Kad vremenska prognoza predviđa temperature oko nule, ne treba ići na klizalište: led će se otopiti. Za temperaturu topljenja leda uzima se nula Celzijevih stupnjeva - najčešća temperaturna ljestvica.
Dobro su nam poznati negativni stupnjevi Celzijeve ljestvice – stupnjevi<ниже нуля>, stupnjevi hladnoće. Najniža temperatura na Zemlji zabilježena je na Antarktici: -88,3°C. Izvan Zemlje moguće su i niže temperature: na površini Mjeseca u lunarnu ponoć može doseći -160°C.
Ali nigdje ne mogu biti proizvoljno niske temperature. Ekstremno niska temperatura - apsolutna nula - na Celzijevoj ljestvici odgovara - 273,16°.
Apsolutna temperaturna skala, Kelvinova skala, potječe od apsolutne nule. Led se topi na 273,16° Kelvina, a voda vrije na 373,16° K. Dakle, stupanj K jednak je stupnju C. Ali na Kelvinovoj ljestvici sve su temperature pozitivne.
Zašto je 0°K granica hladnoće?
Toplina je kaotično kretanje atoma i molekula materije. Kada se tvar hladi, oduzima joj se toplinska energija i u tom slučaju slabi nasumično kretanje čestica. Na kraju, uz jako hlađenje, toplinska<пляска>čestica gotovo potpuno prestaje. Atomi i molekule potpuno bi se smrznuli na temperaturi koja se uzima kao apsolutna nula. Prema načelima kvantne mehanike, na apsolutnoj nuli bi prestalo upravo toplinsko gibanje čestica, ali se same čestice ne bi smrznule, jer ne mogu potpuno mirovati. Dakle, na apsolutnoj nuli, čestice još uvijek moraju zadržati neku vrstu gibanja, što se naziva nula.

Međutim, ohladiti tvar na temperaturu ispod apsolutne nule ideja je jednako besmislena kao i, recimo, namjera<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Štoviše, čak je i dostizanje točne apsolutne nule gotovo nemoguće. Možete mu se samo približiti. Budući da se apsolutno sva njegova toplinska energija ne može oduzeti tvari ni na koji način. Dio toplinske energije ostaje tijekom najdubljeg hlađenja.
Kako postižu ultra niske temperature?
Zamrzavanje tvari je teže nego zagrijavanje. To se može vidjeti barem iz usporedbe dizajna štednjaka i hladnjaka.
U većini kućanskih i industrijskih hladnjaka toplina se uklanja zbog isparavanja posebne tekućine - freona, koja cirkulira kroz metalne cijevi. Tajna je u tome što freon može ostati u tekućem stanju samo na dovoljno niskoj temperaturi. U rashladnoj komori, zbog topline komore, zagrijava se i vrije, pretvarajući se u paru. Ali paru komprimira kompresor, pretvara u tekućinu i ulazi u isparivač, nadoknađujući gubitak freona koji isparava. Energija se koristi za rad kompresora.
U uređajima za duboko hlađenje nositelj hladnoće je superhladna tekućina - tekući helij. Bezbojan, lagan (8 puta lakši od vode), vrije pod atmosferskim tlakom pri 4,2°K, a u vakuumu pri 0,7°K. Još nižu temperaturu daje lagani izotop helija: 0,3°K.
Prilično je teško organizirati trajni hladnjak s helijem. Istraživanja se provode jednostavno u kupkama s tekućim helijem. A kako bi ukapili ovaj plin, fizičari koriste različite tehnike. Na primjer, prethodno ohlađeni i komprimirani helij ekspandira se ispuštanjem kroz tanki otvor u vakuumsku komoru. Pritom se temperatura i dalje smanjuje i dio plina prelazi u tekućinu. Učinkovitije je ne samo ekspandirati ohlađeni plin, već i natjerati ga da radi - pomicati klip.
Dobiveni tekući helij pohranjuje se u posebne termosice – Dewarove posude. Cijena ove najhladnije tekućine (jedine koja se ne smrzava na apsolutnoj nuli) prilično je visoka. Ipak, tekući helij se sada sve više koristi, ne samo u znanosti, već iu raznim tehničkim uređajima.
Najniže temperature postignute su na drugačiji način. Ispostavilo se da se molekule nekih soli, kao što je kalij krom stipsa, mogu okretati duž magnetskih linija sile. Ta se sol prethodno ohladi tekućim helijem na 1°K i stavi u jako magnetsko polje. U tom slučaju molekule se okreću duž linija sile, a oslobođenu toplinu oduzima tekući helij. Tada se magnetsko polje naglo uklanja, molekule se ponovno okreću u različitim smjerovima i troše se

ovaj rad dovodi do daljnjeg hlađenja soli. Tako je dobivena temperatura od 0,001° K. Načelno sličnom metodom, uz korištenje drugih tvari, može se dobiti još niža temperatura.
Najniža do sada dobivena temperatura na Zemlji je 0,00001°K.

Superfluidnost

Tvar zamrznuta na ultraniskim temperaturama u kupkama s tekućim helijem značajno se mijenja. Guma postaje krta, olovo postaje tvrdo poput čelika i elastično, mnoge legure povećavaju čvrstoću.

Sam tekući helij ponaša se na neobičan način. Na temperaturama nižim od 2,2 °K, dobiva svojstvo bez presedana za obične tekućine - superfluidnost: dio potpuno gubi viskoznost i teče bez ikakvog trenja kroz najuže proreze.
Ovaj fenomen, koji je 1937. godine otkrio sovjetski fizičar akademik P. JI. Kapitsa, objasnio je zatim akademik JI. D. Landau.
Ispada da na ultraniskim temperaturama kvantni zakoni ponašanja materije počinju primjetno utjecati. Kako nalaže jedan od ovih zakona, energija se može prenositi s tijela na tijelo samo u sasvim određenim obrocima-kvantima. U tekućem heliju ima tako malo kvanta topline da ih nema dovoljno za sve atome. Dio tekućine, lišen kvanta topline, ostaje na temperaturi apsolutne nule, njegovi atomi uopće ne sudjeluju u nasumičnom toplinskom gibanju i ni na koji način ne djeluju na stijenke posude. Ovaj dio (nazvan je helij-H) posjeduje superfluidnost. S padom temperature, helija-II postaje sve više i više, a na apsolutnoj nuli sav helij bi se pretvorio u helij-H.
Superfluidnost je sada vrlo detaljno proučena i čak je pronašla korisnu praktičnu primjenu: uz njenu pomoć moguće je odvojiti izotope helija.

Supravodljivost

Blizu apsolutne nule, događaju se krajnje čudne promjene u električnim svojstvima određenih materijala.
Godine 1911. nizozemski fizičar Kamerling-Onnes došao je do neočekivanog otkrića: pokazalo se da na temperaturi od 4,12 ° K električni otpor potpuno nestaje u živi. Merkur postaje supravodič. Električna struja inducirana u supravodljivom prstenu ne opada i može teći gotovo zauvijek.
Iznad takvog prstena, supravodljiva kuglica će lebdjeti u zraku i neće pasti, kao iz bajke.<гроб Магомета>, jer je njegova težina kompenzirana magnetskim odbijanjem između prstena i lopte. Uostalom, neprigušena struja u prstenu će stvoriti magnetsko polje, a ono će zauzvrat inducirati električnu struju u kuglici i, zajedno s njom, suprotno usmjereno magnetsko polje.
Osim žive, supravodljivost blizu apsolutne nule imaju kositar, olovo, cink i aluminij. Ovo svojstvo pronađeno je kod 23 elementa i više od stotinu različitih legura i drugih kemijskih spojeva.
Temperature na kojima se javlja supravodljivost (kritične temperature) su u prilično širokom rasponu, od 0,35°K (hafnij) do 18°K (legura niobij-kositar).
Fenomen supravodljivosti, kao i super-
fluidnost, detaljno proučena. Pronađene su ovisnosti kritičnih temperatura o unutarnjoj strukturi materijala i vanjskom magnetskom polju. Razvijena je duboka teorija supravodljivosti (važan doprinos dao je sovjetski znanstvenik akademik N. N. Bogolyubov).
Bit ovog paradoksalnog fenomena opet je čisto kvantna. Na ultraniskim temperaturama, elektroni ulaze

supravodič čine sustav parno povezanih čestica koje ne mogu dati energiju kristalnoj rešetki, troše kvantne energije da je zagriju. Parovi elektrona gibaju se kao<танцуя>, između<прутьями решетки>- ione i zaobići ih bez sudara i prijenosa energije.
Supravodljivost se sve više koristi u tehnologiji.
Na primjer, u praksu ulaze supravodljivi solenoidi - supravodljive zavojnice uronjene u tekući helij. Jednom inducirana struja i, posljedično, magnetsko polje mogu biti pohranjeni u njima proizvoljno dugo vremena. Može doseći gigantsku vrijednost - preko 100.000 oersteda. U budućnosti će se nedvojbeno pojaviti snažni industrijski supravodljivi uređaji - elektromotori, elektromagneti itd.
U radioelektronici značajnu ulogu počinju igrati ultraosjetljiva pojačala i generatori elektromagnetskih valova, koji posebno dobro rade u kupkama s tekućim helijem - tamo unutarnja<шумы>oprema. U elektroničkoj računalnoj tehnologiji obećava se svijetla budućnost za supravodljive sklopke male snage - kriotrone (vidi čl.<Пути электроники>).
Nije teško zamisliti koliko bi bilo primamljivo unaprijediti rad takvih uređaja na više, pristupačnije temperature. Nedavno se otvorila nada za stvaranje supravodiča od polimernog filma. Neobična priroda električne vodljivosti u takvim materijalima obećava sjajnu priliku za održavanje supravodljivosti čak i na sobnim temperaturama. Znanstvenici uporno traže načine kako ostvariti tu nadu.

U dubini zvijezda

A sada pogledajmo u carstvo najvruće stvari na svijetu – u utrobu zvijezda. Gdje temperature dosežu milijune stupnjeva.
Kaotično toplinsko gibanje u zvijezdama toliko je intenzivno da tamo ne mogu postojati cijeli atomi: uništeni su u bezbrojnim sudarima.
Stoga tako jako zagrijana tvar ne može biti ni kruta, ni tekuća, ni plinovita. Nalazi se u stanju plazme, tj. mješavine električki nabijenih<осколков>atomi – atomske jezgre i elektroni.
Plazma je vrsta agregatnog stanja. Budući da su njegove čestice električno nabijene, osjetljivo se pokoravaju električnim i magnetskim silama. Stoga je neposredna blizina dviju atomskih jezgri (one nose pozitivan naboj) rijedak fenomen. Samo pri velikim gustoćama i ogromnim temperaturama atomske jezgre koje se sudaraju jedna s drugom mogu se približiti. Tada se odvijaju termonuklearne reakcije – izvor energije za zvijezde.
Nama najbliža zvijezda - Sunce sastoji se uglavnom od vodikove plazme, koja se u utrobi zvijezde zagrijava do 10 milijuna stupnjeva. U takvim uvjetima bliski susreti brzih jezgri vodika - protona, iako rijetki, ipak se događaju. Ponekad protoni koji se približavaju međusobno djeluju: nakon što su prevladali električno odbijanje, oni brzo padaju pod moć divovskih nuklearnih sila privlačenja<падают>jedni druge i spajaju. Ovdje dolazi do trenutnog preuređivanja: umjesto dva protona pojavljuju se deuteron (jezgra teškog izotopa vodika), pozitron i neutrino. Oslobođena energija je 0,46 milijuna elektron volti (Mev).
Svaki pojedinačni sunčev proton može ući u takvu reakciju prosječno jednom u 14 milijardi godina. Ali u utrobi svjetiljke ima toliko protona da se tu i tamo dogodi ovaj malo vjerojatan događaj - a naša zvijezda gori svojim ravnomjernim, blistavim plamenom.
Sinteza deuterona samo je prvi korak u solarnim termonuklearnim transformacijama. Novorođeni deuteron se vrlo brzo (u prosjeku nakon 5,7 sekundi) spaja s još jednim protonom. Postoji jezgra od laganog helija i gama kvant elektromagnetskog zračenja. Oslobađa se 5,48 MeV energije.
Konačno, u prosjeku jednom svakih milijun godina, dvije jezgre lakog helija mogu konvergirati i stopiti se. Tada nastaje obična jezgra helija (alfa čestica) od koje se odvajaju dva protona. Oslobađa se 12,85 MeV energije.
Ovaj trostupanjski<конвейер>termonuklearne reakcije nije jedina. Postoji još jedan lanac nuklearnih transformacija, brži. U njemu sudjeluju (a da se ne troše) atomske jezgre ugljika i dušika. Ali u oba slučaja, alfa čestice se sintetiziraju iz jezgri vodika. Slikovito rečeno, solarna vodikova plazma<сгорает>, pretvarajući se u<золу>- helijeva plazma. A u procesu sinteze svakog grama helijeve plazme oslobađa se 175 tisuća kWh energije. Velika količina!
Svake sekunde Sunce zrači 41033 erga energije, pri čemu na težini gubi 41012 g (4 milijuna tona) materije. Ali ukupna masa Sunca je 2 1027 tona.To znači da će za milijun godina, zbog emisije zračenja, Sunce<худеет>samo jedan desetmilijunti dio svoje mase. Ove brojke rječito ilustriraju učinkovitost termonuklearnih reakcija i gigantsku ogrjevnu vrijednost sunčeve energije.<горючего>- vodik.
Čini se da je termonuklearna fuzija glavni izvor energije za sve zvijezde. Na različitim temperaturama i gustoćama unutrašnjosti zvijezda odvijaju se različite vrste reakcija. Konkretno, solarna<зола>- jezgre helija - na 100 milijuna stupnjeva i sama postaje termonuklearna<горючим>. Tada se iz alfa čestica mogu sintetizirati čak i teže atomske jezgre - ugljik, pa čak i kisik.
Prema mnogim znanstvenicima, cijela naša Metagalaksija kao cjelina također je plod termonuklearne fuzije, koja se odvijala na temperaturi od milijardu stupnjeva (vidi čl.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Na umjetno sunce

Izvanredan sadržaj kalorija termonuklearnog<горючего>potaknulo je znanstvenike da traže umjetnu provedbu reakcija nuklearne fuzije.
<Горючего>Postoji mnogo izotopa vodika na našem planetu. Na primjer, superteški vodikov tricij može se dobiti iz metalnog litija u nuklearnim reaktorima. I teški vodik - deuterij je dio teške vode, koji se može izdvojiti iz obične vode.
Teški vodik ekstrahiran iz dvije čaše obične vode dao bi onoliko energije u fuzionom reaktoru koliko sada daje spaljivanje bačve vrhunskog benzina.
Poteškoća leži u predgrijavanju<горючее>do temperatura na kojima se može zapaliti snažnom termonuklearnom vatrom.
Taj je problem prvi put riješen u hidrogenskoj bombi. Ondje se izotopi vodika pale eksplozijom atomske bombe, što je popraćeno zagrijavanjem tvari na nekoliko desetaka milijuna stupnjeva. U jednoj verziji hidrogenske bombe termonuklearno gorivo je kemijski spoj teškog vodika s lakim litijem - deuterid lakih l i t i i. Ovaj bijeli prah, sličan kuhinjskoj soli,<воспламеняясь>iz<спички>, koja je atomska bomba, trenutno eksplodira i stvara temperaturu od stotine milijuna stupnjeva.
Da bi se pokrenula miroljubiva termonuklearna reakcija, potrebno je prije svega naučiti kako, bez usluga atomske bombe, zagrijati male doze dovoljno guste plazme vodikovih izotopa do temperatura od stotina milijuna stupnjeva. Ovaj problem je jedan od najtežih u modernoj primijenjenoj fizici. Na tome su godinama radili znanstvenici iz cijeloga svijeta.
Već smo rekli da je kaotično gibanje čestica ono što stvara zagrijavanje tijela, a prosječna energija njihovog nasumičnog gibanja odgovara temperaturi. Zagrijati hladno tijelo znači na bilo koji način stvoriti ovaj poremećaj.
Zamislite da dvije skupine trkača brzo jure jedna prema drugoj. Pa su se sudarili, pomiješali, počela je gužva, zbrka. Veliki nered!
Otprilike na isti način fizičari su isprva pokušali postići visoku temperaturu - guranjem visokotlačnih mlaznica plina. Plin se zagrijavao do 10 tisuća stupnjeva. Jedno vrijeme je to bio rekord: temperatura je viša nego na površini Sunca.
Ali ovom metodom daljnje, prilično sporo, neeksplozivno zagrijavanje plina je nemoguće, budući da se toplinski poremećaj trenutačno širi u svim smjerovima, zagrijavajući stijenke eksperimentalne komore i okolinu. Nastala toplina brzo napušta sustav i nemoguće ju je izolirati.
Ako se plinski mlazovi zamijene strujanjem plazme, problem toplinske izolacije ostaje vrlo težak, ali postoji nada za njegovo rješenje.
Istina, plazma se ne može zaštititi od gubitka topline posudama napravljenim čak ni od najvatrostalnije tvari. U dodiru s čvrstim stijenkama vruća se plazma odmah hladi. S druge strane, plazmu se može pokušati zadržati i zagrijati stvaranjem njezine nakupine u vakuumu tako da ne dodiruje stijenke komore, već visi u praznini, ne dodirujući ništa. Ovdje treba iskoristiti činjenicu da čestice plazme nisu neutralne, kao atomi plina, već električki nabijene. Stoga su u kretanju podložni djelovanju magnetskih sila. Nastaje problem: urediti magnetsko polje posebne konfiguracije u kojem bi vruća plazma visjela kao u vreći nevidljivih stijenki.
Najjednostavniji oblik takvog električnog polja nastaje automatski kada kroz plazmu prođu jaki impulsi električne struje. U tom slučaju se oko vlakna plazme induciraju magnetske sile koje nastoje sabiti nit. Plazma se odvaja od stijenki cijevi za pražnjenje, a temperatura raste do 2 milijuna stupnjeva u blizini osi filamenta u naletu čestica.
Kod nas su takvi pokusi vršeni već 1950. godine pod vodstvom akademika JI. A. Artsimovich i M.A. Leontovich.
Drugi smjer eksperimenata je uporaba magnetske boce, koju je 1952. godine predložio sovjetski fizičar G. I. Budker, sada akademik. Magnetska boca smještena je u corktron - cilindričnu vakuumsku komoru opremljenu vanjskim namotom, koji se na krajevima komore zadeblja. Struja koja teče kroz namot stvara magnetsko polje u komori. Njegove su silnice u središnjem dijelu paralelne s generatrisama cilindra, a na krajevima su stisnute i tvore magnetske čepove. Čestice plazme ubrizgane u magnetsku bocu uvijaju se oko linija sile i odbijaju se od čepova. Kao rezultat toga, plazma se neko vrijeme zadržava unutar boce. Ako je energija čestica plazme unesenih u bocu dovoljno visoka i ako ih ima dovoljno, one stupaju u složene međudjelovanje sila, njihovo početno uređeno gibanje se isprepliće, postaje neuredno – temperatura jezgri vodika raste na desetke milijuna stupnjeva. .
Dodatno zagrijavanje postiže se elektromagnetskim putem<ударами>plazmom, kompresijom magnetskog polja, itd. Sada je plazma teških jezgri vodika zagrijana na stotine milijuna stupnjeva. Istina, to se može učiniti ili kratko vrijeme ili pri niskoj gustoći plazme.
Da bi se potaknula samoodrživa reakcija, potrebno je dodatno povećati temperaturu i gustoću plazme. To je teško postići. Međutim, problem je, kako su uvjereni znanstvenici, neporecivo rješiv.

G.B. Anfilov

Objavljivanje fotografija i citiranje članaka s naše stranice na drugim resursima dopušteno je pod uvjetom da je navedena poveznica na izvor i fotografije.

Jeste li ikada razmišljali o tome koliko niske temperature mogu biti? Što je apsolutna nula? Hoće li čovječanstvo to ikada uspjeti postići i kakve će se mogućnosti otvoriti nakon takvog otkrića? Ova i druga slična pitanja dugo su zaokupljala umove mnogih fizičara i jednostavno radoznalih ljudi.

Što je apsolutna nula

Čak i ako niste voljeli fiziku od djetinjstva, vjerojatno znate pojam temperature. Zahvaljujući teoriji molekularne kinetike, sada znamo da postoji određena statička veza između nje i kretanja molekula i atoma: što je viša temperatura nekog fizičkog tijela, to se njegovi atomi brže kreću, i obrnuto. Postavlja se pitanje: "Postoji li takva donja granica na kojoj će se elementarne čestice zamrznuti na mjestu?". Znanstvenici vjeruju da je to teoretski moguće, termometar će biti na oko -273,15 Celzijevih stupnjeva. Ova se vrijednost naziva apsolutna nula. Drugim riječima, to je minimalna moguća granica do koje se fizičko tijelo može ohladiti. Postoji čak i apsolutna temperaturna ljestvica (Kelvinova ljestvica), u kojoj je apsolutna nula referentna točka, a jedinični podjeljak ljestvice jednak je jednom stupnju. Znanstvenici diljem svijeta ne prestaju raditi na postizanju ove vrijednosti, jer to obećava velike izglede za čovječanstvo.

Zašto je to toliko važno

Ekstremno niske i ekstremno visoke temperature usko su povezane s konceptom superfluidnosti i supravodljivosti. Nestanak električnog otpora u supravodičima omogućit će postizanje nezamislivih vrijednosti učinkovitosti i eliminirati sve gubitke energije. Kad bi bilo moguće pronaći način koji bi omogućio slobodno postizanje vrijednosti "apsolutne nule", mnogi problemi čovječanstva bili bi riješeni. Vlakovi koji lebde iznad tračnica, lakši i manji motori, transformatori i generatori, visokoprecizna magnetoencefalografija, visokoprecizni satovi samo su neki od primjera onoga što supravodljivost može donijeti našim životima.

Najnovija znanstvena dostignuća

U rujnu 2003. istraživači s MIT-a i NASA-e uspjeli su ohladiti plin natrij na najnižu razinu svih vremena. Tijekom eksperimenta nedostajalo im je samo pola milijarditog dijela stupnja do cilja (apsolutne nule). Tijekom ispitivanja, natrij je uvijek bio u magnetskom polju, zbog čega nije dodirivao stijenke posude. Kada bi bilo moguće prevladati temperaturnu barijeru, molekularno kretanje u plinu bi potpuno prestalo, jer bi takvo hlađenje izvuklo svu energiju iz natrija. Istraživači su primijenili tehniku ​​čiji je autor (Wolfgang Ketterle) dobio Nobelovu nagradu za fiziku 2001. godine. Ključna točka u provedenim ispitivanjima bili su procesi plinske Bose-Einsteinove kondenzacije. U međuvremenu, nitko još nije otkazao treći zakon termodinamike, prema kojem je apsolutna nula ne samo nepremostiva, već i nedostižna vrijednost. Osim toga, primjenjuje se Heisenbergovo načelo nesigurnosti i atomi jednostavno ne mogu stati mrtvi u svojim stazama. Tako apsolutna nulta temperatura za znanost za sada ostaje nedostižna, iako su joj se znanstvenici uspjeli približiti na zanemarivo malu udaljenost.

Pojam "temperatura" pojavio se u vrijeme kada su fizičari smatrali da se topla tijela sastoje od veće količine određene tvari - kalorijske - nego ista tijela, ali hladna. A temperatura je protumačena kao vrijednost koja odgovara količini kalorija u tijelu. Od tada se temperatura svakog tijela mjeri u stupnjevima. Ali u stvarnosti to je mjera kinetičke energije molekula u kretanju i, na temelju toga, trebala bi se mjeriti u Joulima, u skladu sa SI sustavom jedinica.

Koncept "apsolutne nulte temperature" dolazi iz drugog zakona termodinamike. Prema njemu je nemoguć proces prijenosa topline s hladnog tijela na vruće. Ovaj koncept uveo je engleski fizičar W. Thomson. Za uspjehe u fizici dobio je plemićku titulu "Lord" i titulu "Baron Kelvin". Godine 1848. W. Thomson (Kelvin) predložio je korištenje temperaturne ljestvice, u kojoj je uzeo temperaturu apsolutne nule koja odgovara ekstremnoj hladnoći kao početnu točku, a uzeo je stupnjeve Celzija kao cijenu podjele. Jedinica Kelvina je 1/27316 temperature trojne točke vode (oko 0 stupnjeva C), tj. temperatura na kojoj čista voda postoji u tri oblika odjednom: led, tekuća voda i para. temperatura je najniža moguća niska temperatura pri kojoj prestaje kretanje molekula, te više nije moguće izvlačiti toplinsku energiju iz tvari. Od tada apsolutna temperaturna ljestvica nosi njegovo ime.

Temperatura se mjeri na različitim ljestvicama

Najčešće korištena temperaturna ljestvica naziva se Celzijeva ljestvica. Građena je na dvije točke: na temperaturi faznog prijelaza vode iz tekućine u paru i vode u led. A. Celsius je 1742. godine predložio da se udaljenost između referentnih točaka podijeli u 100 intervala, a da se voda uzme kao nula, dok je točka smrzavanja 100 stupnjeva. No Šveđanin K. Linnaeus predložio je da se učini suprotno. Od tada se voda smrzava na nula stupnjeva A. Celzija. Iako bi trebao kuhati točno u Celzijusu. Apsolutna nula u Celzijusu odgovara minus 273,16 stupnjeva Celzija.

Postoji još nekoliko temperaturnih ljestvica: Fahrenheit, Réaumur, Rankine, Newton, Roemer. Imaju različite i cjenovne podjele. Na primjer, Réaumurova ljestvica također je izgrađena na mjerilima vrenja i smrzavanja vode, ali ima 80 podjela. Fahrenheitova ljestvica, koja se pojavila 1724., koristi se u svakodnevnom životu samo u nekim zemljama svijeta, uključujući SAD; jedna je temperatura smjese vodeni led - amonijak, a druga je temperatura ljudskog tijela. Ljestvica je podijeljena na stotinu podjeljaka. Nula Celzija odgovara 32. Pretvorba stupnjeva u Fahrenheit može se izvršiti pomoću formule: F = 1,8 C + 32. Obrnuti prijevod: C = (F - 32) / 1,8, gdje: F - stupnjevi Fahrenheita, C - stupnjevi Celzija. Ako ste previše lijeni za brojanje, idite na online uslugu pretvorbe Celzija u Fahrenheite. U okvir upišite broj Celzijevih stupnjeva, kliknite "Izračunaj", odaberite "Fahrenheit" i kliknite "Start". Rezultat će se pojaviti odmah.

Ime je dobio po engleskom (točnije škotskom) fizičaru Williamu J. Rankinu, nekadašnjem Kelvinovu suvremeniku i jednom od tvoraca tehničke termodinamike. Tri su važne točke na njegovoj ljestvici: početak je apsolutna nula, ledište vode je 491,67 stupnjeva Rankinea i vrelište vode je 671,67 stupnjeva. Broj podjela između smrzavanja vode i njezinog ključanja u Rankineu i Fahrenheitu je 180.

Većinu ovih ljestvica koriste isključivo fizičari. A 40% ovih dana anketiranih američkih srednjoškolaca reklo je da ne znaju što je temperatura apsolutne nule.

Fizikalni koncept "apsolutne nulte temperature" vrlo je važan za modernu znanost: takav koncept kao supravodljivost, čije je otkriće izazvalo senzaciju u drugoj polovici 20. stoljeća, usko je povezan s njim.

Da bismo razumjeli što je apsolutna nula, treba se pozvati na radove poznatih fizičara kao što su G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac i W. Thomson. Upravo su oni odigrali ključnu ulogu u stvaranju glavnih temperaturnih ljestvica koje se i danas koriste.

Prvi koji je 1714. ponudio vlastitu temperaturnu ljestvicu bio je njemački fizičar G. Fahrenheit. Pritom je temperatura smjese, koja je sadržavala snijeg i amonijak, uzeta kao apsolutna nula, odnosno najniža točka na ovoj ljestvici. Sljedeći važan pokazatelj bio je onaj koji je počeo iznositi 1000. U skladu s tim, svaki odjeljak ove ljestvice nazvan je "stupanj Fahrenheita", a sama ljestvica nazvana je "Farenheitova ljestvica".

Nakon 30 godina, švedski astronom A. Celsius predložio je vlastitu temperaturnu ljestvicu, gdje su glavne točke bile temperatura taljenja leda i vode. Ova ljestvica nazvana je "Celzijeva ljestvica", još uvijek je popularna u većini zemalja svijeta, uključujući Rusiju.

Francuski znanstvenik J. Gay-Lussac je 1802. godine, provodeći svoje poznate pokuse, otkrio da volumen plinske mase pri konstantnom tlaku izravno ovisi o temperaturi. Ali najzanimljivija stvar je bila da kada se temperatura promijeni za 10 Celzija, volumen plina se povećava ili smanjuje za isti iznos. Nakon što je izvršio potrebne izračune, Gay-Lussac je otkrio da je ta vrijednost jednaka 1/273 volumena plina pri temperaturi jednakoj 0C.

Iz ovog zakona slijedio je očigledan zaključak: temperatura jednaka -2730C najniža je temperatura, čak joj se i približiti nemoguće ju je postići. Ta se temperatura naziva "temperatura apsolutne nule".

Štoviše, apsolutna nula postala je polazište za stvaranje apsolutne temperaturne ljestvice, u čemu je aktivno sudjelovao engleski fizičar W. Thomson, poznat i kao Lord Kelvin.

Njegovo glavno istraživanje odnosilo se na dokaz da se nijedno tijelo u prirodi ne može ohladiti ispod apsolutne nule. Istodobno je aktivno koristio drugu, stoga je apsolutna temperaturna ljestvica koju je uveo 1848. postala poznata kao termodinamička ili "Kelvinova ljestvica".

U narednim godinama i desetljećima došlo je samo do numeričkog usavršavanja koncepta "apsolutne nule", koja se nakon brojnih dogovora počela smatrati jednakom -273,150S.

Također vrijedi napomenuti da apsolutna nula ima vrlo važnu ulogu u cijeloj činjenici da je 1960. godine na sljedećoj Generalnoj konferenciji za utege i mjere jedinica termodinamičke temperature - kelvin - postala jedna od šest osnovnih mjernih jedinica. Istovremeno je posebno propisano da je jedan stupanj Kelvina brojčano jednak jedinici, samo što se ovdje referentna točka "prema Kelvinu" smatra apsolutnom nulom, odnosno -273,150S.

Glavno fizikalno značenje apsolutne nule je da je, prema osnovnim fizikalnim zakonima, pri takvoj temperaturi energija gibanja elementarnih čestica, poput atoma i molekula, jednaka nuli, te je u tom slučaju svako kaotično gibanje upravo bi se te čestice trebale zaustaviti. Na temperaturi koja je jednaka apsolutnoj nuli, atomi i molekule trebaju zauzeti jasan položaj u glavnim točkama kristalne rešetke, tvoreći uređeni sustav.

Trenutno, pomoću posebne opreme, znanstvenici su uspjeli dobiti temperaturu samo nekoliko milijuntinki višu od apsolutne nule. Fizički je nemoguće postići samu tu vrijednost zbog gore opisanog drugog zakona termodinamike.

Temperatura apsolutne nule

Kao granična temperatura pri kojoj volumen idealnog plina postaje nula uzima se temperatura apsolutne nule.

Nađimo vrijednost apsolutne nule na Celzijevoj ljestvici.
Izjednačavanje volumena V u formuli (3.1) na nulu i uzimajući u obzir da

.

Stoga je temperatura apsolutne nule

t= -273 °S. 2

To je granična, najniža temperatura u prirodi, onaj “najveći ili posljednji stupanj hladnoće”, čije je postojanje predvidio Lomonosov.

Najviše temperature na Zemlji - stotine milijuna stupnjeva - postignute su tijekom eksplozija termonuklearnih bombi. Još više temperature karakteristične su za unutarnja područja nekih zvijezda.

2Točnija vrijednost za apsolutnu nulu: -273,15°C.

Kelvinova skala

Engleski znanstvenik W. Kelvin uveo je apsolutna ljestvica temperature. Nulta temperatura na Kelvinovoj ljestvici odgovara apsolutnoj nuli, a jedinica temperature na ovoj ljestvici jednaka je stupnjevima Celzijusa, pa je apsolutna temperatura T je povezan s temperaturom na Celzijevoj ljestvici formulom

T = t + 273. (3.2)

Na sl. 3.2 prikazuje apsolutnu skalu i Celzijevu skalu za usporedbu.

SI jedinica apsolutne temperature naziva se kelvin(skraćeno K). Stoga je jedan stupanj Celzijusa jednak jednom stupnju Kelvina:

Dakle, apsolutna temperatura, prema definiciji danoj formulom (3.2), je izvedena veličina koja ovisi o Celzijevoj temperaturi i eksperimentalno određenoj vrijednosti a.

Čitač: Koje je fizičko značenje apsolutne temperature?

Izraz (3.1) zapisujemo u obliku

.

S obzirom da je temperatura na Kelvinovoj ljestvici povezana s temperaturom na Celzijevoj ljestvici omjerom T = t + 273, dobivamo

gdje T 0 = 273 K, ili

Budući da ova relacija vrijedi za proizvoljnu temperaturu T, tada se Gay-Lussacov zakon može formulirati na sljedeći način:

Za danu masu plina pri p = const, relacija

Zadatak 3.1. Na temperaturi T 1 = 300 K volumen plina V 1 = 5,0 l. Odredite volumen plina pri istom tlaku i temperaturi T= 400 K.

STOP! Odlučite sami: A1, B6, C2.

Zadatak 3.2. Izobarnim zagrijavanjem volumen zraka se povećao za 1%. Za koliko posto se povećala apsolutna temperatura?

= 0,01.

Odgovor: 1 %.

Zapamtite dobivenu formulu

STOP! Odlučite sami: A2, A3, B1, B5.

Charlesov zakon

Francuski znanstvenik Charles eksperimentalno je otkrio da ako zagrijete plin tako da njegov volumen ostane konstantan, tada će se tlak plina povećati. Ovisnost tlaka o temperaturi ima oblik:

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

gdje R(t) je tlak pri temperaturi t°C; R 0 – tlak na 0 °S; b je temperaturni koeficijent tlaka, koji je isti za sve plinove: 1/K.

Čitač: Začudo, temperaturni koeficijent tlaka b točno je jednak temperaturnom koeficijentu volumetrijskog širenja a!

Uzmimo određenu masu plina s volumenom V 0 na temperaturi T 0 i tlak R 0 . Prvi put, održavajući konstantan tlak plina, zagrijavamo ga do temperature T jedan . Tada će plin imati volumen V 1 = V 0 (1 + a t) i tlak R 0 .

Drugi put, zadržavajući volumen plina konstantnim, zagrijavamo ga na istu temperaturu T jedan . Tada će plin imati pritisak R 1 = R 0 (1 + b t) i volumen V 0 .

Budući da je temperatura plina ista u oba slučaja, vrijedi Boyle-Mariotteov zakon:

str 0 V 1 = str 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.

Dakle, nema ništa iznenađujuće u činjenici da je a = b, ne!

Prepišimo Charlesov zakon u obliku

.

S obzirom na to T = t°S + 273 °S, T 0 \u003d 273 ° S, dobivamo