Kad vremenska prognoza predviđa temperature oko nule, ne biste trebali ići na klizalište: led će se otopiti. Temperatura topljenja leda uzima se kao nula stupnjeva Celzijusa – najčešća temperaturna ljestvica.
Dobro smo svjesni negativnih stupnjeva Celzijeve ljestvice – stupnjeva<ниже нуля>, stupnjevi hladnoće. Najniža temperatura na Zemlji zabilježena je na Antarktiku: -88,3°C. Izvan Zemlje moguće su još niže temperature: na površini Mjeseca u lunarnu ponoć može doseći -160°C.
Ali nigdje ne može biti proizvoljno niskih temperatura. Ekstremno niska temperatura - apsolutna nula - na Celzijevoj ljestvici odgovara - 273,16 °.
Apsolutna temperaturna ljestvica, Kelvinova ljestvica, potječe od apsolutne nule. Led se topi pri 273,16° Kelvina, a voda ključa na 373,16° K. Dakle, stupanj K je jednak stupnju C. Ali na Kelvinovoj ljestvici sve temperature su pozitivne.
Zašto je 0°K granica hladnoće?
Toplina je kaotično kretanje atoma i molekula materije. Kada se tvar ohladi, oduzima joj se toplinska energija, a u tom slučaju nasumično kretanje čestica slabi. Na kraju, uz jako hlađenje, termalno<пляска>čestice gotovo potpuno zaustavlja. Atomi i molekule bi se potpuno smrznuli na temperaturi koja se uzima kao apsolutna nula. Prema principima kvantne mehanike, na apsolutnoj nuli, upravo bi toplinsko gibanje čestica prestalo, ali se same čestice ne bi smrzle, budući da ne mogu biti potpuno mirne. Dakle, na apsolutnoj nuli, čestice i dalje moraju zadržati neku vrstu gibanja, koje se naziva nula.

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

Štoviše, čak i postizanje točne apsolutne nule također je gotovo nemoguće. Možete mu se samo približiti. Jer apsolutno se 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 se zbog topline komore zagrijava i vrije, pretvarajući se u paru. Ali para se komprimira kompresorom, ukapljuje i ulazi u isparivač, nadoknađujući gubitak freona koji isparava. Energija se koristi za rad kompresora.
U uređajima za duboko hlađenje, nosač hladnoće je superhladna tekućina - tekući helij. Bezbojan, lagan (8 puta lakši od vode), vrije pod atmosferskim tlakom na 4,2°K, a u vakuumu na 0,7°K. Još nižu temperaturu daje svjetlosni izotop helija: 0,3°K.
Prilično je teško urediti trajni hladnjak s helijem. Istraživanja se provode jednostavno u kupkama s tekućim helijem. A za ukapljivanje ovog plina, fizičari koriste različite tehnike. Na primjer, prethodno ohlađeni i komprimirani helij se ekspandira ispuštanjem kroz tanku rupu u vakuumsku komoru. Pritom se temperatura i dalje smanjuje i dio plina prelazi u tekućinu. Učinkovitije je ne samo proširiti ohlađeni plin, već i učiniti ga da radi - pomaknuti klip.
Dobiveni tekući helij pohranjuje se u posebne termoze - Dewarove posude. Cijena ove najhladnije tekućine (jedine koja se ne smrzava na apsolutnoj nuli) je prilično visoka. Ipak, tekući helij se danas sve više koristi, ne samo u znanosti, već iu raznim tehničkim uređajima.
Najniže temperature postignute su na drugačiji način. Pokazalo se da se molekule nekih soli, kao što je kalijev krom alum, mogu rotirati duž magnetskih linija sile. Ta se sol prethodno ohladi tekućim helijem na 1°K i stavi u jako magnetsko polje. U tom slučaju molekule rotiraju duž linija sile, a oslobođenu toplinu oduzima tekući helij. Tada se magnetsko polje oštro uklanja, molekule se opet okreću u različitim smjerovima i troše

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

Superfluidnost

Tvar smrznuta na ultraniskim temperaturama u kupkama s tekućim helijem zamjetno se mijenja. Guma postaje lomljiva, olovo postaje tvrdo kao čelik i elastično, mnoge legure povećavaju čvrstoću.

Sam tekući helij ponaša se na osebujan način. Na temperaturama ispod 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. otkrio sovjetski fizičar akademik P. JI. Kapitsa, objasnio je tada akademik JI. D. Landau.
Ispada da na ultraniskim temperaturama kvantni zakoni ponašanja materije počinju primjetno utjecati. Kao što jedan od ovih zakona zahtijeva, energija se može prenositi s tijela na tijelo samo u sasvim određenim dijelovima - kvantima. U tekućem heliju ima toliko malo kvanta topline da ih nema dovoljno za sve atome. Dio tekućine, lišen kvanta topline, ostaje na temperaturi apsolutne nule, njezini atomi uopće ne sudjeluju u nasumičnom toplinskom gibanju i ni na koji način ne stupaju u interakciju sa stijenkama posude. Ovaj dio (zvao se helij-H) posjeduje superfluidnost. Sa smanjenjem 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 proučavana i čak je našla korisnu praktičnu primjenu: uz nju je moguće odvojiti izotope helija.

Supervodljivost

Blizu apsolutne nule, događaju se iznimno neobične 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 propada i može teći gotovo zauvijek.
Iznad takvog prstena, supravodljiva lopta će lebdjeti u zraku i neće pasti, kao iz bajke.<гроб Магомета>, jer se njegova težina kompenzira magnetskim odbijanjem između prstena i lopte. Uostalom, neprigušena struja u prstenu će stvoriti magnetsko polje, a ona će zauzvrat inducirati električnu struju u kugli i, zajedno s njom, suprotno usmjereno magnetsko polje.
Osim žive, kositar, olovo, cink i aluminij imaju supravodljivost blizu apsolutne nule. Ovo svojstvo pronađeno je u 23 elementa i preko stotinu različitih legura i drugih kemijskih spojeva.
Temperature na kojima se pojavljuje supravodljivost (kritične temperature) su u prilično širokom rasponu, od 0,35°K (hafnij) do 18°K (legura niobij-kosit).
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 je opet čisto kvantna. Na ultraniskim temperaturama, elektroni ulaze

supravodiči tvore sustav parno povezanih čestica koje ne mogu dati energiju kristalnoj rešetki, troše kvante energije za zagrijavanje. Parovi elektrona kreću se kao<танцуя>, između<прутьями решетки>- ione i zaobići ih bez sudara i prijenosa energije.
Supervodljivost se sve više koristi u tehnologiji.
Primjerice, u praksu dolaze supravodljivi solenoidi – supravodični svitci uronjeni u tekući helij. Jednom inducirana struja i, posljedično, magnetsko polje mogu se u njima pohraniti proizvoljno dugo. Može doseći gigantsku vrijednost - preko 100.000 oersteda. U budućnosti će se nesumnjivo pojaviti moćni industrijski supravodljivi uređaji - elektromotori, elektromagneti itd.
U radioelektronici značajnu ulogu počinju igrati superosjetljiva pojačala i generatori elektromagnetskih valova, koji posebno dobro funkcioniraju u kupkama s tekućim helijem - tamo unutarnje<шумы>oprema. U tehnologiji elektroničkog računala obećava se svijetla budućnost za supravodljive sklopke male snage - kriotrone (vidi čl.<Пути электроники>).
Nije teško zamisliti koliko bi bilo primamljivo unaprijediti rad ovakvih uređaja na više, pristupačnije temperature. Nedavno se otvorila nada u stvaranje polimernih filmskih supravodiča. Neobična priroda električne vodljivosti u takvim materijalima obećava sjajnu priliku za održavanje supravodljivosti čak i na sobnim temperaturama. Znanstvenici ustrajno traže načine da ostvare ovu nadu.

U dubini zvijezda

A sada pogledajmo u carstvo najtoplijeg na svijetu – u utrobu zvijezda. Gdje temperature dosežu milijune stupnjeva.
Kaotično toplinsko gibanje u zvijezdama toliko je intenzivno da cijeli atomi ne mogu postojati tamo: oni su uništeni u bezbrojnim sudarima.
Stoga, tako jako zagrijana tvar ne može biti ni kruta, ni tekuća ni plinovita. Nalazi se u stanju plazme, tj. mješavine električno nabijenih<осколков>atomi – atomske jezgre i elektroni.
Plazma je svojevrsno stanje materije. Budući da su njegove čestice električno nabijene, osjetljivo se pokoravaju električnim i magnetskim silama. Stoga je bliska blizina dviju atomskih jezgri (one nose pozitivan naboj) rijedak fenomen. Samo pri visokim 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, ipak se događaju. Ponekad protoni koji se približavaju stupaju u interakciju: nakon što su prevladali električni odboj, brzo padaju u moć divovskih nuklearnih sila privlačnosti.<падают>jedno drugo i spojiti. Ovdje se događa trenutačno preuređenje: umjesto dva protona pojavljuju se deuteron (jezgra teškog izotopa vodika), pozitron i neutrino. Oslobođena energija iznosi 0,46 milijuna elektron volti (Mev).
Svaki pojedinačni solarni proton može ući u takvu reakciju u prosjeku jednom u 14 milijardi godina. Ali u utrobi svjetiljke ima toliko protona da se tu i tamo dogodi neki nevjerojatan događaj - a naša zvijezda gori svojim ravnomjernim, blistavim plamenom.
Sinteza deuterona samo je prvi korak u solarnim termonuklearnim transformacijama. Novorođeni deuteron vrlo brzo (u prosjeku nakon 5,7 sekundi) spaja se s još jednim protonom. Postoji jezgra od svjetlosnog helija i gama kvanta elektromagnetskog zračenja. Oslobađa se 5,48 MeV energije.
Konačno, u prosjeku, jednom svaki milijun godina, dvije jezgre laganog helija mogu se konvergirati i spojiti. Tada nastaje obična jezgra helija (alfa čestica) i dva protona se odvajaju. Oslobađa se 12,85 MeV energije.
Ovaj trostupanjski<конвейер>termonuklearne reakcije nije jedina. Postoji još jedan lanac nuklearnih transformacija, onih bržih. 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 4.1033 erga energije, gubeći 4.1012 g (4 milijuna tona) materije na težini. Ali ukupna masa Sunca je 2 1027 tona. To znači da će Sunce za milijun godina uslijed emisije zračenja<худеет>samo jedan desetmilijunski dio njegove mase. Ove brojke rječito ilustriraju učinkovitost termonuklearnih reakcija i gigantsku kalorijsku vrijednost sunčeve energije.<горючего>- vodik.
Čini se da je termonuklearna fuzija glavni izvor energije za sve zvijezde. Pri različitim temperaturama i gustoćama zvjezdanih unutrašnjosti odvijaju se različite vrste reakcija. Konkretno, solarni<зола>- jezgre helija - na 100 milijuna stupnjeva i sam postaje termonuklearan<горючим>. Tada se iz alfa čestica mogu sintetizirati još teže atomske jezgre – ugljik, pa čak i kisik.
Prema mnogim znanstvenicima, cijela naša Metagalaksija u cjelini također je plod termonuklearne fuzije, koja se dogodila na temperaturi od milijardu stupnjeva (vidi čl.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Na umjetno sunce

Izvanredan kalorijski sadržaj termonukleara<горючего>potaknuo je znanstvenike da traže umjetnu provedbu reakcija nuklearne fuzije.
<Горючего>Na našem planetu postoji mnogo izotopa vodika. Na primjer, superteški vodik 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 fuzijskom 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 hidrogenskom bombom. Tamošnji izotopi vodika zapaljuju se eksplozijom atomske bombe, što je popraćeno zagrijavanjem tvari na više desetaka milijuna stupnjeva. U jednoj verziji hidrogenske bombe, termonuklearno gorivo je kemijski spoj teškog vodika s laganim litijem - deuteridom 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 stotina milijuna stupnjeva.
Da bi se pokrenula mirna termonuklearna reakcija, potrebno je prije svega naučiti kako, bez upotrebe atomske bombe, zagrijati male doze dovoljno guste plazme vodikovih izotopa na temperature od stotina milijuna stupnjeva. Ovaj problem je jedan od najtežih u modernoj primijenjenoj fizici. Na tome već dugi niz godina rade znanstvenici iz cijelog svijeta.
Već smo rekli da je kaotično gibanje čestica ono što stvara zagrijavanje tijela, a prosječna energija njihovog slučajnog 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, nastala je gužva, zbrka. Sjajan nered!
Otprilike na isti način, fizičari su isprva pokušali postići visoku temperaturu - potiskivanjem visokotlačnih plinskih mlaznica. Plin se zagrijao do 10 tisuća stupnjeva. Nekada je to bio rekord: temperatura je viša nego na površini Sunca.
Ali ovom metodom nemoguće je daljnje, prilično sporo, neeksplozivno zagrijavanje plina, jer se toplinski poremećaj trenutno širi u svim smjerovima, zagrijavajući zidove eksperimentalne komore i okoliš. Nastala toplina brzo napušta sustav i nemoguće ga je izolirati.
Ako se mlaznice plina zamijene strujanjima plazme, problem toplinske izolacije ostaje vrlo težak, ali postoji i nada za njegovo rješenje.
Istina, plazma se ne može zaštititi od gubitka topline posudama napravljenim čak ni od najvatrostalnije tvari. U dodiru s čvrstim zidovima, vruća plazma se odmah hladi. S druge strane, može se pokušati zadržati i zagrijati plazmu stvaranjem njezine akumulacije u vakuumu tako da ne dodiruje zidove komore, već visi u praznini, a da ništa ne dodiruje. Ovdje treba iskoristiti činjenicu da čestice plazme nisu neutralne, kao atomi plina, već električno nabijene. Stoga su u kretanju podložni djelovanju magnetskih sila. Pojavljuje se problem: urediti magnetsko polje posebne konfiguracije u kojem bi vruća plazma visjela kao u vrećici s nevidljivim stijenkama.
Najjednostavniji oblik takvog električnog polja nastaje automatski kada se kroz plazmu propuštaju jaki impulsi električne struje. U tom slučaju oko plazma filamenta se induciraju magnetske sile, koje nastoje stisnuti filament. Plazma se odvaja od stijenki cijevi za pražnjenje, a temperatura raste na 2 milijuna stupnjeva blizu osi niti u naletu čestica.
Kod nas su se takvi pokusi provodili već 1950. godine pod vodstvom akademika JI. A. Artsimovich i M.A. Leontovich.
Drugi smjer eksperimenata je uporaba magnetske boce, koju je 1952. predložio sovjetski fizičar G. I. Budker, sada akademik. Magnetska boca je smještena u corktron - cilindričnu vakuumsku komoru opremljenu vanjskim namotom, koji se na krajevima komore zgušnjava. Struja koja teče kroz namot stvara magnetsko polje u komori. Njegove linije sile u srednjem dijelu paralelne su s generatricijama cilindra, a na krajevima su stisnute i tvore magnetske čepove. Čestice plazme ubrizgane u magnetsku bocu savijaju se oko linija sile i reflektiraju se od čepova. Kao rezultat toga, plazma se neko vrijeme zadržava unutar boce. Ako je energija čestica plazme unesenih u bocu dovoljno visoka i ima ih dovoljno, one ulaze u složene interakcije sila, njihovo početno uređeno gibanje se zapliće, postaje neuređeno - temperatura jezgri vodika raste na desetke milijuna stupnjeva. .
Dodatno zagrijavanje postiže se elektromagnetskim<ударами>plazmom, kompresijom magnetskog polja itd. Sada se plazma teških jezgri vodika zagrijava na stotine milijuna stupnjeva. Istina, to se može učiniti bilo 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, nepobitno rješiv.

G.B. Anfilov

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

Jeste li ikada razmišljali o tome koliko temperatura može biti niska? Što je apsolutna nula? Hoće li to čovječanstvo ikada uspjeti postići i koje će se prilike otvoriti nakon takvog otkrića? Ova i druga slična pitanja dugo su zaokupljala umove mnogih fizičara i jednostavno znatiželjnika.

Što je apsolutna nula

Čak i ako niste voljeli fiziku od djetinjstva, vjerojatno znate pojam temperature. Zahvaljujući molekularno-kinetičkoj teoriji, sada znamo da postoji određena statička veza između nje i kretanja molekula i atoma: što je temperatura bilo kojeg fizičkog tijela viša, njegovi se atomi brže kreću, i obrnuto. Postavlja se pitanje: "Postoji li tako donja granica na kojoj će se elementarne čestice smrznuti na mjestu?". Znanstvenici vjeruju da je to teoretski moguće, termometar će biti na oko -273,15 stupnjeva Celzija. Ova vrijednost se naziva apsolutna nula. Drugim riječima, ovo 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 jedinična podjela ljestvice jednaka 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 da se slobodno dođe do vrijednosti "apsolutne nule", mnogi problemi čovječanstva bili bi riješeni. Vlakovi koji lebde nad tračnicama, lakši i manji motori, transformatori i generatori, visokoprecizna magnetoencefalografija, visokoprecizni satovi samo su neki primjeri onoga što supravodljivost može donijeti u naše živote.

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 nedostajala im je samo pola milijarde stupnja do cilja (apsolutna nula). Tijekom testova, natrij je uvijek bio u magnetskom polju, koje ga je sprječavalo da dotakne stijenke spremnika. Kada bi bilo moguće prevladati temperaturnu barijeru, molekularno kretanje u plinu bi potpuno prestalo, jer bi se takvim hlađenjem izvukla sva energija 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 plinoviti Bose-Einstein kondenzacijski procesi. U međuvremenu, nitko još nije otkazao treći zakon termodinamike, prema kojem apsolutna nula nije samo nepremostiva, već i nedostižna vrijednost. Osim toga, primjenjuje se Heisenbergov princip nesigurnosti, a atomi jednostavno ne mogu stati mrtvi na svom putu. Tako za sada apsolutna nulta temperatura za znanost ostaje nedostižna, iako su joj se znanstvenici uspjeli približiti na zanemarivo malu udaljenost.

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

Koncept "apsolutne nulte temperature" dolazi iz drugog zakona termodinamike. Prema njemu, proces prijenosa topline s hladnog tijela na vruće je nemoguć. Ovaj koncept uveo je engleski fizičar W. Thomson. Za postignuća u fizici dodijeljena mu je plemićka titula "Lord" i naslov "Baron Kelvin". Godine 1848. W. Thomson (Kelvin) je predložio korištenje temperaturne ljestvice u kojoj je uzeo temperaturu apsolutne nule koja odgovara ekstremnoj hladnoći kao početnu točku, a uzeo stupnjeve Celzija kao cijenu podjele. Jedinica Kelvina je 1/27316 temperature trostruke točke vode (oko 0 stupnjeva C), t.j. 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 izvući toplinsku energiju iz tvari. Od tada apsolutna temperaturna ljestvica nosi njegovo ime.

Temperatura se mjeri na različitim skalama

Najčešće korištena temperaturna ljestvica naziva se Celzijeva ljestvica. Gradi se 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 na 100 intervala i uzme vodu kao nulu, dok je točka smrzavanja 100 stupnjeva. No, Šveđanin K. Linnaeus je predložio da se učini suprotno. Od tada se voda smrzava na nula stupnjeva A. Celzijusa. Iako bi trebao ključati točno u Celzijusu. Apsolutna nula u Celzijusu odgovara minus 273,16 Celzijevih stupnjeva.

Postoji još nekoliko temperaturnih ljestvica: Fahrenheit, Réaumur, Rankine, Newton, Roemer. Imaju različite i cjenovne podjele. Na primjer, Réaumurova ljestvica je također izgrađena na mjerilima ključanja i smrzavanja vode, ali ima 80 podjela. Fahrenheitova ljestvica, koja se pojavila 1724. godine, koristi se u svakodnevnom životu samo u nekim zemljama svijeta, uključujući SAD; jedna je temperatura mješavine vodenog leda - amonijaka a druga je temperatura ljudskog tijela. Ljestvica je podijeljena na stotinu podjela. Nula Celzijusa odgovara 32 Pretvorba stupnjeva u Fahrenheit može se izvršiti pomoću formule: F = 1,8 C + 32. Obrnuti prijevod: C = (F - 32) / 1,8, gdje je: F - stupnjeva Fahrenheita, C - stupnjeva Celzija. Ako ste previše lijeni za brojanje, idite na online uslugu konverzije Celzijusa u Fahrenheit. 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, bivšem Kelvinovu suvremeniku i jednom od tvoraca tehničke termodinamike. U njegovoj ljestvici postoje tri važne točke: početak je apsolutna nula, ledište vode je 491,67 stupnjeva Rankinea i vrelište vode je 671,67 stupnjeva. Broj podjela između smrzavanja vode i njenog ključanja u Rankineu i Fahrenheitu je 180.

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

Fizički koncept "temperature apsolutne nule" vrlo je važan za modernu znanost: koncept kao što je 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 skalu bio je njemački fizičar G. Fahrenheit. Istodobno, temperatura smjese, koja je uključivala snijeg i amonijak, uzeta je kao apsolutna nula, odnosno najniža točka na ovoj ljestvici. Sljedeći važan pokazatelj bio je koji je počeo iznositi 1000. Prema tome, svaka podjela ove ljestvice nazvana je “stupnjevi Fahrenheita”, a sama ljestvica nazvana je “fahrenheitova ljestvica”.

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

Godine 1802., dok je provodio svoje slavne pokuse, francuski znanstvenik J. Gay-Lussac otkrio je da volumen plinske mase pri konstantnom tlaku izravno ovisi o temperaturi. No, najzanimljivije je bilo to što se, kada se temperatura promijenila za 10 Celzijevih, volumen plina povećavao ili smanjivao za isti iznos. Nakon što je napravio 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 je najniža temperatura, čak i pri približavanju ju je nemoguće postići. Ova temperatura se naziva "temperatura apsolutne nule".

Štoviše, apsolutna nula postala je polazna točka za stvaranje apsolutne temperaturne ljestvice, u kojoj je aktivno sudjelovao engleski fizičar W. Thomson, također poznat 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, pa je apsolutna temperaturna ljestvica koju je uveo 1848. postala poznata kao termodinamička ili "Kelvinova ljestvica".

U narednim godinama i desetljećima dogodilo se samo numeričko usavršavanje koncepta "apsolutne nule", koji se nakon brojnih sporazuma počeo smatrati jednakim -273,150S.

Također je vrijedno napomenuti da apsolutna nula igra 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. Istodobno, izričito je određeno da je jedan stupanj Kelvina brojčano jednak jedan, samo što se ovdje referentna točka "prema Kelvinu" smatra apsolutnom nulom, odnosno -273,150S.

Glavno fizičko značenje apsolutne nule je da je, prema osnovnim fizikalnim zakonima, pri takvoj temperaturi energija gibanja elementarnih čestica, kao što su atomi i molekule, jednaka nuli, au ovom slučaju svako kaotično gibanje te iste čestice trebale bi se zaustaviti. Na temperaturi jednakoj apsolutnoj nuli, atomi i molekule trebaju zauzeti jasan položaj u glavnim točkama kristalne rešetke, tvoreći uređeni sustav.

Trenutačno, koristeći posebnu opremu, znanstvenici su uspjeli dobiti temperaturu koja je samo nekoliko milijuntih dijelova veća od apsolutne nule. Fizički je nemoguće postići ovu vrijednost samu zbog drugog zakona termodinamike opisanog gore.

Apsolutna nula temperatura

Granična temperatura pri kojoj volumen idealnog plina postaje nula uzima se kao temperatura apsolutne nule.

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

.

Stoga je apsolutna nula temperatura

t= -273 °S. 2

To je ograničavajuća, najniža temperatura u prirodi, taj "najveći ili posljednji stupanj hladnoće", čije je postojanje predvidio Lomonosov.

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

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

Kelvinova skala

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

T = t + 273. (3.2)

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

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

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

Čitač: Koje je fizičko značenje apsolutne temperature?

Zapisujemo izraz (3.1) 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. Izobaričnim zagrijavanjem volumen zraka se povećao za 1%. Za koliko je postotaka porasla 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 na temperaturi t°C; R 0 – tlak pri 0 °C; b je temperaturni koeficijent tlaka, koji je isti za sve plinove: 1/K.

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

Uzmimo određenu masu plina s volumenom V 0 na temperaturi T 0 i tlak R 0 . Po prvi put, održavajući tlak plina konstantnim, zagrijavamo ga na temperaturu T jedan . Tada će plin imati volumen V 1 = V 0 (1 + a t) i pritisak R 0 .

Drugi put, održavajući 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 ° C, dobivamo