται ένα δευτερόνιο (ο πυρήνας ενός βαρέως ισοτόπου υδρογόνου), ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο. Η ενέργεια που απελευθερώνεται είναι 0,46 εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ (MeV).
Κάθε μεμονωμένο ηλιακό πρωτόνιο μπορεί να εισέλθει σε μια τέτοια αντίδραση κατά μέσο όρο μία φορά κάθε 14 δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά υπάρχουν τόσα πολλά πρωτόνια στα έγκατα του φωτός που εδώ κι εκεί συμβαίνει αυτό το απίθανο γεγονός - και το αστέρι μας καίγεται με την ομοιόμορφη, εκθαμβωτική φλόγα του.
Η σύνθεση των δευτερονίων είναι μόνο το πρώτο βήμα των ηλιακών θερμοπυρηνικών μετασχηματισμών. Το νεογέννητο δευτερόνιο πολύ σύντομα (κατά μέσο όρο μετά από 5,7 δευτερόλεπτα) συνδυάζεται με ένα άλλο πρωτόνιο. Εμφανίζεται ένας ελαφρύς πυρήνας ηλίου και μια ακτίνα γάμμα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Εκλύονται 5,48 MeV ενέργειας.
Τέλος, κατά μέσο όρο μία φορά κάθε εκατομμύριο χρόνια, δύο ελαφροί πυρήνες ηλίου μπορούν να συγκλίνουν και να συνδυαστούν. Τότε σχηματίζεται ένας πυρήνας συνηθισμένου ηλίου (σωματίδιο άλφα) και δύο πρωτόνια χωρίζονται. Εκλύονται 12,85 MeV ενέργειας.
Αυτό το τρία στάδια<конвейер>οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις δεν είναι οι μοναδικές. Υπάρχει μια άλλη αλυσίδα πυρηνικών μετασχηματισμών, πιο γρήγοροι. Σε αυτό συμμετέχουν οι ατομικοί πυρήνες άνθρακα και αζώτου (χωρίς να καταναλώνονται). Αλλά και στις δύο επιλογές, τα σωματίδια άλφα συντίθενται από πυρήνες υδρογόνου. Μεταφορικά μιλώντας, το πλάσμα υδρογόνου του Ήλιου<сгорает>, μετατρέπεται σε<золу>- πλάσμα ηλίου. Και κατά τη σύνθεση κάθε γραμμαρίου πλάσματος ηλίου, απελευθερώνονται 175 χιλιάδες kWh ενέργειας. Μεγάλο ποσό!
Κάθε δευτερόλεπτο ο Ήλιος εκπέμπει 4.1033 ergs ενέργειας, χάνοντας 4.1012 g (4 εκατομμύρια τόνους) ύλης σε βάρος. Όμως η συνολική μάζα του Ήλιου είναι 2.1027 τόνοι.Αυτό σημαίνει ότι σε ένα εκατομμύριο χρόνια, χάρη στην ακτινοβολία, ο Ήλιος<худеет>μόνο το ένα δέκατο εκατομμυριοστό της μάζας του. Αυτά τα στοιχεία απεικονίζουν εύγλωττα την αποτελεσματικότητα των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων και τη γιγάντια θερμογόνο δύναμη της ηλιακής ενέργειας.<горючего>- υδρογόνο.
Η θερμοπυρηνική σύντηξη είναι προφανώς η κύρια πηγή ενέργειας για όλα τα αστέρια. Στο διαφορετικές θερμοκρασίεςκαι τις πυκνότητες των αστρικών εσωτερικών χώρων, συμβαίνουν διαφορετικοί τύποι αντιδράσεων. Ειδικότερα, ηλιακή<зола>-πυρήνες ηλίου - στους 100 εκατομμύρια βαθμούς γίνεται το ίδιο θερμοπυρηνικό<горючим>. Στη συνέχεια, ακόμη βαρύτεροι ατομικοί πυρήνες - άνθρακας και ακόμη και οξυγόνο - μπορούν να συντεθούν από σωματίδια άλφα.
Σύμφωνα με πολλούς επιστήμονες, ολόκληρος ο Μεταγαλαξίας μας ως σύνολο είναι επίσης ο καρπός της θερμοπυρηνικής σύντηξης, η οποία έλαβε χώρα σε θερμοκρασία ενός δισεκατομμυρίου βαθμών (βλ.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Προς τον τεχνητό ήλιο

Έκτακτη θερμογόνος δύναμη του θερμοπυρηνικού<горючего>ώθησε τους επιστήμονες να επιτύχουν τεχνητή υλοποίηση αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης.
<Горючего>- Υπάρχουν πολλά ισότοπα υδρογόνου στον πλανήτη μας. Για παράδειγμα, το υπερβαρύ υδρογόνο τρίτιο μπορεί να παραχθεί από το μέταλλο λίθιο σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Και το βαρύ υδρογόνο - το δευτέριο είναι μέρος του βαρέος νερού, το οποίο μπορεί να εξαχθεί από το συνηθισμένο νερό.
Το βαρύ υδρογόνο που εξάγεται από δύο ποτήρια συνηθισμένου νερού θα παρήγαγε τόση ενέργεια σε έναν θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα όση παράγεται τώρα από την καύση ενός βαρελιού βενζίνης υψηλής ποιότητας.
Η δυσκολία είναι η προθέρμανση<горючее>σε θερμοκρασίες στις οποίες μπορεί να αναφλεγεί με ισχυρή θερμοπυρηνική φωτιά.
Αυτό το πρόβλημα λύθηκε για πρώτη φορά στη βόμβα υδρογόνου. Τα ισότοπα υδρογόνου εκεί αναφλέγονται από έκρηξη ατομική βόμβα, η οποία συνοδεύεται από θέρμανση της ουσίας σε πολλές δεκάδες εκατομμύρια βαθμούς. Σε μια εκδοχή της βόμβας υδρογόνου, το θερμοπυρηνικό καύσιμο είναι χημική ένωσηβαρύ υδρογόνο με ελαφρύ λίθιο - ελαφρύ δευτερίδιο λιθίου. Αυτή η λευκή σκόνη, παρόμοια με το επιτραπέζιο αλάτι,<воспламеняясь>από<спички>, που είναι ατομική βόμβα, εκρήγνυται ακαριαία και δημιουργεί θερμοκρασία εκατοντάδων εκατομμυρίων βαθμών.
Για να ξεκινήσει μια ειρηνική θερμοπυρηνική αντίδραση, πρέπει πρώτα να μάθει κανείς πώς να θερμαίνει μικρές δόσεις ενός επαρκώς πυκνού πλάσματος ισοτόπων υδρογόνου σε θερμοκρασίες εκατοντάδων εκατομμυρίων βαθμών χωρίς τις υπηρεσίες μιας ατομικής βόμβας. Αυτό το πρόβλημα είναι ένα από τα πιο δύσκολα στη σύγχρονη εφαρμοσμένη φυσική. Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο εργάζονται πάνω σε αυτό εδώ και πολλά χρόνια.
Είπαμε ήδη ότι είναι η χαοτική κίνηση των σωματιδίων που δημιουργεί τη θέρμανση των σωμάτων και η μέση ενέργεια της τυχαίας κίνησης τους αντιστοιχεί στη θερμοκρασία. Το να ζεστάνεις ένα κρύο σώμα σημαίνει να δημιουργείς αυτή τη διαταραχή με οποιονδήποτε τρόπο.
Φανταστείτε δύο ομάδες δρομέων να ορμούν η μία προς την άλλη. Έτσι συγκρούστηκαν, μπερδεύτηκαν, άρχισε μια συντριβή και σύγχυση. Μεγάλο μπέρδεμα!
Με τον ίδιο περίπου τρόπο, οι φυσικοί προσπάθησαν αρχικά να επιτύχουν υψηλές θερμοκρασίες - με σύγκρουση πίδακες αερίου υψηλή πίεση. Το αέριο θερμαίνεται έως και 10 χιλιάδες βαθμούς. Κάποτε αυτό ήταν ρεκόρ: η θερμοκρασία ήταν υψηλότερη από ό,τι στην επιφάνεια του Ήλιου.
Αλλά με αυτή τη μέθοδο, η περαιτέρω, μάλλον αργή, μη εκρηκτική θέρμανση του αερίου είναι αδύνατη, καθώς η θερμική διαταραχή εξαπλώνεται αμέσως προς όλες τις κατευθύνσεις, θερμαίνοντας τα τοιχώματα του πειραματικού θαλάμου και το περιβάλλον. Η προκύπτουσα θερμότητα φεύγει γρήγορα από το σύστημα και είναι αδύνατο να το απομονώσεις.
Εάν οι πίδακες αερίου αντικατασταθούν από ροές πλάσματος, το πρόβλημα της θερμομόνωσης παραμένει πολύ δύσκολο, αλλά υπάρχει και ελπίδα για τη λύση του.
Είναι αλήθεια ότι το πλάσμα δεν μπορεί να προστατευθεί από την απώλεια θερμότητας από δοχεία κατασκευασμένα ακόμη και από την πιο πυρίμαχη ουσία. Σε επαφή με συμπαγή τοιχώματα, το ζεστό πλάσμα ψύχεται αμέσως. Αλλά μπορείτε να προσπαθήσετε να κρατήσετε και να θερμάνετε το πλάσμα δημιουργώντας τη συσσώρευσή του σε κενό, έτσι ώστε να μην αγγίζει τα τοιχώματα του θαλάμου, αλλά να κρέμεται στο κενό, χωρίς να αγγίζει τίποτα. Εδώ θα πρέπει να εκμεταλλευτούμε το γεγονός ότι τα σωματίδια του πλάσματος δεν είναι ουδέτερα, όπως τα άτομα αερίου, αλλά ηλεκτρικά φορτισμένα. Επομένως, όταν κινούνται, εκτίθενται σε μαγνητικές δυνάμεις. Προκύπτει το καθήκον: να δημιουργηθεί ένα μαγνητικό πεδίο ειδικής διαμόρφωσης στο οποίο το καυτό πλάσμα θα κρέμεται σαν σε μια τσάντα με αόρατα τοιχώματα.
Η απλούστερη μορφήΑυτός ο τύπος ενέργειας δημιουργείται αυτόματα όταν ισχυροί παλμοί περνούν μέσα από το πλάσμα ηλεκτρικό ρεύμα. Ταυτόχρονα, το καλώδιο πλάσματος προσανατολίζεται γύρω μαγνητικές δυνάμεις, που τείνουν να συμπιέζουν το καλώδιο. Το πλάσμα διαχωρίζεται από τα τοιχώματα του σωλήνα εκκένωσης και στον άξονα του κορδονιού στη σύνθλιψη των σωματιδίων η θερμοκρασία αυξάνεται στους 2 εκατομμύρια βαθμούς.
Στη χώρα μας τέτοια πειράματα έγιναν το 1950 υπό την ηγεσία των ακαδημαϊκών JI. A. Artsimovich και M. A. Leontovich.
Μια άλλη κατεύθυνση πειραμάτων είναι η χρήση ενός μαγνητικού μπουκαλιού, που προτάθηκε το 1952 από τον Σοβιετικό φυσικό G.I. Budker, τώρα ακαδημαϊκό. Η μαγνητική φιάλη τοποθετείται σε θάλαμο από φελλό - έναν κυλινδρικό θάλαμο κενού εξοπλισμένο με εξωτερική περιέλιξη, η οποία συμπυκνώνεται στα άκρα του θαλάμου. Το ρεύμα που διαρρέει την περιέλιξη δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στον θάλαμο. Οι γραμμές πεδίου του στο μεσαίο τμήμα βρίσκονται παράλληλα με τις γεννείες του κυλίνδρου και στα άκρα συμπιέζονται και σχηματίζουν μαγνητικά βύσματα. Τα σωματίδια πλάσματος που εγχέονται σε ένα μαγνητικό μπουκάλι τυλίγονται γύρω από τις γραμμές πεδίου και αντανακλώνται από τα βύσματα. Ως αποτέλεσμα, το πλάσμα διατηρείται στο εσωτερικό της φιάλης για κάποιο χρονικό διάστημα. Εάν η ενέργεια των σωματιδίων του πλάσματος που εισάγονται στο μπουκάλι είναι αρκετά υψηλή και υπάρχουν αρκετά από αυτά, εισέρχονται σε πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις δυνάμεων, η αρχικά διατεταγμένη κίνησή τους συγχέεται, διαταράσσεται - η θερμοκρασία των πυρήνων του υδρογόνου αυξάνεται σε δεκάδες εκατομμύρια βαθμούς.
Επιπρόσθετη θέρμανση επιτυγχάνεται με ηλεκτρομαγνητική<ударами>με πλάσμα, συμπίεση του μαγνητικού πεδίου κ.λπ. Τώρα το πλάσμα των βαρέων πυρήνων υδρογόνου θερμαίνεται σε εκατοντάδες εκατομμύρια βαθμούς. Είναι αλήθεια ότι αυτό μπορεί να γίνει είτε από για λίγοή σε χαμηλή πυκνότητα πλάσματος.
Για να ξεκινήσει μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση, η θερμοκρασία και η πυκνότητα του πλάσματος πρέπει να αυξηθούν περαιτέρω. Αυτό είναι δύσκολο να επιτευχθεί. Ωστόσο, το πρόβλημα, όπως είναι πεπεισμένοι οι επιστήμονες, είναι αναμφίβολα επιλύσιμο.

ΓΙΓΑΜΠΑΪΤ. Ανφιλόφ

Η δημοσίευση φωτογραφιών και η παράθεση άρθρων από τον ιστότοπό μας σε άλλους πόρους επιτρέπεται, υπό την προϋπόθεση ότι παρέχεται σύνδεσμος προς την πηγή και τις φωτογραφίες.

Έχετε σκεφτεί ποτέ πόσο χαμηλή μπορεί να είναι η θερμοκρασία; Τι είναι το απόλυτο μηδέν; Θα μπορέσει ποτέ η ανθρωπότητα να το πετύχει και ποιες ευκαιρίες θα ανοίξουν μετά από μια τέτοια ανακάλυψη; Αυτά και άλλα παρόμοια ερωτήματα έχουν απασχολήσει εδώ και καιρό το μυαλό πολλών φυσικών και απλά περίεργων ανθρώπων.

Τι είναι το απόλυτο μηδέν

Ακόμα κι αν δεν σας άρεσε η φυσική από την παιδική σας ηλικία, πιθανότατα είστε εξοικειωμένοι με την έννοια της θερμοκρασίας. Χάρη στη μοριακή κινητική θεωρία, γνωρίζουμε τώρα ότι υπάρχει μια ορισμένη στατική σύνδεση μεταξύ αυτής και των κινήσεων των μορίων και των ατόμων: όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία οποιουδήποτε φυσικού σώματος, τόσο πιο γρήγορα κινούνται τα άτομα του και αντίστροφα. Τίθεται το ερώτημα: «Υπάρχει τόσο χαμηλότερο όριο στο οποίο τα στοιχειώδη σωματίδια θα παγώσουν στη θέση τους;» Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό είναι θεωρητικά δυνατό· το θερμόμετρο θα είναι στους -273,15 βαθμούς Κελσίου. Αυτή η τιμή ονομάζεται απόλυτο μηδέν. Με άλλα λόγια, είναι ελάχιστο πιθανό όριο, στο οποίο μπορεί να ψυχθεί φυσικό σώμα. Υπάρχει ακόμη και μια κλίμακα απόλυτης θερμοκρασίας (κλίμακα Κέλβιν), στην οποία το απόλυτο μηδέν είναι το σημείο αναφοράς και η μονάδα διαίρεσης της κλίμακας είναι ίση με έναν βαθμό. Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο συνεχίζουν να εργάζονται για να επιτύχουν δεδομένη αξία, αφού αυτό υπόσχεται μεγάλες προοπτικές για την ανθρωπότητα.

Γιατί είναι τόσο σημαντικό αυτό

Οι εξαιρετικά χαμηλές και εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες συνδέονται στενά με τις έννοιες της υπερρευστότητας και της υπεραγωγιμότητας. Η εξαφάνιση της ηλεκτρικής αντίστασης στους υπεραγωγούς θα καταστήσει δυνατή την επίτευξη αδιανόητων τιμών απόδοσης και την εξάλειψη τυχόν απωλειών ενέργειας. Αν μπορούσαμε να βρούμε έναν τρόπο που θα μας επέτρεπε να φτάσουμε ελεύθερα την τιμή του «απόλυτου μηδέν», πολλά από τα προβλήματα της ανθρωπότητας θα είχαν λυθεί. Τρένα που αιωρούνται πάνω από τις ράγες, ελαφρύτεροι και μικρότεροι κινητήρες, μετασχηματιστές και γεννήτριες, μαγνητοεγκεφαλογραφία υψηλής ακρίβειας, ρολόγια υψηλής ακρίβειας - αυτά είναι μόνο μερικά παραδείγματα του τι μπορεί να φέρει η υπεραγωγιμότητα στη ζωή μας.

Τελευταίες επιστημονικές εξελίξεις

Τον Σεπτέμβριο του 2003, ερευνητές από το MIT και τη NASA κατάφεραν να ψύξουν το αέριο νατρίου σε ιστορικό χαμηλό. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, απείχαν μόλις το μισό δισεκατομμυριοστό της μοίρας από τη γραμμή τερματισμού (απόλυτο μηδέν). Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, το νάτριο βρισκόταν συνεχώς σε μαγνητικό πεδίο, το οποίο το εμπόδιζε να αγγίξει τα τοιχώματα του δοχείου. Εάν ήταν δυνατό να ξεπεραστεί το φράγμα της θερμοκρασίας, η μοριακή κίνηση στο αέριο θα σταματούσε εντελώς, επειδή μια τέτοια ψύξη θα εξάγει όλη την ενέργεια από το νάτριο. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική της οποίας ο συγγραφέας (Wolfgang Ketterle) έλαβε το 2001 βραβείο Νόμπελστη φυσική. Το βασικό σημείο στις δοκιμές ήταν διεργασίες αερίουΣυμπύκνωση Bose-Einstein. Εν τω μεταξύ, κανείς δεν έχει ακυρώσει ακόμη τον τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής, σύμφωνα με τον οποίο το απόλυτο μηδέν δεν είναι μόνο μια ανυπέρβλητη, αλλά και μια ανέφικτη τιμή. Επιπλέον, ισχύει η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg και τα άτομα απλά δεν μπορούν να σταματήσουν νεκρά στην πορεία τους. Έτσι, προς το παρόν, η θερμοκρασία απόλυτου μηδέν παραμένει ανέφικτη για την επιστήμη, αν και οι επιστήμονες κατάφεραν να την προσεγγίσουν σε αμελητέα απόσταση.

Ο όρος «θερμοκρασία» εμφανίστηκε σε μια εποχή που οι φυσικοί το πίστευαν ζεστά σώματααποτελείται από περισσότεροσυγκεκριμένη ουσία - θερμιδική - από τα ίδια σώματα, αλλά κρύα. Και η θερμοκρασία ερμηνεύτηκε ως τιμή που αντιστοιχεί στην ποσότητα θερμίδων στο σώμα. Από τότε, η θερμοκρασία οποιουδήποτε σώματος μετριέται σε βαθμούς. Αλλά στην πραγματικότητα αυτό είναι ένα μέτρο κινητική ενέργειακινούμενα μόρια και, βάσει αυτού, θα πρέπει να μετρηθεί σε Joules, σύμφωνα με το Σύστημα Μονάδων C.

Η έννοια της «απόλυτου μηδενικής θερμοκρασίας» προέρχεται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Σύμφωνα με αυτήν, η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας από ένα ψυχρό σώμα σε ένα ζεστό είναι αδύνατη. Αυτή η έννοια εισήχθη από τον Άγγλο φυσικό W. Thomson. Για τα επιτεύγματά του στη φυσική του δόθηκε βαθμός ευγενείας«Λόρδος» και ο τίτλος «Βαρόνος Κέλβιν». Το 1848, ο W. Thomson (Kelvin) πρότεινε τη χρήση μιας κλίμακας θερμοκρασίας στην οποία έπαιρνε ως σημείο εκκίνησης τη θερμοκρασία απόλυτου μηδέν, που αντιστοιχεί σε ακραίο κρύο, και έλαβε βαθμούς Κελσίου ως τιμή διαίρεσης. Η μονάδα Kelvin είναι 1/27316 της θερμοκρασίας του τριπλού σημείου του νερού (περίπου 0 βαθμοί C), δηλ. θερμοκρασία στην οποία καθαρό νερόΒρίσκεται αμέσως σε τρεις μορφές: πάγο, υγρό νερό και ατμό. θερμοκρασία είναι η χαμηλότερη δυνατή χαμηλή θερμοκρασία στην οποία σταματά η κίνηση των μορίων και δεν είναι πλέον δυνατή η εξαγωγή θερμικής ενέργειας από μια ουσία. Από τότε, η κλίμακα απόλυτης θερμοκρασίας πήρε το όνομά του.

Η θερμοκρασία μετριέται σε διαφορετικές κλίμακες

Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη κλίμακα θερμοκρασίας ονομάζεται κλίμακα Κελσίου. Είναι χτισμένο σε δύο σημεία: τη θερμοκρασία μετάβαση φάσηςνερό από υγρό σε ατμό και νερό σε πάγο. Ο Α. Κελσίου το 1742 πρότεινε τη διαίρεση της απόστασης μεταξύ των σημείων αναφοράς σε 100 διαστήματα, και τη λήψη του νερού ως μηδέν, με το σημείο πήξης ως 100 μοίρες. Όμως ο Σουηδός K. Linnaeus πρότεινε να γίνει το αντίθετο. Έκτοτε το νερό έχει παγώσει στους μηδέν βαθμούς Α. Κελσίου. Αν και πρέπει να βράσει ακριβώς στους Κελσίου. Το απόλυτο μηδέν Κελσίου αντιστοιχεί σε μείον 273,16 βαθμούς Κελσίου.

Υπάρχουν πολλές ακόμη κλίμακες θερμοκρασίας: Fahrenheit, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. Έχουν διαφορετικές τιμές διαίρεσης. Για παράδειγμα, η κλίμακα Reaumur είναι επίσης χτισμένη στα σημεία αναφοράς του βρασμού και της κατάψυξης του νερού, αλλά έχει 80 διαιρέσεις. Η κλίμακα Φαρενάιτ, η οποία εμφανίστηκε το 1724, χρησιμοποιείται στην καθημερινή ζωή μόνο σε ορισμένες χώρες του κόσμου, συμπεριλαμβανομένων των ΗΠΑ. το ένα είναι η θερμοκρασία του μείγματος πάγου νερού και αμμωνίας και το άλλο είναι ανθρώπινο σώμα. Η κλίμακα χωρίζεται σε εκατό τμήματα. Μηδέν Κελσίου αντιστοιχεί σε 32 Η μετατροπή βαθμών σε Φαρενάιτ μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τον τύπο: F = 1,8 C + 32. Αντίστροφη μετατροπή: C = (F - 32)/1,8, όπου: F - βαθμοί Φαρενάιτ, C - βαθμοί Κελσίου. Εάν είστε πολύ τεμπέλης για να μετρήσετε, μεταβείτε σε μια ηλεκτρονική υπηρεσία για τη μετατροπή Κελσίου σε Φαρενάιτ. Στο πλαίσιο, πληκτρολογήστε τον αριθμό των βαθμών Κελσίου, κάντε κλικ στο «Υπολογισμός», επιλέξτε «Φαρενάιτ» και κάντε κλικ στο «Έναρξη». Το αποτέλεσμα θα εμφανιστεί αμέσως.

Πήρε το όνομά του από τον Άγγλο (ακριβέστερα Σκοτσέζο) φυσικό William J. Rankin, πρώην σύγχρονος Kelvin και ένας από τους δημιουργούς τεχνική θερμοδυναμική. Υπάρχουν τρία σημαντικά σημεία στην κλίμακα του: η αρχή είναι το απόλυτο μηδέν, το σημείο πήξης του νερού είναι 491,67 βαθμοί Rankine και το σημείο βρασμού του νερού είναι 671,67 μοίρες. Ο αριθμός των διαιρέσεων μεταξύ της κατάψυξης του νερού και του βρασμού του τόσο για το Rankine όσο και για το Fahrenheit είναι 180.

Οι περισσότερες από αυτές τις κλίμακες χρησιμοποιούνται αποκλειστικά από φυσικούς. Και το 40% των Αμερικανών μαθητών γυμνασίου που ερωτήθηκαν σήμερα είπε ότι δεν γνωρίζει τι είναι η θερμοκρασία απόλυτο μηδέν.

Η φυσική έννοια της «απόλυτου μηδενικής θερμοκρασίας» έχει για σύγχρονη επιστήμηπολύ σημαντικό: στενά συνδεδεμένη με αυτήν είναι η έννοια της υπεραγωγιμότητας, η ανακάλυψη της οποίας δημιούργησε μια πραγματική αίσθηση στο δεύτερο μισό του εικοστού αιώνα.

Για να καταλάβετε τι είναι το απόλυτο μηδέν, θα πρέπει να ανατρέξετε στα έργα τέτοιων διάσημους φυσικούς, όπως οι G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac και W. Thomson. Έπαιξαν καθοριστικό ρόλο στη δημιουργία των κύριων κλιμάκων θερμοκρασίας που εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σήμερα.

Ο πρώτος που πρότεινε την κλίμακα θερμοκρασίας του ήταν ο Γερμανός φυσικός G. Fahrenheit το 1714. Επιπλέον, πέρα ​​από το απόλυτο μηδέν, δηλαδή πέρα χαμηλό σημείοΣε αυτή την κλίμακα υιοθετήθηκε η θερμοκρασία του μείγματος, η οποία περιελάμβανε χιόνι και αμμωνία. Επόμενο σημαντικός δείκτηςέγινε ίση με 1000. Συνεπώς, κάθε διαίρεση αυτής της κλίμακας ονομαζόταν «βαθμός Φαρενάιτ» και η ίδια η κλίμακα ονομαζόταν «κλίμακα Φαρενάιτ».

30 χρόνια αργότερα, ο Σουηδός αστρονόμος A. Celsius πρότεινε τη δική του κλίμακα θερμοκρασίας, όπου τα κύρια σημεία ήταν η θερμοκρασία τήξης του πάγου και του νερού. Αυτή η κλίμακα ονομάστηκε «κλίμακα Κελσίου»· εξακολουθεί να είναι δημοφιλής στις περισσότερες χώρες του κόσμου, συμπεριλαμβανομένης της Ρωσίας.

Το 1802, διευθύνοντάς του διάσημα πειράματα, ο Γάλλος επιστήμονας J. Gay-Lussac ανακάλυψε ότι ο όγκος μιας αέριας μάζας σε σταθερή πίεση εξαρτάται άμεσα από τη θερμοκρασία. Αλλά το πιο περίεργο ήταν ότι όταν η θερμοκρασία άλλαξε κατά 10 Κελσίου, ο όγκος του αερίου αυξανόταν ή μειώθηκε κατά το ίδιο ποσό. Έχοντας κάνει τους απαραίτητους υπολογισμούς, ο Gay-Lussac διαπίστωσε ότι αυτή η τιμή ήταν ίση με το 1/273 του όγκου του αερίου σε θερμοκρασία 0C.

Αυτός ο νόμος οδήγησε στο προφανές συμπέρασμα: μια θερμοκρασία ίση με -2730 C είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία, ακόμα κι αν πλησιάσεις σε αυτήν, είναι αδύνατο να την πετύχεις. Είναι αυτή η θερμοκρασία που ονομάζεται «απόλυτο μηδέν θερμοκρασία».

Επιπλέον, το απόλυτο μηδέν έγινε το σημείο εκκίνησης για τη δημιουργία της απόλυτης κλίμακας θερμοκρασίας, Ενεργή συμμετοχήστην οποία δεχόταν Άγγλος φυσικός W. Thomson, γνωστός και ως Lord Kelvin.

Η κύρια έρευνά του αφορούσε την απόδειξη ότι κανένα σώμα στη φύση δεν μπορεί να ψυχθεί κάτω από το απόλυτο μηδέν. Ταυτόχρονα, χρησιμοποίησε ενεργά τη δεύτερη· επομένως, η κλίμακα απόλυτης θερμοκρασίας που εισήγαγε το 1848 άρχισε να ονομάζεται θερμοδυναμική ή «κλίμακα Κέλβιν».

Τα επόμενα χρόνια και δεκαετίες, υπήρξε μόνο μια αριθμητική αποσαφήνιση της έννοιας του «απόλυτου μηδέν», η οποία, μετά από πολυάριθμες συμφωνίες, άρχισε να θεωρείται ίση με -273.150C.

Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι το απόλυτο μηδέν παίζει πολύ σημαντικό ρόλο σημαντικός ρόλοςγ Το όλο θέμα είναι ότι το 1960, στην επόμενη Γενική Συνδιάσκεψη για τα Βάρη και τα Μέτρα, η μονάδα θερμοδυναμικής θερμοκρασίας -το Κέλβιν- έγινε μια από τις έξι βασικές μονάδες μέτρησης. Ταυτόχρονα, ορίστηκε ειδικά ότι ένας βαθμός Kelvin είναι αριθμητικά ίσος με ένα, αλλά το σημείο αναφοράς «σύμφωνα με τον Kelvin» θεωρείται συνήθως απόλυτο μηδέν, δηλαδή -273.150C.

Βασικός φυσική έννοιααπόλυτο μηδέν είναι αυτό, σύμφωνα με το βασικό φυσικοί νόμοι, σε αυτή τη θερμοκρασία η ενέργεια της κίνησης στοιχειώδη σωματίδια, όπως άτομα και μόρια, ισούται με μηδέν, και σε αυτή την περίπτωση οποιαδήποτε χαοτική κίνηση αυτών των ίδιων σωματιδίων θα πρέπει να σταματήσει. Σε θερμοκρασία ίση με απόλυτο μηδενικό, τα άτομα και τα μόρια πρέπει να έχουν ξεκάθαρη θέση στα κύρια σημεία κρυσταλλικού πλέγματος, σχηματίζοντας ένα διατεταγμένο σύστημα.

Σήμερα, χρησιμοποιώντας ειδικό εξοπλισμό, οι επιστήμονες μπόρεσαν να επιτύχουν θερμοκρασίες που είναι μόνο μερικά μέρη ανά εκατομμύριο πάνω από το απόλυτο μηδέν. Είναι φυσικά αδύνατο να επιτευχθεί αυτή η τιμή λόγω του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής που περιγράφεται παραπάνω.

Απόλυτο μηδέν θερμοκρασία

Η οριακή θερμοκρασία στην οποία ο όγκος ενός ιδανικού αερίου γίνεται ίσος με μηδέν λαμβάνεται ως θερμοκρασία απόλυτου μηδέν.

Ας βρούμε την τιμή του απόλυτου μηδέν στην κλίμακα Κελσίου.
Εξίσωση όγκου Vστον τύπο (3.1) μηδέν και λαμβάνοντας υπόψη ότι

.

Άρα η θερμοκρασία απόλυτου μηδέν είναι

t= –273 °C. 2

Αυτή είναι η ακραία, χαμηλότερη θερμοκρασία στη φύση, αυτός ο «μεγαλύτερος ή τελευταίος βαθμός ψύχους», την ύπαρξη του οποίου προέβλεψε ο Lomonosov.

Οι υψηλότερες θερμοκρασίες στη Γη - εκατοντάδες εκατομμύρια μοίρες - σημειώθηκαν κατά τη διάρκεια εκρήξεων θερμοπυρηνικές βόμβες. Ακόμα περισσότερο υψηλές θερμοκρασίεςχαρακτηριστικό των εσωτερικών περιοχών ορισμένων αστέρων.

2 Πιο ακριβής τιμή του απόλυτου μηδέν: –273,15 °C.

Κλίμακα Kelvin

Ο Άγγλος επιστήμονας W. Kelvin εισήγαγε απόλυτη κλίμακαθερμοκρασίες Μηδενική θερμοκρασίαστην κλίμακα Kelvin αντιστοιχεί στο απόλυτο μηδέν και η μονάδα θερμοκρασίας σε αυτήν την κλίμακα είναι ίση με έναν βαθμό στην κλίμακα Κελσίου, άρα απόλυτη θερμοκρασία Τσχετίζεται με τη θερμοκρασία στην κλίμακα Κελσίου από τον τύπο

T = t + 273. (3.2)

Στο Σχ. Το 3.2 δείχνει την απόλυτη κλίμακα και την κλίμακα Κελσίου για σύγκριση.

Η μονάδα SI της απόλυτης θερμοκρασίας ονομάζεται Κέλβιν(συντομογραφία Κ). Επομένως, ένας βαθμός στην κλίμακα Κελσίου είναι ίσος με έναν βαθμό στην κλίμακα Κέλβιν:

Έτσι, η απόλυτη θερμοκρασία, σύμφωνα με τον ορισμό που δίνει ο τύπος (3.2), είναι μια παραγόμενη ποσότητα που εξαρτάται από τη θερμοκρασία Κελσίου και από την πειραματικά καθορισμένη τιμή του α.

Αναγνώστης:Τι φυσικό νόημα έχει η απόλυτη θερμοκρασία;

Ας γράψουμε την έκφραση (3.1) στη φόρμα

.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι η θερμοκρασία στην κλίμακα Kelvin σχετίζεται με τη θερμοκρασία στην κλίμακα Κελσίου από τη σχέση T = t + 273, παίρνουμε

Οπου Τ 0 = 273 K, ή

Επειδή αυτή η σχέση ισχύει για αυθαίρετη θερμοκρασία Τ, τότε ο νόμος του Gay-Lussac μπορεί να διατυπωθεί ως εξής:

Για δεδομένη μάζα αερίου σε p = const ισχύει η ακόλουθη σχέση:

Εργασία 3.1.Σε θερμοκρασία Τ 1 = 300 K όγκος αερίου V 1 = 5,0 λίτρο. Προσδιορίστε τον όγκο του αερίου στην ίδια πίεση και θερμοκρασία Τ= 400 Κ.

ΝΑ ΣΤΑΜΑΤΗΣΕΙ! Αποφασίστε μόνοι σας: A1, B6, C2.

Πρόβλημα 3.2.Κατά την ισοβαρική θέρμανση, ο όγκος του αέρα αυξήθηκε κατά 1%. Κατά πόσο αυξήθηκε η απόλυτη θερμοκρασία;

= 0,01.

Απάντηση: 1 %.

Ας θυμηθούμε τη φόρμουλα που προκύπτει

ΝΑ ΣΤΑΜΑΤΗΣΕΙ! Αποφασίστε μόνοι σας: Α2, Α3, Β1, Β5.

Νόμος του Καρόλου

Ο Γάλλος επιστήμονας Charles διαπίστωσε πειραματικά ότι εάν ένα αέριο θερμανθεί έτσι ώστε ο όγκος του να παραμείνει σταθερός, η πίεση του αερίου θα αυξηθεί. Η εξάρτηση της πίεσης από τη θερμοκρασία έχει τη μορφή:

R(t) = Π 0 (1 + β t), (3.6)

Οπου R(t) – πίεση σε θερμοκρασία t°C; R 0 – πίεση στους 0 °C; b είναι ο συντελεστής θερμοκρασίας πίεσης, ο οποίος είναι ίδιος για όλα τα αέρια: 1/K.

Αναγνώστης:Παραδόξως, ο συντελεστής θερμοκρασίας της πίεσης b είναι ακριβώς ίσος με συντελεστής θερμοκρασίαςογκομετρική διαστολή α!

Ας πάρουμε μια ορισμένη μάζα αερίου με όγκο V 0 σε θερμοκρασία Τ 0 και πίεση R 0 . Για πρώτη φορά, διατηρώντας σταθερή την πίεση του αερίου, το θερμαίνουμε σε θερμοκρασία Τ 1 . Τότε το αέριο θα έχει όγκο V 1 = V 0 (1 + α t) και πίεση R 0 .

Τη δεύτερη φορά, διατηρώντας σταθερό τον όγκο του αερίου, το θερμαίνουμε στην ίδια θερμοκρασία Τ 1 . Τότε το αέριο θα έχει πίεση R 1 = R 0 (1 + β t) και τον όγκο V 0 .

Εφόσον και στις δύο περιπτώσεις η θερμοκρασία του αερίου είναι η ίδια, ισχύει ο νόμος Boyle–Mariotte:

Π 0 V 1 = Π 1 V 0 Þ R 0 V 0 (1 + α t) = R 0 (1 + β t)V 0 Þ

Þ 1 + α t = 1 + β tÞ a = β.

Δεν είναι λοιπόν περίεργο που a = b, όχι!

Ας ξαναγράψουμε τον νόμο του Καρόλου στη μορφή

.

Λαμβάνοντας υπ 'όψιν ότι Τ = t°С + 273 °С, Τ 0 = 273 °C, παίρνουμε