Абсолютный ноль температур

Выбор в качестве основных точек температурной шкалы точек таяния льда и кипения воды совершенно произволен. Полученная таким образом температурная шкала оказалась неудобной для теоретических исследований.

Опираясь на законы термодинамики, Кельвину удалось построить так называемую абсолютную температурную шкалу (ее в настоящее время называют термодинамической шкалой температур или шкалой Кельвина), совершенно не зависящую ни от природы термометрического тела, ни от избранного термометрического параметра. Однако принцип построения такой шкалы выходит за пределы школьной программы. Мы рассмотрим этот вопрос, используя другие соображения.

Из формулы (2) вытекают два возможных способа установления температурной шкалы: использование изменения давления определенного количества газа при постоянном объеме или изменение объема при постоянном давлении. Такую шкалу называют идеальной газовой шкалой температуры .

Температура, определяемая равенством (2), называется абсолютной температурой . Абсолютная температура Τ не может быть отрицательной, так как слева в равенстве (2) стоят заведомо положительные величины (точнее, она не может быть разных знаков, она может быть либо положительной, либо отрицательной. Это зависит от выбора знака постоянной k . Так как условились температуру тройной точки считать положительной, то абсолютная температура может быть только положительной). Следовательно, наименьшее возможное значение температуры Т = 0 есть температура, когда давление или объем равны нулю.

Предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю (т.е. газ как бы должен сжаться в "точку") при неизменном давлении, называется абсолютным нулем . Это самая низкая температура в природе.

Из равенства (3), учитывая, что \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac{m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i}{2}\) , вытекает физический смысл абсолютного нуля: абсолютный нуль - температура, при которой должно прекратиться тепловое поступательное движение молекул . Абсолютный нуль недостижим.

В Международной системе единиц (СИ) используют абсолютную термодинамическую шкалу температур. За нулевую температуру по этой шкале принят абсолютный нуль. В качестве второй опорной точки принята температура, при которой находятся в динамическом равновесии вода, лед и насыщенный пар, так называемая тройная точка (по шкале Цельсия температура тройной точки равна 0,01 °С). Каждая единица абсолютной температуры, называемая Кельвином (обозначается 1 К), равна градусу Цельсия.

Погружая колбу газового термометра в тающий лед, а затем в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, обнаружили, что давление газа во втором случае в 1,3661 раза больше, чем в первом. Учитывая это и пользуясь формулой (2), можно определить, что температура таяния льда T 0 = 273,15 К.

Действительно, запишем уравнение (2) для температуры T 0 таяния льда и температуры кипения воды (T 0 + 100):

\(~\frac{p_1V}{N} = kT_0 ;\) \(~\frac{p_2V}{N} = k(T_0 + 100) .\)

Разделим второе уравнение на первое, получим:

\(~\frac{p_2}{p_1} = \frac{T_0 + 100}{T_0} .\)

\(~T_0 = \frac{100}{\frac{p_2}{p_1} - 1} = \frac{100}{1,3661 - 1} = 273,15 K.\)

На рисунке 2 схематически показаны шкала Цельсия и термодинамическая шкала.

Предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры. Однако объем реальных газов при абсолютном нуле температуры обращаться в нуль не может. Имеет ли смысл тогда это предельное значение температуры?

Предельная температура, существование которой вытекает из закона Гей-Люссака, имеет смысл, так как практически можно приблизить свойства реального газа к свойствам идеального. Для этого надо брать все более разреженный газ, так чтобы его плотность стремилась к нулю. У такого газа действительно объем с понижением температуры будет стремиться к предельному, близкому к нулю.

Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Приравнивая объем V в формуле (3.6.4) нулю и учитывая, что

Отсюда абсолютный нуль температуры равен

* Более точное значение абсолютного нуля: -273,15 °С.

Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.

Шкала Кельвина

Кельвин Уильям (Томсон У.) (1824- 1907) - выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.

Кельвин ввел абсолютную шкалу температур и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости. В связи с прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля Кельвин разработал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу для периода свободных колебаний в контуре. За научные заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина.

Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой

(3.7.6)

На рисунке 3.11 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.

Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.

Таким образом, абсолютная температура по определению, даваемому формулой (3.7.6), является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения а. Однако она имеет фундаментальное значение.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При Т = О К тепловое движение молекул прекращается. Подробнее об этом пойдет речь в главе 4.

Зависимость объема от абсолютной температуры

Применяя шкалу Кельвина, закон Гей-Люссака (3.6.4) можно записать в более простой форме. Так как

(3.7.7)

Объем газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.

Отсюда следует, что отношение объемов газа одной и той же массы в различных состояниях при одном и том же давлении равно отношению абсолютных температур:

(3.7.8)

Существует минимально возможная температура, при которой объем (и давление) идеального газа обращаются в нуль. Это абсолютный нуль температуры: -273 °С. Удобно отсчитывать температуру от абсолютного нуля. Так строится абсолютная шкала температур.

Абсолютный температурный нуль соответствует 273,15 градусам Цельсия ниже нуля, 459,67 ниже нуля по Фаренгейту. Для температурной шкалы Кельвина такая температура сама по себе является нулевой отметкой.

Сущность абсолютного нуля температуры

Понятие абсолютного нуля исходит из самой сущности температуры. Любое тело , которую отдает во внешнюю среду в ходе . При этом снижается температура тела, т.е. энергии остается меньше. Теоретически этот процесс может продолжаться до тех пор, пока количество энергии не достигнет такого минимума, при котором отдавать ее тело уже не сможет.
Отдаленное предвестие такой идеи можно найти уже у М.В.Ломоносова. Великий русский ученый объяснял теплоту «коловратным» движением. Следовательно, предельная степень охлаждения – это полная остановка такого движения.

По современным представлениям, абсолютный нуль температуры – , при котором молекулы наименьшим возможным уровнем энергии. При меньшем количестве энергии, т.е. при более низкой температуре ни одно физическое тело существовать не может.

Теория и практика

Абсолютный нуль температуры – понятие теоретическое, достичь его на практике невозможно в принципе, даже в условиях научных лабораторий с самой сложной аппаратурой. Но ученым удается охлаждать вещество до очень низких температур, которые близки к абсолютному нулю.

При таких температурах вещества приобретают удивительные свойства, которых они не могут иметь при обычных обстоятельствах. Ртуть, которую называют «живым серебром» из-за ее пребывания в состоянии, близком к жидкому, при такой температуре становится твердой – до такой степени, что ею можно забивать гвозди. Некоторые металлы становятся хрупкими, как стекло. Такой же твердой и становится резина. Если при температуре, близкой к абсолютному нулю, ударить молотком какой-нибудь резиновый предмет, он разобьется, как стеклянный.

Такое изменение свойств тоже связано с природой теплоты. Чем выше температура физического тела, тем интенсивнее и хаотичнее двигаются молекулы. По мере снижения температуры движение становится менее интенсивным, а структура – более упорядоченной. Так газ становится жидкостью, а жидкость твердым телом. Предельный уровень упорядоченности – кристаллическая структура. При сверхнизких температурах ее приобретают даже такие вещества, которые в обычном состоянии остаются аморфными, например, резина.

Интересные явления происходят и с металлами. Атомы кристаллической решетки колеблются с меньше амплитудой, рассеяние электронов уменьшается, поэтому падает электрическое сопротивление. Металл приобретает сверхпроводимость, практическое применение которой представляется весьма заманчивым, хотя и труднодостижимым.

Источники:

Ливанова А. Низкие температуры, абсолютный нуль и квантовая механика

Тело – это одно из основных понятий в физике, под которым подразумевается форма существования материи или вещества. Это материальный объект, который характеризуется объемом и массой, иногда также другими параметрами. Физическое тело явно отделено от других тел границей. Существует несколько особенных видов физических тел, не следует понимать их перечисление как классификацию.

В механике под физическим телом чаще всего понимается материальная точка. Это некая абстракция, главным свойством которой является факт того, что реальными размерами тела для решения конкретной задачи можно пренебречь. Иными , материальная точка – это вполне конкретное тело, которое имеет размеры, форму и прочие подобные характеристики, но они не важны для того, чтобы решить имеющуюся задачу. К примеру, если нужно посчитать объекта на определенном участке пути, с его длиной при решении задачи можно совершенно не считаться. Еще один тип физических тел, рассматриваемый механикой – это абсолютно твердое тело. Механика такого тела точно такая же, как и механика материальной точки, но дополнительно обладает и другими свойствами. Абсолютно твердое тело состоит из точек, но ни расстояние между ними, ни распределение массы не меняются под нагрузками, которым подвергается тело. Это означает, что оно не может быть деформировано. Чтобы определить положение абсолютно твердого тела, достаточно задать привязанную к нему систему координат, обычно декартову. В большинстве случаев центр массы является также и центром системы координат. В абсолютно твердого тела не существует, но для решения многих задач такая абстракция очень удобна, хотя в релятивистской механике она не рассматривается, так как при движениях, скорость которых сравнима со скоростью света, эта модель демонстрирует внутренние противоречия. Противоположностью абсолютно твердому телу является деформируемое тело,

Физическое понятие «абсолютный нуль температуры» имеет для современной науки очень важное значение: с ним тесно связано такое понятие, как сверхпроводимость, открытие которой произвело настоящий фурор во второй половине ХХ века.

Чтобы понять, что же такое абсолютный ноль, следует обратиться к работам таких известных физиков, как Г. Фаренгейт, А. Цельсий, Ж. Гей-Люссак и У. Томсон. Именно они сыграли ключевую роль в создании используемых до сих пор основных температурных шкал.

Первым свою температурную шкалу предложил в 1714 году немецкий физик Г. Фаренгейт. При этом за абсолютный нуль, то есть за самую низкую точку этой шкалы, была принята температура смеси, которая включала в себя снег и нашатырь. Следующим важным показателем стала которая стала равняться 1000. Соответственно, каждое деление данной шкалы получило название «градус Фаренгейта», а сама шкала - «шкалы Фаренгейта».

Спустя 30 лет шведский астроном А. Цельсий предложил свою температурную шкалу, где основными точками стали температура таяния льда и воды. Эта шкала получила название «шкалы Цельсия», она до сих пор популярна в большинстве стран мира, в том числе и в России.

В 1802 году, проводя свои знаменитые опыты, французский ученый Ж. Гей-Люссак обнаружил, что объем массы газа при постоянном давлении находится в прямой зависимости от температуры. Но самое любопытное состояло в том, что при изменении температуры на 10 по шкале Цельсия, объем газа увеличивался или уменьшался на одну и ту же величину. Произведя необходимые вычисления, Гей-Люссак установил, что эта величина равнялась 1/273 от объема газа при температуре, равной 0С.

Из этого закона следовал напрашивающийся вывод: температура, равная -2730С, является наименьшей температурой, даже подойдя к которой вплотную, достичь ее невозможно. Именно эта температура получила название «абсолютный нуль температуры».

Более того, абсолютный нуль стал отправной точкой для создания шкалы абсолютной температуры, активное участие в котором принял английский физик У. Томсон, известный также, как лорд Кельвин.

Его основное исследование касалось доказательства того, что ни одно тело в природе не может быть охлаждено ниже, чем абсолютный нуль. При этом он активно использовал второй поэтому, введенная им в 1848 году абсолютная шкала температур стала называться термодинамической или «шкалой Кельвина».

В последующие годы и десятилетия происходило только числовое уточнение понятия «абсолютный ноль», которое после многочисленных согласований стало считаться равным -273,150С.

Стоит также обратить внимание, что абсолютный ноль играет очень важную роль в Все дело в том, что в 1960 году на очередной Генеральной конференции по мерам и весам единица термодинамической температуры - кельвин - стала одной из шести основных единиц измерений. При этом специально оговаривалось, что один градус Кельвина численно равен одному только вот точкой отсчета «по Кельвину» принято считать абсолютный ноль, то есть -273,150С.

Основной физический смысл абсолютного нуля состоит в том, что, согласно основным физическим законам, при такой температуре энергия движения элементарных частиц, таких как атомы и молекулы, равна нулю, и в этом случае должно прекратиться любое хаотическое движение этих самых частиц. При температуре, равной абсолютному нулю, атомы и молекулы должны занять четкое положение в основных пунктах кристаллической решетки, образуя упорядоченную систему.

В настоящее время, используя специальное оборудование, ученые смогли получить температуру, лишь на несколько миллионных долей превышающую абсолютный ноль. Достичь же самой этой величины физически невозможно из-за описанного выше второго закона термодинамики.

> Абсолютный ноль

Изучите, чему равен абсолютный ноль температуры и значение энтропии. Узнайте, чему равна температура абсолютного ноля по шкале Цельсия и Кельвина.

Абсолютный ноль – минимальная температура. Это отметка, при которой энтропия достигает наименьшего значения.

Задача обучения

Разобраться в том, почему абсолютный ноль выступает естественным показателем нулевой точки.

Основные пункты

Абсолютный ноль выступает универсальным, то есть, вся материя пребывает в основном состоянии при этом показателе.
К обладает квантово-механической нулевой энергией. Но в интерпретации кинетическая энергия может быть нулевой, а тепловая исчезает.
Максимально низкая температура в лабораторных условиях достигла 10-12 К. Минимальная естественная – 1К (расширение газов в туманности Бумеранг).

Термины

Энтропия – мера того, как равномерная энергия располагается в системе.
Термодинамика – отрасль в науке, изучающая тепло и его соотношение с энергией и работой.

Абсолютный ноль – минимальная температура, при которой энтропия достигает наименьшего значения. То есть, это самый маленький показатель, который можно наблюдать в системе. Это универсальное понятие и выступает нулевой точкой в системе единиц температуры.

График зависимости давления от температуры для разных газов с постоянным объемом. Заметьте, что все графики экстраполируются к нулевому давлению при одной температуре

Система в абсолютном нуле все еще наделена квантово-механической нулевой энергией. Согласно принципу неопределенности, положение частичек нельзя определить с абсолютной точностью. Если частичка смещается в абсолютном нуле, то все еще обладает минимальным энергетическим запасом. Но в классической термодинамике кинетическая энергия способна быть нулевой, а тепловая исчезает.

Нулевая точка термодинамической шкалы, вроде Кельвина, приравнивается к абсолютному нулю. Международное соглашение установило, что температура абсолютного ноля достигает 0K по шкале Кельвина и -273.15°C по шкале Цельсия. Вещество при минимальных температурных показателях проявляет квантовые эффекты, вроде сверхпроводимости и сверхтекучести. Наиболее низкая температура в лабораторных условиях составляла 10-12 K, а в естественной среде – 1K (быстрое расширение газов в туманности Бумеранг).