Apabila laporan cuaca meramalkan suhu sekitar sifar, anda tidak sepatutnya pergi ke gelanggang luncur: ais akan cair. Suhu lebur ais diambil sebagai sifar darjah Celsius - skala suhu yang paling biasa.
Kami sedia maklum tentang darjah negatif skala Celsius - darjah<ниже нуля>, darjah sejuk. Suhu terendah di Bumi direkodkan di Antartika: -88.3°C. Di luar Bumi, suhu yang lebih rendah mungkin: di permukaan Bulan pada tengah malam bulan ia boleh mencapai -160°C.
Tetapi tidak ada tempat yang boleh ada suhu rendah sewenang-wenangnya. Suhu yang sangat rendah - sifar mutlak - pada skala Celsius sepadan dengan - 273.16 °.
Skala suhu mutlak, skala Kelvin, berasal dari sifar mutlak. Ais cair pada 273.16° Kelvin, dan air mendidih pada 373.16° K. Oleh itu, darjah K adalah sama dengan darjah C. Tetapi pada skala Kelvin, semua suhu adalah positif.
Mengapakah 0°K adalah had sejuk?
Haba ialah pergerakan atom dan molekul jirim yang kacau. Apabila bahan disejukkan, tenaga haba diambil daripadanya, dan dalam kes ini, pergerakan rawak zarah menjadi lemah. Pada akhirnya, dengan penyejukan yang kuat, haba<пляска>zarah hampir berhenti sepenuhnya. Atom dan molekul akan membeku sepenuhnya pada suhu yang diambil sebagai sifar mutlak. Menurut prinsip mekanik kuantum, pada sifar mutlak, tepatnya gerakan haba zarah yang akan berhenti, tetapi zarah itu sendiri tidak akan membeku, kerana ia tidak boleh diam sepenuhnya. Oleh itu, pada sifar mutlak, zarah-zarah masih mesti mengekalkan beberapa jenis gerakan, yang dipanggil sifar.

Walau bagaimanapun, untuk menyejukkan bahan kepada suhu di bawah sifar mutlak adalah idea yang tidak bermakna seperti, katakan, niat<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Selain itu, walaupun mencapai sifar mutlak tepat juga hampir mustahil. Anda hanya boleh mendekatinya. Kerana sama sekali semua tenaga habanya tidak boleh diambil dari bahan dengan cara apa pun. Sebahagian daripada tenaga haba kekal semasa penyejukan paling dalam.
Bagaimanakah mereka mencapai suhu ultra-rendah?
Membekukan bahan adalah lebih sukar daripada memanaskannya. Ini dapat dilihat sekurang-kurangnya dari perbandingan reka bentuk dapur dan peti sejuk.
Dalam kebanyakan peti sejuk isi rumah dan industri, haba dikeluarkan kerana penyejatan cecair khas - freon, yang beredar melalui tiub logam. Rahsianya ialah freon boleh kekal dalam keadaan cair hanya pada suhu yang cukup rendah. Di dalam ruang penyejukan, disebabkan oleh haba ruang, ia menjadi panas dan mendidih, bertukar menjadi wap. Tetapi wap dimampatkan oleh pemampat, dicairkan dan memasuki penyejat, menggantikan kehilangan freon yang menyejat. Tenaga digunakan untuk menjalankan pemampat.
Dalam peranti penyejukan dalam, pembawa sejuk adalah cecair supersejuk - cecair helium. Tidak berwarna, ringan (8 kali lebih ringan daripada air), ia mendidih di bawah tekanan atmosfera pada 4.2°K, dan dalam vakum pada 0.7°K. Suhu yang lebih rendah diberikan oleh isotop cahaya helium: 0.3°K.
Agak sukar untuk mengatur peti sejuk helium kekal. Penyelidikan dijalankan hanya dalam mandian helium cecair. Dan untuk mencairkan gas ini, ahli fizik menggunakan teknik yang berbeza. Contohnya, helium yang telah disejukkan dan dimampatkan dibesarkan dengan melepaskannya melalui lubang nipis ke dalam ruang vakum. Pada masa yang sama, suhu masih menurun dan sebahagian daripada gas bertukar menjadi cecair. Ia lebih cekap bukan sahaja untuk mengembangkan gas yang disejukkan, tetapi juga untuk menjadikannya berfungsi - untuk menggerakkan omboh.
Helium cecair yang terhasil disimpan dalam termos khas - kapal Dewar. Kos cecair paling sejuk ini (satu-satunya yang tidak membeku pada sifar mutlak) agak tinggi. Namun begitu, helium cecair kini digunakan dengan lebih meluas, bukan sahaja dalam sains, tetapi juga dalam pelbagai peranti teknikal.
Suhu terendah dicapai dengan cara yang berbeza. Ternyata molekul beberapa garam, seperti kalium kromium tawas, boleh berputar di sepanjang garis daya magnet. Garam ini disejukkan terlebih dahulu dengan helium cecair hingga 1°K dan diletakkan dalam medan magnet yang kuat. Dalam kes ini, molekul berputar di sepanjang garis daya, dan haba yang dibebaskan diambil oleh helium cecair. Kemudian medan magnet dikeluarkan secara mendadak, molekul sekali lagi bertukar ke arah yang berbeza, dan dibelanjakan

kerja ini membawa kepada penyejukan lagi garam. Oleh itu, suhu 0.001°K diperoleh. Dengan kaedah yang sama pada dasarnya, menggunakan bahan lain, seseorang boleh memperoleh suhu yang lebih rendah.
Suhu terendah yang diperoleh setakat ini di Bumi ialah 0.00001°K.

Lebihan bendalir

Bahan beku kepada suhu ultra rendah dalam mandian helium cecair berubah dengan ketara. Getah menjadi rapuh, plumbum menjadi keras seperti keluli dan berdaya tahan, banyak aloi meningkatkan kekuatan.

Helium cecair itu sendiri berkelakuan dengan cara yang pelik. Pada suhu di bawah 2.2 °K, ia memperoleh sifat yang tidak pernah berlaku sebelum ini untuk cecair biasa - cecair super: sebahagian daripadanya kehilangan kelikatan sepenuhnya dan mengalir tanpa sebarang geseran melalui slot yang paling sempit.
Fenomena ini, ditemui pada tahun 1937 oleh ahli fizik Soviet Academician P. JI. Kapitsa, kemudian dijelaskan oleh Academician JI. D. Landau.
Ternyata pada suhu ultrarendah, undang-undang kuantum kelakuan jirim mula memberi kesan dengan ketara. Seperti yang dikehendaki oleh salah satu undang-undang ini, tenaga boleh dipindahkan dari badan ke badan hanya dalam bahagian-kuanta yang agak pasti. Terdapat sangat sedikit kuanta haba dalam helium cecair sehingga tidak mencukupi untuk semua atom. Sebahagian daripada cecair, tanpa kuanta haba, kekal pada suhu sifar mutlak, atomnya tidak mengambil bahagian dalam gerakan terma rawak sama sekali dan tidak berinteraksi dengan dinding vesel dalam apa jua cara. Bahagian ini (ia dipanggil helium-H) mempunyai superfluiditi. Dengan penurunan suhu, helium-II menjadi lebih dan lebih, dan pada sifar mutlak, semua helium akan bertukar menjadi helium-H.
Superfluidity kini telah dikaji dengan terperinci dan bahkan telah menemui aplikasi praktikal yang berguna: dengan bantuannya, adalah mungkin untuk memisahkan isotop helium.

Superkonduktiviti

Hampir sifar mutlak, perubahan yang sangat ingin tahu berlaku dalam sifat elektrik bahan tertentu.
Pada tahun 1911, ahli fizik Belanda Kamerling-Onnes membuat penemuan yang tidak dijangka: ternyata pada suhu 4.12 ° K, rintangan elektrik hilang sepenuhnya dalam merkuri. Merkuri menjadi superkonduktor. Arus elektrik yang teraruh dalam gelang superkonduktor tidak mereput dan boleh mengalir hampir selama-lamanya.
Di atas cincin sedemikian, bola superkonduktor akan terapung di udara dan tidak jatuh, seolah-olah dari kisah dongeng.<гроб Магомета>, kerana beratnya diimbangi oleh tolakan magnet antara cincin dan bola. Lagipun, arus yang tidak dilembapkan dalam cincin akan mencipta medan magnet, dan ia, seterusnya, akan mendorong arus elektrik dalam bola dan, bersama-sama dengannya, medan magnet yang berlawanan arah.
Selain merkuri, timah, plumbum, zink, dan aluminium mempunyai superkonduktiviti hampir sifar mutlak. Sifat ini telah ditemui dalam 23 unsur dan lebih seratus aloi yang berbeza dan sebatian kimia lain.
Suhu di mana superkonduktiviti muncul (suhu kritikal) berada dalam julat yang agak luas, daripada 0.35°K (hafnium) hingga 18°K (aloi niobium-tin).
Fenomena superkonduktiviti, serta super-
kecairan, dikaji secara terperinci. Kebergantungan suhu kritikal pada struktur dalaman bahan dan medan magnet luaran didapati. Teori superkonduktiviti yang mendalam telah dibangunkan (sumbangan penting dibuat oleh ahli akademik Soviet N. N. Bogolyubov).
Intipati fenomena paradoks ini sekali lagi adalah kuantum semata-mata. Pada suhu ultrarendah, elektron masuk

superkonduktor membentuk sistem zarah bersambung berpasangan yang tidak boleh memberi tenaga kepada kekisi kristal, menghabiskan tenaga kuanta untuk memanaskannya. Pasangan elektron bergerak seperti<танцуя>, antara<прутьями решетки>- ion dan memintasnya tanpa perlanggaran dan pemindahan tenaga.
Superkonduktiviti semakin digunakan dalam teknologi.
Sebagai contoh, solenoid superkonduktor mula diamalkan - gegelung superkonduktor direndam dalam helium cecair. Apabila arus teraruh dan, akibatnya, medan magnet boleh disimpan di dalamnya untuk masa yang lama dengan sewenang-wenangnya. Ia boleh mencapai nilai gergasi - lebih 100,000 oersted. Pada masa akan datang, peranti superkonduktor industri yang kuat pasti akan muncul - motor elektrik, elektromagnet, dll.
Dalam elektronik radio, penguat ultrasensitif dan penjana gelombang elektromagnet mula memainkan peranan penting, yang berfungsi dengan baik terutamanya dalam mandi dengan helium cecair - di sana bahagian dalaman<шумы>peralatan. Dalam teknologi pengkomputeran elektronik, masa depan yang cerah dijanjikan untuk suis superkonduktor berkuasa rendah - cryotron (lihat Art.<Пути электроники>).
Tidak sukar untuk membayangkan betapa menggodanya untuk memajukan operasi peranti sedemikian ke suhu yang lebih tinggi dan lebih mudah diakses. Baru-baru ini, harapan untuk mencipta superkonduktor filem polimer telah dibuka. Sifat pelik kekonduksian elektrik dalam bahan tersebut menjanjikan peluang cemerlang untuk mengekalkan superkonduktiviti walaupun pada suhu bilik. Para saintis sentiasa mencari cara untuk merealisasikan harapan ini.

Di kedalaman bintang

Dan sekarang mari kita lihat ke dalam alam perkara paling hangat di dunia - ke dalam perut bintang. Di mana suhu mencapai berjuta-juta darjah.
Pergerakan terma huru-hara dalam bintang sangat kuat sehingga seluruh atom tidak boleh wujud di sana: mereka musnah dalam perlanggaran yang tidak terkira banyaknya.
Oleh itu, bahan yang dipanaskan dengan kuat tidak boleh sama ada pepejal, cecair atau gas. Ia berada dalam keadaan plasma, iaitu, campuran bercas elektrik<осколков>atom - nukleus atom dan elektron.
Plasma adalah sejenis keadaan jirim. Oleh kerana zarahnya dicas secara elektrik, ia secara sensitif mematuhi daya elektrik dan magnet. Oleh itu, jarak dekat dua nukleus atom (ia membawa cas positif) adalah fenomena yang jarang berlaku. Hanya pada ketumpatan tinggi dan suhu yang sangat besar, nukleus atom yang berlanggar antara satu sama lain dapat mendekat. Kemudian tindak balas termonuklear berlaku - sumber tenaga untuk bintang.
Bintang yang paling dekat dengan kita - Matahari terdiri terutamanya daripada plasma hidrogen, yang dipanaskan di dalam perut bintang sehingga 10 juta darjah. Di bawah keadaan sedemikian, pertemuan rapat nukleus hidrogen cepat - proton, walaupun jarang berlaku, berlaku. Kadang-kadang mendekati proton berinteraksi: setelah mengatasi tolakan elektrik, mereka jatuh ke dalam kuasa daya tarikan nuklear gergasi, dengan cepat<падают>satu sama lain dan bergabung. Di sini penyusunan semula serta-merta berlaku: bukannya dua proton, deuteron (nukleus isotop hidrogen berat), positron dan neutrino muncul. Tenaga yang dibebaskan ialah 0.46 juta volt elektron (Mev).
Setiap proton suria individu boleh memasuki tindak balas sedemikian secara purata sekali dalam 14 bilion tahun. Tetapi terdapat begitu banyak proton di dalam perut bintang sehingga di sana sini peristiwa yang tidak mungkin berlaku - dan bintang kita terbakar dengan nyalanya yang mempesonakan.
Sintesis deuteron hanyalah langkah pertama dalam transformasi termonuklear suria. Deuteron yang baru lahir tidak lama lagi (secara purata selepas 5.7 saat) bergabung dengan satu lagi proton. Terdapat teras helium ringan dan kuantum gamma sinaran elektromagnet. 5.48 MeV tenaga dilepaskan.
Akhirnya, secara purata, sekali setiap juta tahun, dua nukleus helium ringan boleh bertumpu dan bercantum. Kemudian nukleus helium biasa (zarah alfa) terbentuk dan dua proton dipisahkan. 12.85 MeV tenaga dilepaskan.
Tiga peringkat ini<конвейер>tindak balas termonuklear bukan satu-satunya. Terdapat satu lagi rantaian transformasi nuklear, yang lebih pantas. Nukleus atom karbon dan nitrogen mengambil bahagian di dalamnya (tanpa dimakan). Tetapi dalam kedua-dua kes, zarah alfa disintesis daripada nukleus hidrogen. Secara kiasan, plasma hidrogen suria<сгорает>, bertukar menjadi<золу>- plasma helium. Dan dalam proses sintesis setiap gram plasma helium, 175 ribu kWh tenaga dilepaskan. Jumlah yang hebat!
Setiap saat, Matahari memancarkan 4,1033 erg tenaga, kehilangan 4,1012 g (4 juta tan) jirim dalam berat. Tetapi jumlah jisim Matahari ialah 2 1027 tan. Ini bermakna dalam sejuta tahun, disebabkan oleh pancaran sinaran, Matahari<худеет>hanya satu persepuluh juta jisimnya. Angka-angka ini dengan fasih menggambarkan keberkesanan tindak balas termonuklear dan nilai kalori gergasi tenaga suria.<горючего>- hidrogen.
Pelaburan termonuklear nampaknya merupakan sumber tenaga utama untuk semua bintang. Pada suhu dan ketumpatan yang berbeza bahagian dalam bintang, pelbagai jenis tindak balas berlaku. Khususnya, solar<зола>- nukleus helium - pada 100 juta darjah ia menjadi termonuklear sendiri<горючим>. Kemudian nukleus atom yang lebih berat - karbon dan juga oksigen - boleh disintesis daripada zarah alfa.
Menurut ramai saintis, keseluruhan Metagalaxy kita secara keseluruhannya juga merupakan hasil gabungan termonuklear, yang berlaku pada suhu satu bilion darjah (lihat Seni.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Kepada matahari buatan

Kandungan kalori luar biasa termonuklear<горючего>mendorong saintis untuk mencari pelaksanaan tiruan tindak balas pelakuran nuklear.
<Горючего>Terdapat banyak isotop hidrogen di planet kita. Sebagai contoh, tritium hidrogen super berat boleh didapati daripada logam litium dalam reaktor nuklear. Dan hidrogen berat - deuterium adalah sebahagian daripada air berat, yang boleh diekstrak daripada air biasa.
Hidrogen berat yang diekstrak daripada dua gelas air biasa akan membekalkan tenaga dalam reaktor pelakuran seperti yang disediakan oleh pembakaran setong petrol premium sekarang.
Kesukarannya terletak pada pemanasan awal<горючее>kepada suhu di mana ia boleh menyala dengan api termonuklear yang hebat.
Masalah ini pertama kali diselesaikan dalam bom hidrogen. Isotop hidrogen di sana dibakar oleh letupan bom atom, yang disertai dengan pemanasan bahan hingga berpuluh-puluh juta darjah. Dalam satu versi bom hidrogen, bahan api termonuklear ialah sebatian kimia hidrogen berat dengan litium ringan - deuterida cahaya l dan t dan i. Serbuk putih ini, sama dengan garam meja,<воспламеняясь>daripada<спички>, iaitu bom atom, serta-merta meletup dan mencipta suhu ratusan juta darjah.
Untuk memulakan tindak balas termonuklear yang aman, seseorang mesti terlebih dahulu belajar bagaimana, tanpa perkhidmatan bom atom, untuk memanaskan dos kecil plasma isotop hidrogen yang cukup padat kepada suhu ratusan juta darjah. Masalah ini adalah salah satu yang paling sukar dalam fizik gunaan moden. Para saintis dari seluruh dunia telah mengusahakannya selama bertahun-tahun.
Kami telah mengatakan bahawa ia adalah gerakan huru-hara zarah yang mencipta pemanasan badan, dan tenaga purata gerakan rawak mereka sepadan dengan suhu. Untuk memanaskan badan yang sejuk bermakna mencipta gangguan ini dalam apa jua cara.
Bayangkan dua kumpulan pelari sedang bergegas ke arah satu sama lain. Jadi mereka bertembung, bercampur aduk, orang ramai bermula, kekeliruan. Kekacauan besar!
Lebih kurang dengan cara yang sama, ahli fizik pada mulanya cuba mendapatkan suhu tinggi - dengan menolak jet gas tekanan tinggi. Gas itu dipanaskan sehingga 10 ribu darjah. Pada satu masa ia adalah rekod: suhu lebih tinggi daripada di permukaan Matahari.
Tetapi dengan kaedah ini, pemanasan gas yang lebih perlahan dan tidak meletup adalah mustahil, kerana gangguan haba serta-merta merebak ke semua arah, memanaskan dinding ruang eksperimen dan persekitaran. Haba yang terhasil dengan cepat meninggalkan sistem dan mustahil untuk mengasingkannya.
Sekiranya jet gas digantikan oleh aliran plasma, masalah penebat haba kekal sangat sukar, tetapi terdapat juga harapan untuk penyelesaiannya.
Benar, plasma tidak boleh dilindungi daripada kehilangan haba oleh vesel yang diperbuat daripada bahan yang paling refraktori sekalipun. Bersentuhan dengan dinding pepejal, plasma panas serta-merta menyejuk. Sebaliknya, seseorang boleh cuba memegang dan memanaskan plasma dengan mencipta pengumpulannya dalam vakum supaya ia tidak menyentuh dinding ruang, tetapi tergantung di dalam kekosongan, tanpa menyentuh apa-apa. Di sini seseorang harus mengambil kesempatan daripada fakta bahawa zarah plasma tidak neutral, seperti atom gas, tetapi bercas elektrik. Oleh itu, dalam gerakan, mereka tertakluk kepada tindakan daya magnet. Masalahnya timbul: untuk mengatur medan magnet konfigurasi khas di mana plasma panas akan digantung seperti dalam beg dengan dinding yang tidak kelihatan.
Bentuk termudah bagi medan elektrik sedemikian dicipta secara automatik apabila denyutan arus elektrik yang kuat disalurkan melalui plasma. Dalam kes ini, daya magnet diaruhkan di sekeliling filamen plasma, yang cenderung untuk memampatkan filamen. Plasma memisahkan dari dinding tiub nyahcas, dan suhu meningkat kepada 2 juta darjah berhampiran paksi filamen dalam tergesa-gesa zarah.
Di negara kita, eksperimen sebegini telah dijalankan seawal tahun 1950 di bawah bimbingan Ahli Akademik JI. A. Artsimovich dan M.A. Leontovich.
Satu lagi arah eksperimen ialah penggunaan botol magnet, yang dicadangkan pada tahun 1952 oleh ahli fizik Soviet G. I. Budker, kini seorang ahli akademik. Botol magnet diletakkan di dalam corktron - ruang vakum silinder yang dilengkapi dengan penggulungan luaran, yang menebal di hujung ruang. Arus yang mengalir melalui belitan mencipta medan magnet di dalam ruang. Garisan dayanya di bahagian tengah adalah selari dengan penjanaan silinder, dan pada hujungnya ia dimampatkan dan membentuk palam magnet. Zarah plasma yang disuntik ke dalam botol magnet bergulung di sekeliling garis daya dan dipantulkan dari gabus. Akibatnya, plasma disimpan di dalam botol untuk beberapa lama. Sekiranya tenaga zarah plasma yang dimasukkan ke dalam botol cukup tinggi dan jumlahnya mencukupi, ia memasuki interaksi daya yang kompleks, gerakan yang tersusun pada mulanya menjadi terikat, menjadi tidak teratur - suhu nukleus hidrogen meningkat kepada puluhan juta darjah. .
Pemanasan tambahan dicapai oleh elektromagnet<ударами>oleh plasma, pemampatan medan magnet, dsb. Sekarang plasma nukleus hidrogen berat dipanaskan hingga ratusan juta darjah. Benar, ini boleh dilakukan sama ada untuk masa yang singkat atau pada ketumpatan plasma yang rendah.
Untuk merangsang tindak balas yang berterusan, adalah perlu untuk meningkatkan lagi suhu dan ketumpatan plasma. Ini sukar dicapai. Walau bagaimanapun, masalah itu, seperti yang diyakinkan oleh saintis, tidak dapat dinafikan dapat diselesaikan.

G.B. Anfilov

Menyiarkan foto dan memetik artikel dari laman web kami pada sumber lain dibenarkan dengan syarat pautan ke sumber dan foto disediakan.

Pernahkah anda berfikir tentang betapa sejuknya suhu? Apakah sifar mutlak? Adakah manusia akan dapat mencapainya dan apakah peluang yang akan terbuka selepas penemuan sedemikian? Soalan-soalan ini dan lain-lain yang serupa telah lama menguasai fikiran ramai ahli fizik dan orang yang ingin tahu.

Apakah sifar mutlak

Walaupun anda tidak menyukai fizik sejak kecil, anda mungkin tahu konsep suhu. Terima kasih kepada teori kinetik molekul, kini kita tahu bahawa terdapat hubungan statik tertentu antaranya dan pergerakan molekul dan atom: semakin tinggi suhu mana-mana badan fizikal, semakin cepat atomnya bergerak, dan sebaliknya. Persoalannya timbul: "Adakah terdapat had yang lebih rendah di mana zarah asas akan membeku di tempatnya?". Para saintis percaya bahawa ini secara teorinya mungkin, termometer akan berada pada sekitar -273.15 darjah Celsius. Nilai ini dipanggil sifar mutlak. Dalam erti kata lain, ini adalah had minimum yang mungkin untuk badan fizikal boleh disejukkan. Malah terdapat skala suhu mutlak (skala Kelvin), di mana sifar mutlak adalah titik rujukan, dan pembahagian unit skala adalah sama dengan satu darjah. Para saintis di seluruh dunia tidak berhenti berusaha untuk mencapai nilai ini, kerana ini menjanjikan prospek yang besar untuk manusia.

Mengapa ia sangat penting

Suhu yang sangat rendah dan sangat tinggi berkait rapat dengan konsep superfluiditi dan superkonduktiviti. Kehilangan rintangan elektrik dalam superkonduktor akan memungkinkan untuk mencapai nilai kecekapan yang tidak dapat difikirkan dan menghapuskan sebarang kehilangan tenaga. Sekiranya mungkin untuk mencari jalan yang membolehkan seseorang mencapai nilai "sifar mutlak", banyak masalah manusia akan diselesaikan. Kereta api yang berlegar di atas rel, enjin yang lebih ringan dan lebih kecil, transformer dan penjana, magnetoencephalography berketepatan tinggi, jam berketepatan tinggi hanyalah beberapa contoh perkara superkonduktiviti yang boleh dibawa kepada kehidupan kita.

Pencapaian sains terkini

Pada September 2003, penyelidik dari MIT dan NASA berjaya menyejukkan gas natrium ke tahap terendah sepanjang masa. Semasa percubaan, mereka hanya kurang separuh bilion darjah daripada garisan penamat (sifar mutlak). Semasa ujian, natrium sentiasa berada dalam medan magnet, yang menghalangnya daripada menyentuh dinding bekas. Sekiranya mungkin untuk mengatasi halangan suhu, pergerakan molekul dalam gas akan berhenti sepenuhnya, kerana penyejukan sedemikian akan mengeluarkan semua tenaga daripada natrium. Para penyelidik menggunakan teknik yang pengarangnya (Wolfgang Ketterle) menerima Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 2001. Perkara utama dalam ujian yang dijalankan ialah proses pemeluwapan Bose-Einstein bergas. Sementara itu, tiada siapa lagi yang membatalkan undang-undang ketiga termodinamik, mengikut mana sifar mutlak bukan sahaja tidak dapat diatasi, tetapi juga nilai yang tidak boleh dicapai. Di samping itu, prinsip ketidakpastian Heisenberg terpakai, dan atom tidak boleh berhenti mati di landasan mereka. Oleh itu, buat masa ini, suhu sifar mutlak untuk sains masih tidak dapat dicapai, walaupun saintis telah dapat mendekatinya pada jarak yang sangat kecil.

Istilah "suhu" muncul pada masa ahli fizik menganggap bahawa badan panas terdiri daripada jumlah bahan tertentu yang lebih besar - kalori - daripada badan yang sama, tetapi yang sejuk. Dan suhu ditafsirkan sebagai nilai yang sepadan dengan jumlah kalori dalam badan. Sejak itu, suhu mana-mana badan diukur dalam darjah. Tetapi pada hakikatnya ia adalah ukuran tenaga kinetik molekul yang bergerak, dan, berdasarkan ini, ia harus diukur dalam Joule, selaras dengan sistem unit SI.

Konsep "suhu sifar mutlak" berasal daripada undang-undang kedua termodinamik. Menurutnya, proses pemindahan haba dari badan sejuk ke panas adalah mustahil. Konsep ini diperkenalkan oleh ahli fizik Inggeris W. Thomson. Untuk pencapaian dalam fizik, beliau telah diberikan gelaran mulia "Tuhan" dan gelaran "Baron Kelvin". Pada tahun 1848, W. Thomson (Kelvin) mencadangkan menggunakan skala suhu, di mana dia mengambil suhu sifar mutlak yang sepadan dengan sejuk melampau sebagai titik permulaan, dan mengambil darjah Celsius sebagai harga bahagian. Unit Kelvin ialah 1/27316 daripada suhu titik tiga air (kira-kira 0 darjah C), i.e. suhu di mana air tulen wujud dalam tiga bentuk sekaligus: ais, air cecair dan wap. suhu ialah suhu rendah yang paling rendah di mana pergerakan molekul berhenti, dan tidak mungkin lagi untuk mengekstrak tenaga haba daripada bahan tersebut. Sejak itu, skala suhu mutlak telah dinamakan sempena namanya.

Suhu diukur pada skala yang berbeza

Skala suhu yang paling biasa digunakan dipanggil skala Celsius. Ia dibina di atas dua titik: pada suhu peralihan fasa air daripada cecair kepada wap dan air kepada ais. A. Celsius pada tahun 1742 mencadangkan untuk membahagikan jarak antara titik rujukan kepada 100 selang, dan mengambil air sebagai sifar, manakala takat beku ialah 100 darjah. Tetapi pemain Sweden K. Linnaeus mencadangkan melakukan sebaliknya. Sejak itu, air membeku pada sifar darjah A. Celsius. Walaupun ia sepatutnya mendidih tepat dalam Celsius. Sifar mutlak dalam Celsius sepadan dengan tolak 273.16 darjah Celsius.

Terdapat beberapa lagi skala suhu: Fahrenheit, Réaumur, Rankine, Newton, Roemer. Mereka mempunyai bahagian yang berbeza dan harga. Sebagai contoh, skala Réaumur juga dibina di atas tanda aras pendidihan dan pembekuan air, tetapi ia mempunyai 80 bahagian. Skala Fahrenheit, yang muncul pada tahun 1724, digunakan dalam kehidupan seharian hanya di beberapa negara di dunia, termasuk Amerika Syarikat; satu ialah suhu campuran air ais - ammonia dan satu lagi ialah suhu badan manusia. Skala dibahagikan kepada seratus bahagian. Sifar Celsius sepadan dengan 32 Penukaran darjah kepada Fahrenheit boleh dilakukan menggunakan formula: F \u003d 1.8 C + 32. Terjemahan terbalik: C \u003d (F - 32) / 1.8, di mana: F - darjah Fahrenheit, C - darjah Celcius. Jika anda terlalu malas untuk mengira, pergi ke perkhidmatan penukaran Celsius ke Fahrenheit dalam talian. Dalam kotak, taip bilangan darjah Celsius, klik "Kira", pilih "Fahrenheit" dan klik "Mula". Hasilnya akan muncul serta-merta.

Dinamakan sempena ahli fizik Inggeris (lebih tepat Scotland) William J. Rankin, bekas sezaman dengan Kelvin dan salah seorang pengasas termodinamik teknikal. Terdapat tiga titik penting dalam skalanya: permulaan adalah sifar mutlak, takat beku air ialah 491.67 darjah Rankine dan takat didih air ialah 671.67 darjah. Bilangan pembahagian antara pembekuan air dan pendidihannya dalam kedua-dua Rankine dan Fahrenheit ialah 180.

Kebanyakan skala ini digunakan secara eksklusif oleh ahli fizik. Dan 40% pelajar sekolah menengah Amerika yang ditinjau hari ini berkata mereka tidak tahu apa itu suhu sifar mutlak.

Konsep fizikal "suhu sifar mutlak" sangat penting untuk sains moden: konsep seperti superkonduktiviti, penemuan yang membuat percikan pada separuh kedua abad ke-20, berkait rapat dengannya.

Untuk memahami apa itu sifar mutlak, seseorang harus merujuk kepada karya ahli fizik terkenal seperti G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac dan W. Thomson. Merekalah yang memainkan peranan penting dalam penciptaan skala suhu utama yang masih digunakan hari ini.

Yang pertama menawarkan skala suhunya sendiri pada tahun 1714 ialah ahli fizik Jerman G. Fahrenheit. Pada masa yang sama, suhu campuran, termasuk salji dan ammonia, diambil sebagai sifar mutlak, iaitu, titik terendah pada skala ini. Penunjuk penting seterusnya ialah yang mula menyamai 1000. Oleh itu, setiap bahagian skala ini dipanggil "darjah Fahrenheit", dan skala itu sendiri dipanggil "skala Fahrenheit".

Selepas 30 tahun, ahli astronomi Sweden A. Celsius mencadangkan skala suhunya sendiri, di mana perkara utama adalah suhu lebur ais dan air. Skala ini dipanggil "skala Celcius", ia masih popular di kebanyakan negara di dunia, termasuk Rusia.

Pada tahun 1802, semasa menjalankan eksperimennya yang terkenal, saintis Perancis J. Gay-Lussac mendapati bahawa isipadu jisim gas pada tekanan malar bergantung secara langsung pada suhu. Tetapi perkara yang paling pelik ialah apabila suhu berubah sebanyak 10 Celcius, isipadu gas meningkat atau menurun dengan jumlah yang sama. Setelah membuat pengiraan yang diperlukan, Gay-Lussac mendapati bahawa nilai ini adalah sama dengan 1/273 daripada isipadu gas pada suhu bersamaan dengan 0C.

Kesimpulan yang jelas diikuti dari undang-undang ini: suhu bersamaan dengan -2730C adalah suhu terendah, walaupun menghampiri yang mustahil untuk mencapainya. Suhu ini dipanggil "suhu sifar mutlak".

Selain itu, sifar mutlak menjadi titik permulaan untuk mencipta skala suhu mutlak, di mana ahli fizik Inggeris W. Thomson, juga dikenali sebagai Lord Kelvin, mengambil bahagian secara aktif.

Penyelidikan utamanya melibatkan bukti bahawa tiada badan dalam alam semula jadi boleh disejukkan di bawah sifar mutlak. Pada masa yang sama, dia secara aktif menggunakan yang kedua, oleh itu, skala suhu mutlak yang diperkenalkan olehnya pada tahun 1848 dikenali sebagai termodinamik atau "skala Kelvin".

Pada tahun-tahun dan dekad berikutnya, hanya penyempurnaan berangka konsep "sifar mutlak" berlaku, yang, selepas banyak perjanjian, mula dianggap sama dengan -273.150С.

Perlu juga diperhatikan bahawa sifar mutlak memainkan peranan yang sangat penting dalam keseluruhan fakta bahawa pada tahun 1960 pada Persidangan Agung Timbang dan Sukat seterusnya, unit suhu termodinamik - kelvin - menjadi salah satu daripada enam unit asas pengukuran. Pada masa yang sama, secara khusus ditetapkan bahawa satu darjah Kelvin secara berangka sama dengan satu, hanya di sini titik rujukan "menurut Kelvin" dianggap sebagai sifar mutlak, iaitu, -273.150С.

Makna fizikal utama sifar mutlak ialah, mengikut undang-undang asas fizik, pada suhu sedemikian, tenaga pergerakan zarah asas, seperti atom dan molekul, adalah sama dengan sifar, dan dalam kes ini, sebarang gerakan huru-hara zarah-zarah ini harus berhenti. Pada suhu yang sama dengan sifar mutlak, atom dan molekul harus mengambil kedudukan yang jelas di titik utama kekisi kristal, membentuk sistem tertib.

Pada masa ini, menggunakan peralatan khas, saintis telah dapat memperoleh suhu hanya beberapa persejuta lebih tinggi daripada sifar mutlak. Secara fizikalnya mustahil untuk mencapai nilai ini sendiri kerana undang-undang kedua termodinamik yang diterangkan di atas.

Suhu sifar mutlak

Suhu mengehadkan di mana isipadu gas ideal menjadi sifar diambil sebagai suhu sifar mutlak.

Mari cari nilai sifar mutlak pada skala Celsius.
Menyamakan Isipadu V dalam formula (3.1) hingga sifar dan mengambil kira itu

.

Oleh itu suhu sifar mutlak ialah

t= -273 °С. 2

Ini adalah had, suhu paling rendah dalam alam semula jadi, "darjah sejuk yang paling hebat atau terakhir", kewujudan yang diramalkan oleh Lomonosov.

Suhu tertinggi di Bumi - ratusan juta darjah - diperoleh semasa letupan bom termonuklear. Suhu yang lebih tinggi adalah ciri kawasan dalam beberapa bintang.

2Nilai yang lebih tepat untuk sifar mutlak: -273.15°C.

Skala Kelvin

Saintis Inggeris W. Kelvin memperkenalkan skala mutlak suhu. Suhu sifar pada skala Kelvin sepadan dengan sifar mutlak, dan unit suhu pada skala ini adalah sama dengan darjah Celsius, jadi suhu mutlak T adalah berkaitan dengan suhu pada skala Celsius dengan formula

T = t + 273. (3.2)

Pada rajah. 3.2 menunjukkan skala mutlak dan skala Celsius untuk perbandingan.

Unit SI bagi suhu mutlak dipanggil kelvin(disingkatkan K). Oleh itu, satu darjah Celsius sama dengan satu darjah Kelvin:

Oleh itu, suhu mutlak, mengikut takrifan yang diberikan oleh formula (3.2), ialah kuantiti terbitan yang bergantung pada suhu Celsius dan pada nilai yang ditentukan secara eksperimen bagi a.

Pembaca: Apakah maksud fizikal suhu mutlak?

Kami menulis ungkapan (3.1) dalam bentuk

.

Diberi bahawa suhu pada skala Kelvin adalah berkaitan dengan suhu pada skala Celsius mengikut nisbah T = t + 273, kita dapat

di mana T 0 = 273 K, atau

Oleh kerana hubungan ini sah untuk suhu sewenang-wenangnya T, maka undang-undang Gay-Lussac boleh dirumuskan seperti berikut:

Untuk jisim gas tertentu pada p = const, hubungannya

Tugasan 3.1. Pada suhu T 1 = 300 K isipadu gas V 1 = 5.0 l. Tentukan isipadu gas pada tekanan dan suhu yang sama T= 400 K.

BERHENTI! Tentukan sendiri: A1, B6, C2.

Tugasan 3.2. Dengan pemanasan isobarik, isipadu udara meningkat sebanyak 1%. Berapa peratuskah suhu mutlak meningkat?

= 0,01.

Jawab: 1 %.

Ingat formula yang terhasil

BERHENTI! Tentukan sendiri: A2, A3, B1, B5.

undang-undang Charles

Saintis Perancis Charles secara eksperimen mendapati bahawa jika anda memanaskan gas supaya isipadunya kekal malar, maka tekanan gas akan meningkat. Kebergantungan tekanan pada suhu mempunyai bentuk:

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

di mana R(t) ialah tekanan pada suhu t°C; R 0 – tekanan pada 0 °C; b ialah pekali suhu tekanan, yang sama untuk semua gas: 1/K.

Pembaca: Yang menghairankan, pekali suhu tekanan b betul-betul sama dengan pekali suhu pengembangan isipadu a!

Mari kita ambil jisim gas tertentu dengan isipadu V 0 pada suhu T 0 dan tekanan R 0 . Buat pertama kalinya, mengekalkan tekanan gas tetap, kami memanaskannya ke suhu T satu. Kemudian gas akan mempunyai isipadu V 1 = V 0 (1 + a t) dan tekanan R 0 .

Kali kedua, mengekalkan isipadu gas tetap, kami memanaskannya pada suhu yang sama T satu. Kemudian gas akan mempunyai tekanan R 1 = R 0 (1 + b t) dan isipadu V 0 .

Oleh kerana suhu gas adalah sama dalam kedua-dua kes, undang-undang Boyle–Mariotte adalah sah:

hlm 0 V 1 = hlm 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.

Jadi tidak ada yang mengejutkan dalam fakta bahawa a = b, tidak!

Mari kita tulis semula undang-undang Charles dalam bentuk

.

Memandangkan itu T = t°С + 273 °С, T 0 \u003d 273 ° С, kami dapat