Kui ilmateade ennustab nulli ümber külmakraade, siis uisuväljakule ei tasu minna: jää sulab. Jää sulamistemperatuuriks on võetud null kraadi Celsiuse järgi – kõige levinum temperatuuriskaala.
Oleme hästi teadlikud Celsiuse skaala negatiivsetest kraadidest – kraadidest<ниже нуля>, külmakraadid. Madalaim temperatuur Maal registreeriti Antarktikas: -88,3°C. Väljaspool Maad on võimalik isegi madalam temperatuur: Kuu pinnal võib kuu keskööl ulatuda -160°C.
Kuid kuskil ei saa olla meelevaldselt madalaid temperatuure. Äärmiselt madal temperatuur - absoluutne null - Celsiuse skaalal vastab -273,16 °.
Absoluutne temperatuuriskaala, Kelvini skaala, pärineb absoluutsest nullist. Jää sulab temperatuuril 273,16 °K ja vesi keeb temperatuuril 373,16 °K. Seega on K-kraad võrdne kraadiga C. Kuid Kelvini skaalal on kõik temperatuurid positiivsed.
Miks on 0°K külma piir?
Soojus on aine aatomite ja molekulide kaootiline liikumine. Aine jahutamisel võetakse sellelt soojusenergia ära ja sel juhul osakeste juhuslik liikumine nõrgeneb. Lõpuks tugeva jahutusega termiline<пляска>osakesed peatuvad peaaegu täielikult. Aatomid ja molekulid külmuksid täielikult temperatuuril, mida peetakse absoluutseks nulliks. Kvantmehaanika põhimõtete kohaselt peatuks absoluutses nullis just osakeste soojusliikumine, kuid osakesed ise ei külmuks, kuna nad ei saa täielikult puhata. Seega peavad osakesed absoluutses nullis siiski säilitama mingisuguse liikumise, mida nimetatakse nulliks.

Aine jahutamine temperatuurini alla absoluutse nulli on aga sama mõttetu idee kui näiteks kavatsus<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Veelgi enam, isegi täpse absoluutse nullini jõudmine on samuti peaaegu võimatu. Sa saad talle ainult lähemale jõuda. Sest absoluutselt kogu selle soojusenergiat ei saa mingil viisil ainelt ära võtta. Osa soojusenergiast jääb sügavaima jahutamise ajal alles.
Kuidas nad saavutavad ülimadala temperatuuri?
Aine külmutamine on keerulisem kui kuumutamine. Seda on näha vähemalt pliidi ja külmiku kujunduse võrdlusest.
Enamikus majapidamis- ja tööstuslikes külmikutes eemaldatakse soojus spetsiaalse vedeliku - freooni - aurustumise tõttu, mis ringleb läbi metalltorude. Saladus seisneb selles, et freoon võib vedelas olekus püsida ainult piisavalt madalal temperatuuril. Külmkambris kuumeneb see kambri kuumuse mõjul ja keeb, muutudes auruks. Kuid aur surub kompressor kokku, vedeldub ja siseneb aurustisse, kompenseerides aurustuva freooni kadu. Kompressori tööks kulub energiat.
Sügavjahutusseadmetes on külma kandjaks ülikülm vedelik – vedel heelium. Värvitu, kerge (8 korda kergem kui vesi), keeb atmosfäärirõhul temperatuuril 4,2 °K ja vaakumis temperatuuril 0,7 °K. Veelgi madalama temperatuuri annab heeliumi kerge isotoop: 0,3°K.
Püsiva heeliumi külmiku korraldamine on üsna keeruline. Uuringud viiakse läbi lihtsalt vedelates heeliumivannides. Ja selle gaasi veeldamiseks kasutavad füüsikud erinevaid tehnikaid. Näiteks eeljahutatud ja kokkusurutud heelium paisutatakse, vabastades selle läbi õhukese ava vaakumkambrisse. Samal ajal temperatuur ikkagi langeb ja mingi osa gaasist muutub vedelikuks. Tõhusam on mitte ainult jahutatud gaasi paisutada, vaid ka tööle panna – kolvi liigutada.
Saadud vedelat heeliumi hoitakse spetsiaalsetes termostes - Dewari anumates. Selle kõige külmema vedeliku (ainsa, mis absoluutse nulli juures ei külmu) hind on üsna kõrge. Sellest hoolimata kasutatakse vedelat heeliumi nüüd üha laiemalt mitte ainult teaduses, vaid ka erinevates tehnilistes seadmetes.
Madalaimad temperatuurid saavutati teistmoodi. Selgub, et mõnede soolade, näiteks kaaliumkroommaarja molekulid võivad pöörlema ​​mööda magnetilisi jõujooni. See sool jahutatakse eelnevalt vedela heeliumiga temperatuurini 1 °K ja asetatakse tugevasse magnetvälja. Sel juhul pöörlevad molekulid mööda jõujooni ja eralduv soojus võetakse vedela heeliumiga ära. Seejärel eemaldatakse magnetväli järsult, molekulid pöörduvad jälle erinevatesse suundadesse ja kulutatakse

see töö viib soola edasise jahutamiseni. Nii saadi temperatuur 0,001° K. Põhimõtteliselt sarnasel meetodil, kasutades teisi aineid, võib saada veelgi madalama temperatuuri.
Madalaim temperatuur seni Maal on 0,00001°K.

Ülivoolavus

Vedelates heeliumivannides ülimadala temperatuurini külmunud aine muutub märgatavalt. Kumm muutub rabedaks, plii muutub terasega kõvaks ja elastseks, paljud sulamid suurendavad tugevust.

Vedel heelium ise käitub omapäraselt. Temperatuuril alla 2,2 °K omandab see tavaliste vedelike jaoks enneolematu omaduse – ülivoolavuse: osa sellest kaotab täielikult viskoossuse ja voolab hõõrdumiseta läbi kõige kitsamate pilude.
See nähtus, mille avastas 1937. aastal Nõukogude füüsik akadeemik P. JI. Kapitsa, selgitas seejärel akadeemik JI. D. Landau.
Selgub, et ülimadalatel temperatuuridel hakkavad aine käitumise kvantseadused märgatavalt mõjutama. Nagu üks neist seadustest nõuab, saab energiat kehast kehasse üle kanda ainult üsna kindlates osades-kvantides. Vedelas heeliumis on nii vähe soojuskvante, et kõigi aatomite jaoks ei jätku neid. Osa vedelikust, millel puuduvad soojuskvantid, püsib absoluutse nulltemperatuuril, selle aatomid ei osale üldse juhuslikus soojusliikumises ega interakteeru mingil viisil anuma seintega. Sellel osal (seda nimetati heelium-H-ks) on ülivoolavus. Temperatuuri langedes muutub heelium-II üha enam ja absoluutse nulli juures muutuks kogu heelium heelium-H-ks.
Superfluidsust on nüüdseks väga põhjalikult uuritud ja see on leidnud isegi kasuliku praktilise rakenduse: selle abil on võimalik eraldada heeliumi isotoope.

Ülijuhtivus

Absoluutse nulli lähedal toimuvad teatud materjalide elektrilistes omadustes äärmiselt uudishimulikud muutused.
1911. aastal tegi Hollandi füüsik Kamerling-Onnes ootamatu avastuse: selgus, et temperatuuril 4,12 °K kaob elavhõbedas elektritakistus täielikult. Elavhõbedast saab ülijuht. Ülijuhtivas rõngas indutseeritud elektrivool ei lagune ja võib voolata peaaegu igavesti.
Sellise rõnga kohal hõljub ülijuhtiv pall õhus ega kuku nagu muinasjutust.<гроб Магомета>, sest selle raskust kompenseerib magnetiline tõuge rõnga ja kuuli vahel. Lõppkokkuvõttes tekitab rõngas olev summutamata vool magnetvälja ja see omakorda indutseerib kuulis elektrivoolu ja koos sellega vastupidise magnetvälja.
Lisaks elavhõbedale on tina, plii, tsingi ja alumiiniumi ülijuhtivus absoluutse nulli lähedal. Seda omadust on leitud 23 elemendist ning enam kui sajast erinevast sulamist ja muust keemilisest ühendist.
Temperatuurid, mille juures ülijuhtivus ilmneb (kriitilised temperatuurid), on üsna laias vahemikus 0,35 °K (hafnium) kuni 18 °K (nioobium-tina sulam).
Ülijuhtivuse fenomen, aga ka ülijuhtivus
voolavus, üksikasjalikult uuritud. Leitakse kriitiliste temperatuuride sõltuvused materjalide sisestruktuurist ja välisest magnetväljast. Töötati välja sügav ülijuhtivuse teooria (olulise panuse andis Nõukogude teadlane akadeemik N. N. Bogolyubov).
Selle paradoksaalse nähtuse olemus on jällegi puhtalt kvant. Ülimadalatel temperatuuridel sisenevad elektronid

ülijuhid moodustavad paarikaupa ühendatud osakeste süsteemi, mis ei suuda kristallvõrele energiat anda, kulutavad energiakvante selle soojendamiseks. Elektronide paarid liiguvad nagu<танцуя>, vahel<прутьями решетки>- ioone ja mööduda neist ilma kokkupõrgete ja energiaülekandeta.
Ülijuhtivust kasutatakse tehnoloogias üha enam.
Praktikas on näiteks tulemas ülijuhtivad solenoidid – vedelasse heeliumisse sukeldatud ülijuhtivad poolid. Kord indutseeritud voolu ja sellest tulenevalt ka magnetvälja võib neis suvaliselt kaua säilitada. See võib ulatuda hiiglasliku väärtuseni - üle 100 000 oerstedi. Tulevikus ilmuvad kahtlemata võimsad tööstuslikud ülijuhtivad seadmed - elektrimootorid, elektromagnetid jne.
Raadioelektroonikas hakkavad olulist rolli mängima ülitundlikud võimendid ja elektromagnetlainete generaatorid, mis töötavad eriti hästi vedela heeliumiga vannides - seal on sisemine<шумы>varustus. Elektroonilises andmetöötlustehnoloogias lubatakse helget tulevikku väikese võimsusega ülijuhtivatele lülititele - krüotronidele (vt art.<Пути электроники>).
Pole raske ette kujutada, kui ahvatlev oleks viia selliste seadmete tööd kõrgematele ja paremini kättesaadavatele temperatuuridele. Viimasel ajal on avanenud lootus luua polümeerkile ülijuhte. Selliste materjalide elektrijuhtivuse omapärane olemus tõotab hiilgavat võimalust säilitada ülijuhtivus isegi toatemperatuuril. Teadlased otsivad järjekindlalt võimalusi selle lootuse realiseerimiseks.

Tähtede sügavuses

Ja nüüd vaatame maailma kuumima asja valdkonda – tähtede sisikonda. Kus temperatuur ulatub miljonite kraadideni.
Kaootiline soojusliikumine tähtedes on nii intensiivne, et terveid aatomeid seal eksisteerida ei saa: need hävivad lugematutes kokkupõrgetes.
Seetõttu ei saa nii tugevalt kuumutatud aine olla tahke, vedel ega gaasiline. See on plasma olekus, st elektriliselt laetud segu<осколков>aatomid – aatomituumad ja elektronid.
Plasma on teatud tüüpi aine olek. Kuna selle osakesed on elektriliselt laetud, alluvad nad tundlikult elektri- ja magnetjõududele. Seetõttu on kahe aatomituuma (need kannavad positiivset laengut) lähedus haruldane nähtus. Ainult suure tiheduse ja tohutute temperatuuride korral on üksteisega põrkuvad aatomituumad võimelised lähenema. Seejärel toimuvad termotuumareaktsioonid – tähtede energiaallikas.
Meile lähim täht - Päike koosneb peamiselt vesinikplasmast, mis kuumutatakse tähe soolestikus kuni 10 miljoni kraadini. Sellistes tingimustes juhtub kiirete vesiniku tuumade – prootonite – lähedasi kohtumisi, kuigi harva. Mõnikord suhtlevad lähenevad prootonid: olles ületanud elektrilise tõukejõu, langevad nad kiiresti hiiglaslike tuumatõmbejõudude võimu alla<падают>üksteist ja ühinevad. Siin toimub hetkeline ümberkorraldus: kahe prootoni asemel tekivad deuteron (vesiniku raske isotoobi tuum), positroon ja neutriino. Vabanev energia on 0,46 miljonit elektronvolti (Mev).
Iga päikeseprooton võib sellisesse reaktsiooni astuda keskmiselt kord 14 miljardi aasta jooksul. Kuid valgusti soolestikus on nii palju prootoneid, et siin-seal toimub see ebatõenäoline sündmus – ja meie täht põleb oma ühtlase pimestava leegiga.
Deuteroonide süntees on päikeseenergia termotuumamuutuste esimene samm. Vastsündinud deuteron ühineb väga kiiresti (keskmiselt 5,7 sekundi pärast) veel ühe prootoniga. Seal on kerge heeliumi tuum ja elektromagnetilise kiirguse gamma kvant. Vabaneb 5,48 MeV energiat.
Lõpuks võib keskmiselt kord miljoni aasta jooksul kaks kerge heeliumi tuuma koonduda ja ühineda. Seejärel moodustub tavaline heeliumi tuum (alfaosake) ja kaks prootonit jagunevad. Vabaneb 12,85 MeV energiat.
See kolmeastmeline<конвейер>termotuumareaktsioonid pole ainukesed. On veel üks tuumatransformatsioonide ahel, kiiremad. Selles osalevad (ilma tarbimata) süsiniku ja lämmastiku aatomituumad. Kuid mõlemal juhul sünteesitakse alfaosakesed vesiniku tuumadest. Piltlikult öeldes päikese vesiniku plasma<сгорает>, muutudes<золу>- heeliumi plasma. Ja iga heeliumiplasma grammi sünteesi käigus vabaneb 175 tuhat kWh energiat. Suurepärane summa!
Igas sekundis kiirgab Päike 41033 ergit energiat, kaotades 41012 g (4 miljonit tonni) ainet. Päikese kogumass on aga 2 1027 tonni, mis tähendab, et miljoni aasta pärast hakkab Päike kiirguse emissiooni tõttu.<худеет>vaid üks kümnemiljondik selle massist. Need arvud illustreerivad kõnekalt termotuumareaktsioonide tõhusust ja päikeseenergia hiiglaslikku kütteväärtust.<горючего>- vesinik.
Tundub, et termotuumasüntees on kõigi tähtede peamine energiaallikas. Tähtede sisemuse erinevatel temperatuuridel ja tihedustel toimuvad erinevat tüüpi reaktsioonid. Eelkõige päikeseenergia<зола>- heeliumi tuumad - 100 miljoni kraadi juures muutub see ise termotuumaliseks<горючим>. Siis saab alfaosakestest sünteesida isegi raskemaid aatomituumasid – süsinikku ja isegi hapnikku.
Paljude teadlaste sõnul on kogu meie metagalaktika tervikuna ka termotuumasünteesi vili, mis toimus miljardikraadisel temperatuuril (vt art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Kunstpäikese poole

Termotuuma erakordne kalorisisaldus<горючего>ajendas teadlasi otsima tuumasünteesi reaktsioonide kunstlikku rakendamist.
<Горючего>Meie planeedil on palju vesiniku isotoope. Näiteks ülirasket vesiniktriitiumi võib saada tuumareaktorite liitiummetallist. Ja raske vesinik – deuteerium on osa raskest veest, mida saab eraldada tavalisest veest.
Kahest klaasist tavalisest veest eraldatud raske vesinik annaks termotuumasünteesireaktoris sama palju energiat, kui praegu annab esmaklassilise bensiini tünni põletamine.
Raskus seisneb eelsoojenduses<горючее>temperatuurini, mille juures see võib süttida võimsa termotuumatulega.
See probleem lahendati esmakordselt vesinikupommis. Sealsed vesiniku isotoobid süttivad aatomipommi plahvatusel, millega kaasneb aine kuumenemine mitmekümne miljoni kraadini. Ühes vesinikupommi versioonis on termotuumakütuseks raske vesiniku keemiline ühend kerge liitiumiga – kerge l ja t deuteriid ja i. See lauasoola sarnane valge pulber,<воспламеняясь>alates<спички>, mis on aatomipomm, plahvatab hetkega ja tekitab sadade miljonite kraadide temperatuuri.
Rahumeelse termotuumareaktsiooni käivitamiseks tuleb ennekõike õppida, kuidas ilma aatomipommi abita soojendada väikseid doose piisavalt tihedat vesiniku isotoopide plasmat sadade miljonite kraadide temperatuurini. See probleem on tänapäeva rakendusfüüsikas üks keerulisemaid. Teadlased üle kogu maailma on selle kallal töötanud juba aastaid.
Oleme juba öelnud, et osakeste kaootiline liikumine tekitab kehade kuumenemise ja nende juhusliku liikumise keskmine energia vastab temperatuurile. Külma keha soojendamine tähendab selle häire tekitamist mis tahes viisil.
Kujutage ette, et kaks gruppi jooksjaid tormavad kiiresti üksteise poole. Nii nad põrkasid kokku, läksid segamini, tekkis rahvahulk, segadus. Suur segadus!
Ligikaudu samamoodi püüdsid füüsikud algul saavutada kõrget temperatuuri – surudes kõrgsurvega gaasijugasid. Gaasi soojendati kuni 10 tuhande kraadini. Omal ajal oli see rekord: temperatuur on kõrgem kui Päikese pinnal.
Kuid selle meetodi abil on gaasi edasine, üsna aeglane, mitteplahvatuslik kuumutamine võimatu, kuna termiline häire levib koheselt igas suunas, soojendades katsekambri seinu ja keskkonda. Tekkiv soojus lahkub süsteemist kiiresti ja seda pole võimalik isoleerida.
Kui gaasijoad asendada plasmavooludega, jääb soojapidavuse probleem väga keeruliseks, kuid lootust on ka selle lahendamiseks.
Tõsi, plasmat ei saa soojuskadude eest kaitsta ka kõige tulekindlamast ainest valmistatud anumad. Kokkupuutel tahkete seintega jahtub kuum plasma koheselt maha. Teisest küljest võib proovida plasmat hoida ja soojendada, luues selle akumulatsiooni vaakumis nii, et see ei puuduta kambri seinu, vaid ripub tühjas, ilma midagi puudutamata. Siin tuleks ära kasutada asjaolu, et plasmaosakesed ei ole neutraalsed, nagu gaasiaatomid, vaid elektriliselt laetud. Seetõttu alluvad nad liikumisel magnetjõududele. Tekib probleem: korraldada erikonfiguratsiooniga magnetväli, milles kuum plasma ripuks nagu nähtamatute seintega kotis.
Sellise elektrivälja lihtsaim vorm tekib automaatselt tugevate elektrivooluimpulsside läbimisel plasmast. Sel juhul indutseeritakse plasma hõõgniidi ümber magnetjõud, mis kipuvad hõõgniiti kokku suruma. Plasma eraldub väljalasketoru seintest ja temperatuur tõuseb hõõgniidi telje lähedal osakeste tormamisel 2 miljoni kraadini.
Meie riigis viidi sellised katsed läbi juba 1950. aastal akadeemikute JI juhendamisel. A. Artsimovitš ja M. A. Leontovitš.
Teine katsete suund on magnetpudeli kasutamine, mille pakkus 1952. aastal välja nõukogude füüsik, praegu akadeemik G. I. Budker. Magnetpudel asetatakse korktroni – välise mähisega varustatud silindrilisse vaakumkambrisse, mis kambri otstes pakseneb. Mähist läbiv vool loob kambris magnetvälja. Selle jõujooned keskosas on paralleelsed silindri generaatoritega ning otstes on need kokku surutud ja moodustavad magnetkorgid. Magnetpudelisse süstitud plasmaosakesed kõverduvad ümber jõujoonte ja peegelduvad korkidest. Selle tulemusena hoitakse plasmat mõnda aega pudelis. Kui pudelisse sisestatud plasmaosakeste energia on piisavalt suur ja neid on piisavalt, astuvad nad keerulistesse jõudude vastastikmõjudesse, nende algselt järjestatud liikumine takerdub, muutub korratuks - vesiniku tuumade temperatuur tõuseb kümnete miljonite kraadideni. .
Täiendav küte saavutatakse elektromagnetiliselt<ударами>plasma, magnetvälja kokkusurumise jne abil. Nüüd kuumutatakse raskete vesiniku tuumade plasma sadade miljonite kraadideni. Tõsi, seda saab teha kas lühiajaliselt või väikese plasmatihedusega.
Isemajanduva reaktsiooni esilekutsumiseks on vaja plasma temperatuuri ja tihedust veelgi tõsta. Seda on raske saavutada. Kuid nagu teadlased on veendunud, on probleem vaieldamatult lahendatav.

G.B. Anfilov

Fotode postitamine ja meie saidi artiklite tsiteerimine muudele ressurssidele on lubatud tingimusel, et on lisatud link allikale ja fotodele.

Kas olete kunagi mõelnud, kui külm võib temperatuur olla? Mis on absoluutne null? Kas inimkond suudab seda kunagi saavutada ja millised võimalused avanevad pärast sellist avastust? Need ja teised sarnased küsimused on pikka aega vaevanud paljude füüsikute ja lihtsalt uudishimulike inimeste meeli.

Mis on absoluutne null

Isegi kui teile lapsepõlvest peale füüsika ei meeldinud, teate ilmselt temperatuuri mõistet. Tänu molekulaarkineetilisele teooriale teame nüüd, et selle ning molekulide ja aatomite liikumise vahel on teatav staatiline seos: mida kõrgem on mis tahes füüsilise keha temperatuur, seda kiiremini liiguvad selle aatomid ja vastupidi. Tekib küsimus: "Kas on olemas selline alumine piir, mille juures elementaarosakesed paigal külmuvad?". Teadlased usuvad, et see on teoreetiliselt võimalik, termomeeter on umbes -273,15 kraadi Celsiuse järgi. Seda väärtust nimetatakse absoluutseks nulliks. Teisisõnu, see on minimaalne võimalik piir, milleni füüsilist keha saab jahutada. On isegi absoluutne temperatuuriskaala (Kelvini skaala), milles absoluutne null on võrdluspunktiks ja skaala ühikujaotus on võrdne ühe kraadiga. Teadlased üle maailma ei lakka selle väärtuse saavutamiseks töötamast, kuna see tõotab inimkonnale suuri väljavaateid.

Miks see nii oluline on

Ülimadalad ja ülikõrged temperatuurid on tihedalt seotud ülivoolavuse ja ülijuhtivuse mõistega. Elektritakistuse kadumine ülijuhtides võimaldab saavutada mõeldamatuid efektiivsuse väärtusi ja kõrvaldada energiakaod. Kui oleks võimalik leida viis, mis võimaldaks vabalt jõuda "absoluutse nulli" väärtuseni, oleks paljud inimkonna probleemid lahendatud. Rööbaste kohal hõljuvad rongid, kergemad ja väiksemad mootorid, trafod ja generaatorid, ülitäpne magnetoentsefalograafia, ülitäpsed kellad on vaid mõned näited sellest, mida ülijuhtivus meie ellu võib tuua.

Viimased teadussaavutused

2003. aasta septembris õnnestus MIT-i ja NASA teadlastel jahutada naatriumgaas kõigi aegade madalaima tasemeni. Eksperimendi käigus jäi neil finišijoonest (absoluutnull) puudu vaid pool miljardikraadist. Katsete ajal oli naatrium alati magnetväljas, mis ei lasknud tal kokku puutuda anuma seintega. Kui oleks võimalik temperatuuribarjääri ületada, peatuks molekulaarne liikumine gaasis täielikult, sest selline jahutamine tõmbaks kogu energia naatriumist välja. Teadlased rakendasid tehnikat, mille autor (Wolfgang Ketterle) sai 2001. aastal Nobeli füüsikaauhinna. Läbiviidud katsete võtmepunktiks olid Bose-Einsteini gaasilised kondensatsiooniprotsessid. Vahepeal pole keegi veel tühistanud termodünaamika kolmandat seadust, mille kohaselt absoluutne null pole mitte ainult ületamatu, vaid ka kättesaamatu väärtus. Lisaks kehtib Heisenbergi määramatuse printsiip ja aatomid lihtsalt ei saa oma jälgedes surnud peatuda. Seega jääb temperatuuri absoluutne nullpunkt teadusele esialgu kättesaamatuks, kuigi teadlased on suutnud sellele läheneda tühiselt väikese vahemaa tagant.

Mõiste "temperatuur" ilmus ajal, mil füüsikud arvasid, et soojad kehad koosnevad suuremast kogusest konkreetsest ainest - kalorsusest - kui samad kehad, kuid külmad. Ja temperatuuri tõlgendati kui väärtust, mis vastab keha kalorikogusele. Sellest ajast alates mõõdetakse iga keha temperatuuri kraadides. Kuid tegelikult on see liikuvate molekulide kineetilise energia mõõt ja selle põhjal tuleks seda mõõta džaulides vastavalt SI ühikute süsteemile.

Mõiste "absoluutne nulltemperatuur" pärineb termodünaamika teisest seadusest. Selle järgi on soojuse ülekandmine külmalt kehalt kuumale võimatu. Selle kontseptsiooni võttis kasutusele inglise füüsik W. Thomson. Saavutuste eest füüsikas omistati talle aadlitiitel "Isand" ja tiitel "Parun Kelvin". 1848. aastal soovitas W. Thomson (Kelvin) kasutada temperatuuriskaalat, kus ta võttis lähtepunktiks äärmuslikule külmale vastava absoluutse nulltemperatuuri ja jagamise hinnaks Celsiuse kraadid. Kelvini ühik on 1/27316 vee kolmikpunkti temperatuurist (umbes 0 kraadi C), s.o. temperatuur, mille juures puhas vesi eksisteerib korraga kolmes vormis: jää, vedel vesi ja aur. temperatuur on madalaim võimalik madal temperatuur, mille juures molekulide liikumine peatub ja ainest ei ole enam võimalik soojusenergiat ammutada. Sellest ajast alates on absoluutne temperatuuriskaala saanud tema nime.

Temperatuuri mõõdetakse erinevatel skaaladel

Kõige sagedamini kasutatavat temperatuuriskaalat nimetatakse Celsiuse skaalaks. See põhineb kahel punktil: vee faasiülemineku temperatuuril vedelikust auruks ja veest jääks. A. Celsius tegi 1742. aastal ettepaneku jagada võrdluspunktide vaheline kaugus 100 intervalliks ja võtta vett nulliks, külmumispunktiks on aga 100 kraadi. Kuid rootslane K. Linnaeus soovitas teha vastupidist. Sellest ajast alates külmub vesi temperatuuril null kraadi A. Celsiuse järgi. Kuigi see peaks keema täpselt Celsiuse kraadides. Absoluutne null Celsiuse järgi vastab miinus 273,16 kraadile Celsiuse järgi.

On veel mitu temperatuuriskaalat: Fahrenheit, Réaumur, Rankine, Newton, Roemer. Neil on erinev ja hinnajaotus. Näiteks Réaumuri skaala on samuti üles ehitatud vee keetmise ja külmutamise mõõdupuule, kuid sellel on 80 jaotust. 1724. aastal ilmunud Fahrenheiti skaala on igapäevaelus kasutusel vaid mõnes maailma riigis, sealhulgas USA-s; üks on vesijää - ammoniaagi segu temperatuur ja teine ​​on inimkeha temperatuur. Skaala on jagatud sajaks osaks. Null Celsiuse järgi vastab 32 kraadide teisendamiseks Fahrenheiti saab kasutada valemit: F \u003d 1,8 C + 32. Pöördtõlge: C \u003d (F - 32) / 1,8, kus: F - kraadi Fahrenheiti, C - kraadi Celsiuse järgi. Kui olete loendamiseks liiga laisk, minge veebipõhisesse Celsiuse-Fahrenheiti teisendusteenusesse. Sisestage kasti Celsiuse kraadide arv, klõpsake "Arvuta", valige "Fahrenheit" ja klõpsake "Start". Tulemus ilmub kohe.

Nimetatud inglise (täpsemalt šoti) füüsiku William J. Rankini, Kelvini endise kaasaegse ja tehnilise termodünaamika ühe rajaja järgi. Tema skaalal on kolm olulist punkti: algus on absoluutne null, vee külmumispunkt on 491,67 Rankine kraadi ja vee keemistemperatuur 671,67 kraadi. Vee külmumise ja keemise jaotuste arv nii Rankine'is kui ka Fahrenheitis on 180.

Enamikku neist kaaludest kasutavad eranditult füüsikud. Ja 40% nendel päevadel küsitletud Ameerika keskkooliõpilastest ütles, et nad ei tea, mis on absoluutne nulltemperatuur.

Füüsikaline mõiste "absoluutne nulltemperatuur" on tänapäeva teaduse jaoks väga oluline: sellega on tihedalt seotud selline mõiste nagu ülijuhtivus, mille avastamine tekitas 20. sajandi teisel poolel silmatorkava.

Et mõista, mis on absoluutne null, tuleks viidata selliste kuulsate füüsikute töödele nagu G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac ja W. Thomson. Just nemad mängisid võtmerolli tänapäevalgi kasutatavate peamiste temperatuuriskaalade loomisel.

Esimesena pakkus 1714. aastal oma temperatuuriskaala välja saksa füüsik G. Fahrenheit. Samal ajal võeti lund ja ammoniaaki sisaldava segu temperatuuriks absoluutne null ehk selle skaala madalaim punkt. Järgmine oluline näitaja oli see, mis hakkas võrduma 1000-ga. Sellest lähtuvalt nimetati selle skaala iga jaotust “Fahrenheiti kraadiks” ja skaala ennast “Fahrenheiti skaalaks”.

Rootsi astronoom A. Celsius pakkus 30 aasta pärast välja oma temperatuuriskaala, kus põhipunktid olid jää ja vee sulamistemperatuur. Seda skaalat nimetati "Celsiuse skaalaks", see on endiselt populaarne enamikus maailma riikides, sealhulgas Venemaal.

1802. aastal avastas prantsuse teadlane J. Gay-Lussac oma kuulsaid katseid tehes, et konstantsel rõhul oleva gaasi massi maht sõltub otseselt temperatuurist. Kuid kõige kurioossem oli see, et kui temperatuur muutus 10 Celsiuse võrra, suurenes või vähenes gaasi maht sama palju. Pärast vajalike arvutuste tegemist leidis Gay-Lussac, et see väärtus on võrdne 1/273 gaasi mahust temperatuuril 0C.

Sellest seadusest järgnes ilmne järeldus: temperatuur -2730C on madalaim temperatuur, millele isegi lähenedes on võimatu seda saavutada. Seda temperatuuri nimetatakse "absoluutseks nulltemperatuuriks".

Veelgi enam, absoluutsest nullist sai lähtepunkt absoluutse temperatuuriskaala loomisel, millest võttis aktiivselt osa inglise füüsik W. Thomson, tuntud ka kui Lord Kelvin.

Tema peamine uurimus käsitles tõestust, et looduses ei saa ühtki keha jahutada alla absoluutse nulli. Samal ajal kasutas ta aktiivselt teist, mistõttu tema 1848. aastal kasutusele võetud absoluutse temperatuuriskaala sai tuntuks termodünaamilise ehk "Kelvini skaala" nime all.

Järgnevatel aastatel ja aastakümnetel viidi läbi ainult "absoluutse nulli" mõiste numbriline viimistlemine, mida pärast arvukaid kokkuleppeid hakati lugema võrdseks -273,150C-ga.

Märkimist väärib ka see, et absoluutne null mängib väga olulist rolli kogu selles, et 1960. aastal järgmisel kaalude ja mõõtude peakonverentsil sai termodünaamilise temperatuuri ühik – kelvin – üheks kuuest põhimõõtühikust. Samas oli konkreetselt ette nähtud, et üks kelvinikraad on arvuliselt võrdne ühega, ainult siin loetakse võrdluspunktiks “Kelvini järgi” absoluutset nulli ehk -273,150С.

Absoluutse nulli põhiline füüsikaline tähendus seisneb selles, et füüsikaliste põhiseaduste kohaselt on sellisel temperatuuril elementaarosakeste, nagu aatomid ja molekulid, liikumisenergia võrdne nulliga ja antud juhul kaootilise liikumise energiaga null. need samad osakesed peaksid peatuma. Absoluutse nulliga võrdsel temperatuuril peaksid aatomid ja molekulid võtma selge positsiooni kristallvõre põhipunktides, moodustades järjestatud süsteemi.

Praegu on teadlastel eriaparatuuri abil õnnestunud saavutada absoluutsest nullist vaid mõne miljondiku võrra kõrgem temperatuur. Seda väärtust on füüsiliselt võimatu ise saavutada ülalkirjeldatud termodünaamika teise seaduse tõttu.

Absoluutne nulltemperatuur

Piirtemperatuur, mille juures ideaalse gaasi ruumala muutub nulliks, võetakse kui absoluutne nulltemperatuur.

Leiame absoluutse nulli väärtuse Celsiuse skaalal.
Mahu võrdsustamine V valemis (3.1) nulli ja seda arvesse võttes

.

Seega on absoluutne nulltemperatuur

t= -273 °С. 2

See on looduses piirav, madalaim temperatuur, see "külma suurim või viimane aste", mille olemasolu ennustas Lomonosov.

Maa kõrgeimad temperatuurid – sajad miljonid kraadid – saadi termotuumapommide plahvatuste käigus. Veelgi kõrgem temperatuur on iseloomulik mõne tähe sisepiirkondadele.

2Absoluutse nulli täpsem väärtus: -273,15 °C.

Kelvini skaala

Inglise teadlane W. Kelvin tutvustas absoluutne skaala temperatuurid. Nulltemperatuur Kelvini skaalal vastab absoluutsele nullile ja selle skaala temperatuuriühik on võrdne Celsiuse kraadidega, seega absoluutne temperatuur T on seotud temperatuuriga Celsiuse skaalal valemiga

T = t + 273. (3.2)

Joonisel fig. 3.2 näitab võrdluseks absoluutskaalat ja Celsiuse skaalat.

Absoluuttemperatuuri ühikut SI nimetatakse kelvin(lühendatult K). Seetõttu võrdub üks Celsiuse kraad ühe Kelvini kraadiga:

Seega on absoluutne temperatuur valemiga (3.2) antud definitsiooni kohaselt tuletissuurus, mis sõltub Celsiuse temperatuurist ja katseliselt määratud a väärtusest.

Lugeja: Mis on absoluutse temperatuuri füüsikaline tähendus?

Kirjutame avaldise (3.1) vormile

.

Arvestades, et temperatuur Kelvini skaalal on suhtega seotud temperatuuriga Celsiuse skaalal T = t + 273, saame

kus T 0 = 273 K või

Kuna see seos kehtib suvalise temperatuuri korral T, siis saab Gay-Lussaci seaduse sõnastada järgmiselt:

Antud gaasi massi korral p = const, seos

Ülesanne 3.1. Temperatuuril T 1 = 300 K gaasimaht V 1 = 5,0 l. Määrake gaasi maht samal rõhul ja temperatuuril T= 400 K.

STOP! Otsustage ise: A1, B6, C2.

Ülesanne 3.2. Isobaarsel kuumutamisel suurenes õhu maht 1%. Mitme protsendi võrra tõusis absoluutne temperatuur?

= 0,01.

Vastus: 1 %.

Pidage meeles saadud valem

STOP! Otsustage ise: A2, A3, B1, B5.

Charlesi seadus

Prantsuse teadlane Charles leidis katseliselt, et kui kuumutada gaasi nii, et selle maht jääb konstantseks, siis gaasi rõhk tõuseb. Rõhu sõltuvus temperatuurist on järgmine:

R(t) = lk 0 (1 + b t), (3.6)

kus R(t) on rõhk temperatuuril t°C; R 0 – rõhk 0 °С juures; b on rõhu temperatuuritegur, mis on kõigi gaaside puhul sama: 1/K.

Lugeja:Üllataval kombel on rõhu b temperatuurikoefitsient täpselt võrdne mahupaisumise temperatuuriteguriga a!

Võtame teatud koguse gaasi ruumalaga V 0 temperatuuril T 0 ja rõhk R 0 . Esmakordselt soojendame gaasi rõhku konstantsena hoides selle temperatuurini Tüks . Siis on gaasil maht V 1 = V 0 (1 + a t) ja survet R 0 .

Teist korda, hoides gaasi mahtu konstantsena, soojendame selle samale temperatuurile Tüks . Siis tekib gaasil rõhk R 1 = R 0 (1 + b t) ja helitugevust V 0 .

Kuna gaasi temperatuur on mõlemal juhul sama, kehtib Boyle-Mariotte'i seadus:

lk 0 V 1 = lk 1 V 0 Þ R 0 V 0 (1 + a t) = R 0 (1 + b t)V 0 Þ

Þ 1 + a t = 1+b tÞ a = b.

Seega pole midagi üllatavat selles, et a = b, ei!

Kirjutame Charlesi seaduse ümber kujul

.

Arvestades seda T = t°С + 273 °С, T 0 \u003d 273 ° С, saame