Absolute Nulltemperatur

Die Grenztemperatur, bei der das Volumen eines idealen Gases Null wird, wird als angenommen absolute Nulltemperatur.

Lassen Sie uns den Wert des absoluten Nullpunkts auf der Celsius-Skala finden.
Volumen gleichsetzen v in Formel (3.1) auf Null und unter Berücksichtigung dessen

.

Daher ist die absolute Nulltemperatur

t= -273 °С. 2

Dies ist die begrenzende, niedrigste Temperatur in der Natur, jene „größte oder letzte Kältestufe“, deren Existenz Lomonossow voraussagte.

Die höchsten Temperaturen auf der Erde - Hunderte von Millionen Grad - wurden während der Explosionen von thermonuklearen Bomben erreicht. Noch höhere Temperaturen sind für die inneren Regionen einiger Sterne charakteristisch.

2 Ein genauerer Wert für den absoluten Nullpunkt: -273,15 °C.

Kelvin-Skala

Der englische Wissenschaftler W. Kelvin stellte vor absoluter Maßstab Temperaturen. Die Nulltemperatur auf der Kelvin-Skala entspricht dem absoluten Nullpunkt, und die Temperatureinheit auf dieser Skala entspricht Grad Celsius, also der absoluten Temperatur T bezieht sich auf die Temperatur auf der Celsius-Skala durch die Formel

T = t + 273. (3.2)

Auf Abb. 3.2 zeigt zum Vergleich die absolute Skala und die Celsius-Skala.

Die SI-Einheit der absoluten Temperatur wird genannt Kelvin(abgekürzt als K). Daher entspricht ein Grad Celsius einem Grad Kelvin:

Die absolute Temperatur ist also nach der Definition von Formel (3.2) eine abgeleitete Größe, die von der Celsius-Temperatur und dem experimentell bestimmten Wert von a abhängt.

Leser: Was ist die physikalische Bedeutung der absoluten Temperatur?

Wir schreiben den Ausdruck (3.1) in die Form

.

Da die Temperatur auf der Kelvin-Skala durch das Verhältnis zur Temperatur auf der Celsius-Skala in Beziehung steht T = t + 273, bekommen wir

wo T 0 = 273 K, bzw

Da diese Beziehung für eine beliebige Temperatur gilt T, dann lässt sich das Gay-Lussac-Gesetz wie folgt formulieren:

Für eine gegebene Gasmasse bei p = const gilt die Beziehung

Aufgabe 3.1. Bei einer Temperatur T 1 = 300 K Gasvolumen v 1 = 5,0 l. Bestimmen Sie das Gasvolumen bei gleichem Druck und gleicher Temperatur T= 400K.

HALT! Entscheiden Sie selbst: A1, B6, C2.

Aufgabe 3.2. Bei isobarer Erwärmung erhöhte sich das Luftvolumen um 1 %. Um wie viel Prozent ist die absolute Temperatur gestiegen?

= 0,01.

Antworten: 1 %.

Erinnere dich an die resultierende Formel

HALT! Entscheiden Sie selbst: A2, A3, B1, B5.

Karls Gesetz

Der französische Wissenschaftler Charles fand experimentell heraus, dass, wenn man ein Gas erhitzt, so dass sein Volumen konstant bleibt, der Druck des Gases ansteigt. Die Abhängigkeit des Drucks von der Temperatur hat die Form:

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

wo R(t) ist Druck bei Temperatur t°C; R 0 – Druck bei 0 °С; b ist der Temperaturkoeffizient des Drucks, der für alle Gase gleich ist: 1/K.

Leser:Überraschenderweise ist der Temperaturkoeffizient des Drucks b genau gleich dem Temperaturkoeffizienten der Volumenausdehnung a!

Nehmen wir eine bestimmte Gasmasse mit einem Volumen v 0 bei Temperatur T 0 und Druck R 0 . Zum ersten Mal halten wir den Druck des Gases konstant und erhitzen es auf eine Temperatur T ein . Dann hat das Gas Volumen v 1 = v 0 (1 + a t) und Druck R 0 .

Beim zweiten Mal erhitzen wir es bei konstantem Volumen des Gases auf die gleiche Temperatur T ein . Dann hat das Gas Druck R 1 = R 0 (1 + b t) und Volumen v 0 .

Da die Gastemperatur in beiden Fällen gleich ist, gilt das Boyle-Mariotte-Gesetz:

p 0 v 1 = p 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.

Es ist also nicht verwunderlich, dass a = b, nein!

Lassen Sie uns das Gesetz von Charles in der Form umschreiben

.

Angesichts dessen T = t°С + 273 °С, T 0 \u003d 273 ° C bekommen wir

Was ist der absolute Nullpunkt (öfter - Nullpunkt)? Gibt es diese Temperatur wirklich irgendwo im Universum? Können wir im wirklichen Leben irgendetwas auf den absoluten Nullpunkt herunterkühlen? Wenn Sie sich fragen, ob es möglich ist, einer Kältewelle zu entkommen, lassen Sie uns die äußersten Grenzen der Kälte erkunden ...

Was ist der absolute Nullpunkt (öfter - Nullpunkt)? Gibt es diese Temperatur wirklich irgendwo im Universum? Können wir im wirklichen Leben irgendetwas auf den absoluten Nullpunkt herunterkühlen? Wenn Sie sich fragen, ob es möglich ist, einer Kältewelle zu entkommen, lassen Sie uns die äußersten Grenzen der Kälte erkunden ...

Auch wenn Sie kein Physiker sind, sind Sie wahrscheinlich mit dem Begriff der Temperatur vertraut. Die Temperatur ist ein Maß für die Menge an interner Zufallsenergie in einem Material. Das Wort "intern" ist sehr wichtig. Werfen Sie einen Schneeball, und obwohl die Hauptbewegung ziemlich schnell sein wird, bleibt der Schneeball ziemlich kalt. Wenn Sie sich andererseits Luftmoleküle ansehen, die in einem Raum herumfliegen, frittiert ein gewöhnliches Sauerstoffmolekül mit einer Geschwindigkeit von Tausenden von Kilometern pro Stunde.

Bei technischen Details schweigen wir eher, deshalb sei nur für die Experten angemerkt, dass die Temperatur etwas komplizierter ist, als wir gesagt haben. Die wahre Definition von Temperatur ist, wie viel Energie Sie für jede Entropieeinheit (Unordnung, wenn Sie ein besseres Wort wollen) aufwenden müssen. Aber lassen Sie uns die Feinheiten überspringen und uns nur auf die Tatsache konzentrieren, dass zufällige Luft- oder Wassermoleküle im Eis sich mit sinkender Temperatur immer langsamer bewegen oder vibrieren.

Der absolute Nullpunkt ist -273,15 Grad Celsius, -459,67 Fahrenheit und nur 0 Kelvin. Dies ist der Punkt, an dem die thermische Bewegung vollständig aufhört.

Hört alles auf?

In der klassischen Betrachtung des Themas hört alles beim absoluten Nullpunkt auf, aber genau in diesem Moment lugt die schreckliche Schnauze der Quantenmechanik um die Ecke hervor. Eine der Vorhersagen der Quantenmechanik, die einigen Physikern das Blut verdorben hat, lautet, dass man die genaue Position oder den Impuls eines Teilchens nie mit absoluter Sicherheit messen kann. Dies ist als Heisenbergsche Unschärferelation bekannt.

Wenn Sie einen versiegelten Raum auf den absoluten Nullpunkt kühlen könnten, würden seltsame Dinge passieren (dazu gleich mehr). Der Luftdruck würde auf fast Null fallen, und da der Luftdruck normalerweise der Schwerkraft entgegenwirkt, würde die Luft zu einer sehr dünnen Schicht auf dem Boden zusammenfallen.

Aber selbst dann, wenn Sie einzelne Moleküle messen können, werden Sie etwas Merkwürdiges finden: Sie vibrieren und rotieren ziemlich stark – Quantenunsicherheit am Werk. Um es auf den Punkt zu bringen: Wenn Sie die Drehung von Kohlendioxidmolekülen am absoluten Nullpunkt messen, werden Sie feststellen, dass Sauerstoffatome Kohlenstoff mit einer Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Stunde umkreisen – viel schneller als Sie dachten.

Das Gespräch kommt ins Stocken. Wenn wir über die Quantenwelt sprechen, verliert Bewegung ihre Bedeutung. Auf diesen Skalen ist alles durch Unsicherheit definiert, also sind die Teilchen nicht stationär, man kann sie nur nie so messen, als ob sie stationär wären.

Wie tief kannst du fallen?

Das Streben nach dem absoluten Nullpunkt trifft im Wesentlichen auf die gleichen Probleme wie das Streben nach Lichtgeschwindigkeit. Es braucht unendlich viel Energie, um Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, und um den absoluten Nullpunkt zu erreichen, muss unendlich viel Wärme entzogen werden. Beide Prozesse sind unmöglich, wenn überhaupt.

Obwohl wir den tatsächlichen Zustand des absoluten Nullpunkts noch nicht erreicht haben, sind wir ihm sehr nahe (obwohl „sehr“ in diesem Fall ein sehr loser Begriff ist; wie ein Kinderzählreim: zwei, drei, vier, vier und halb, vier an einer Schnur, vier an einem Faden, fünf). Die niedrigste jemals auf der Erde gemessene Temperatur wurde 1983 in der Antarktis mit -89,15 Grad Celsius (184 K) gemessen.

Wer sich wie ein Kind abkühlen will, muss natürlich in die Tiefen des Weltalls eintauchen. Das gesamte Universum ist mit den Überresten der Strahlung des Urknalls in den leersten Regionen des Weltraums überflutet - 2,73 Grad Kelvin, was etwas kälter ist als die Temperatur von flüssigem Helium, das wir vor einem Jahrhundert auf der Erde erreichen konnten.

Aber Tieftemperaturphysiker nutzen Gefrierstrahlen, um die Technologie auf ein ganz neues Niveau zu heben. Es mag Sie überraschen, dass Gefrierstrahlen die Form von Lasern haben. Aber wie? Laser müssen brennen.

Das stimmt, aber Laser haben eine Eigenschaft – man könnte sogar sagen, ein Ultimatum: Alles Licht wird mit der gleichen Frequenz emittiert. Gewöhnliche neutrale Atome interagieren überhaupt nicht mit Licht, es sei denn, die Frequenz ist fein abgestimmt. Wenn das Atom auf die Lichtquelle zufliegt, erhält das Licht eine Doppler-Verschiebung und geht auf eine höhere Frequenz. Ein Atom absorbiert weniger Photonenenergie, als es könnte. Wenn Sie also den Laser niedriger einstellen, absorbieren sich schnell bewegende Atome Licht, und das Emittieren eines Photons in eine zufällige Richtung verliert im Durchschnitt ein wenig Energie. Wenn Sie den Vorgang wiederholen, können Sie das Gas auf weniger als ein Nanokelvin, ein Milliardstel Grad, abkühlen.

Alles wird extremer. Der Weltrekord für die kälteste Temperatur liegt bei weniger als einer Zehntelmilliarde Grad über dem absoluten Nullpunkt. Geräte, die dies erreichen, fangen Atome in Magnetfeldern ein. „Temperatur“ hängt nicht so sehr von den Atomen selbst ab, sondern vom Spin der Atomkerne.

Um die Gerechtigkeit wiederherzustellen, müssen wir jetzt ein wenig träumen. Wenn wir uns normalerweise etwas vorstellen, das auf ein Milliardstel Grad gefroren ist, bekommen Sie mit Sicherheit ein Bild von sogar eingefrorenen Luftmolekülen. Man kann sich sogar ein zerstörerisches apokalyptisches Gerät vorstellen, das die Spins von Atomen einfriert.

Wer Tieftemperaturen wirklich erleben will, muss schließlich nur warten. Nach etwa 17 Milliarden Jahren kühlt die Hintergrundstrahlung im Universum auf 1K ab. In 95 Milliarden Jahren wird die Temperatur etwa 0,01 K betragen. In 400 Milliarden Jahren wird der Weltraum so kalt sein wie das kälteste Experiment auf der Erde und danach noch kälter.

Wenn Sie sich fragen, warum das Universum so schnell abkühlt, sagen Sie Danke an unsere alten Freunde: Entropie und dunkle Energie. Das Universum befindet sich in einem Beschleunigungsmodus und tritt in eine Periode exponentiellen Wachstums ein, die ewig andauern wird. Die Dinge werden sehr schnell einfrieren.

Was ist unser Geschäft?

All das ist natürlich wunderbar, und Rekorde zu brechen ist auch schön. Aber was ist der Sinn? Nun, es gibt viele gute Gründe, das Tiefland der Temperatur zu verstehen, und zwar nicht nur als Sieger.

Die Guten vom National Institute of Standards and Technology würden zum Beispiel gerne coole Uhren machen. Zeitstandards basieren auf Dingen wie der Frequenz des Cäsiumatoms. Wenn sich das Cäsiumatom zu stark bewegt, gibt es eine Messunsicherheit, die schließlich zu einer Fehlfunktion der Uhr führt.

Aber noch wichtiger, insbesondere aus wissenschaftlicher Sicht, verhalten sich Materialien bei extrem niedrigen Temperaturen wahnsinnig. So wie beispielsweise ein Laser aus Photonen besteht, die miteinander synchronisiert sind – mit gleicher Frequenz und Phase –, kann das als Bose-Einstein-Kondensat bekannte Material erzeugt werden. Darin befinden sich alle Atome im gleichen Zustand. Oder stellen Sie sich ein Amalgam vor, in dem jedes Atom seine Individualität verliert und die gesamte Masse wie ein Null-Superatom reagiert.

Bei sehr niedrigen Temperaturen werden viele Materialien superflüssig, was bedeutet, dass sie vollständig viskos sein, sich in ultradünnen Schichten stapeln und sogar der Schwerkraft trotzen können, um ein Minimum an Energie zu erreichen. Auch bei niedrigen Temperaturen werden viele Materialien supraleitend, haben also keinen elektrischen Widerstand mehr.

Supraleiter sind in der Lage, auf äußere Magnetfelder so zu reagieren, dass sie sich im Inneren des Metalls vollständig aufheben. Als Ergebnis können Sie die kalte Temperatur und den Magneten kombinieren und so etwas wie Levitation erhalten.

Warum gibt es einen absoluten Nullpunkt, aber kein absolutes Maximum?

Betrachten wir das andere Extrem. Wenn die Temperatur nur ein Maß für Energie ist, dann können Sie sich vorstellen, dass Atome immer näher an die Lichtgeschwindigkeit herankommen. Das kann doch nicht ewig so weitergehen, oder?

Es gibt eine kurze Antwort: Wir wissen es nicht. Es ist durchaus möglich, dass es buchstäblich so etwas wie eine unendliche Temperatur gibt, aber wenn es eine absolute Grenze gibt, liefert das frühe Universum einige ziemlich interessante Hinweise darauf, was es ist. Die höchste Temperatur, die es je gegeben hat (zumindest in unserem Universum), ist wahrscheinlich in der sogenannten „Planck-Zeit“ aufgetreten.

Es war ein Moment 10^-43 Sekunden lang nach dem Urknall, als sich die Gravitation von der Quantenmechanik trennte und die Physik genau das wurde, was sie jetzt ist. Die Temperatur betrug damals etwa 10^32 K. Das ist eine Trilliarde mal heißer als das Innere unserer Sonne.

Auch hier sind wir uns überhaupt nicht sicher, ob dies die heißeste Temperatur aller Zeiten ist. Da wir zu Plancks Zeiten nicht einmal ein großes Modell des Universums hatten, sind wir nicht einmal sicher, ob das Universum in diesen Zustand gekocht hat. In jedem Fall sind wir dem absoluten Nullpunkt um ein Vielfaches näher als der absoluten Hitze.

Die absolute Temperatur Null entspricht 273,15 Grad Celsius unter Null, 459,67 unter Null Fahrenheit. Für die Kelvin-Temperaturskala ist diese Temperatur selbst die Nullmarke.

Die Essenz der absoluten Nulltemperatur

Das Konzept des absoluten Nullpunkts kommt von der Essenz der Temperatur. Jeder Körper, der sich im Laufe von . In diesem Fall sinkt die Körpertemperatur, d.h. es bleibt weniger Energie übrig. Theoretisch kann dieser Prozess so lange andauern, bis die Energiemenge ein solches Minimum erreicht, bei dem der Körper sie nicht mehr abgeben kann.
Ein entfernter Vorbote einer solchen Idee ist bereits in M. V. Lomonosov zu finden. Der große russische Wissenschaftler erklärte Wärme durch „rotierende“ Bewegung. Daher ist der begrenzende Kühlgrad ein vollständiger Stopp einer solchen Bewegung.

Nach modernen Vorstellungen ist die absolute Nulltemperatur diejenige, bei der Moleküle das niedrigstmögliche Energieniveau haben. Mit weniger Energie, d.h. bei einer niedrigeren Temperatur kann kein physischer Körper existieren.

Theorie und Praxis

Die absolute Nulltemperatur ist ein theoretisches Konzept, das in der Praxis im Prinzip selbst unter den Bedingungen wissenschaftlicher Labors mit der fortschrittlichsten Ausrüstung nicht erreicht werden kann. Aber Wissenschaftler schaffen es, die Materie auf sehr niedrige Temperaturen zu kühlen, die nahe dem absoluten Nullpunkt liegen.

Bei solchen Temperaturen erhalten Substanzen erstaunliche Eigenschaften, die sie unter normalen Umständen nicht haben können. Quecksilber, das wegen seines fast flüssigen Zustands „lebendes Silber“ genannt wird, wird bei dieser Temperatur fest – bis zu dem Punkt, an dem es Nägel einschlagen kann. Manche Metalle werden spröde, wie Glas. Der Gummi wird genauso hart. Wenn ein Gummigegenstand bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt mit einem Hammer geschlagen wird, zerbricht er wie Glas.

Eine solche Eigenschaftsänderung hängt auch mit der Natur der Wärme zusammen. Je höher die Temperatur des physischen Körpers ist, desto intensiver und chaotischer bewegen sich die Moleküle. Mit abnehmender Temperatur wird die Bewegung weniger intensiv und die Struktur geordneter. So wird das Gas zu einer Flüssigkeit und die Flüssigkeit zu einem Feststoff. Die begrenzende Ordnungsebene ist die Kristallstruktur. Bei Tiefsttemperaturen wird es sogar von Stoffen aufgenommen, die im Normalzustand amorph bleiben, beispielsweise Gummi.

Bei Metallen treten interessante Phänomene auf. Die Atome des Kristallgitters schwingen mit kleinerer Amplitude, die Streuung der Elektronen nimmt ab, der elektrische Widerstand nimmt also ab. Das Metall erhält Supraleitfähigkeit, deren praktische Anwendung sehr verlockend erscheint, wenn auch schwer zu erreichen.

Quellen:

• Livanova A. Niedrige Temperaturen, absoluter Nullpunkt und Quantenmechanik

Körper- dies ist einer der Grundbegriffe in der Physik, was die Existenzform von Materie oder Substanz bedeutet. Dies ist ein materielles Objekt, das durch Volumen und Masse, manchmal auch durch andere Parameter, gekennzeichnet ist. Der physische Körper ist durch eine Grenze klar von anderen Körpern getrennt. Es gibt mehrere spezielle Arten von physischen Körpern, deren Aufzählung nicht als Klassifizierung zu verstehen ist.

In der Mechanik wird ein physischer Körper meist als materieller Punkt verstanden. Dies ist eine Art Abstraktion, deren Haupteigenschaft darin besteht, dass die realen Abmessungen des Körpers zur Lösung eines bestimmten Problems vernachlässigt werden können. Mit anderen Worten, ein materieller Punkt ist ein sehr spezifischer Körper, der Abmessungen, Form und andere ähnliche Eigenschaften hat, aber sie sind nicht wichtig, um das bestehende Problem zu lösen. Wenn Sie beispielsweise ein Objekt auf einem bestimmten Abschnitt des Pfads zählen müssen, können Sie seine Länge bei der Lösung des Problems vollständig ignorieren. Eine andere Art von physikalischen Körpern, die von der Mechanik betrachtet wird, ist ein absolut starrer Körper. Die Mechanik eines solchen Körpers ist genau die gleiche wie die eines materiellen Punktes, hat aber zusätzlich noch andere Eigenschaften. Ein absolut starrer Körper besteht aus Punkten, aber weder der Abstand zwischen ihnen noch die Massenverteilung ändern sich unter den Belastungen, denen der Körper ausgesetzt ist. Dies bedeutet, dass es nicht verformt werden kann. Um die Position eines absolut starren Körpers zu bestimmen, reicht es aus, das ihm zugeordnete Koordinatensystem einzustellen, normalerweise ein kartesisches. In den meisten Fällen ist der Massenmittelpunkt auch der Mittelpunkt des Koordinatensystems. Einen absolut starren Körper gibt es nicht, aber zur Lösung vieler Probleme ist eine solche Abstraktion sehr bequem, obwohl sie in der relativistischen Mechanik nicht berücksichtigt wird, da dieses Modell bei Bewegungen, deren Geschwindigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar ist, innere Widersprüche aufweist. Das Gegenteil eines vollkommen starren Körpers sind verformbare Körper, die gegeneinander verschoben werden können. Es gibt spezielle Arten von physischen Körpern in anderen Zweigen der Physik. Beispielsweise wird in der Thermodynamik das Konzept eines vollständig schwarzen Körpers eingeführt. Dies ist ein ideales Modell, ein physischer Körper, der absolut alle elektromagnetische Strahlung absorbiert, die auf ihn fällt. Gleichzeitig kann es selbst elektromagnetische Strahlung erzeugen und jede Farbe haben. Ein Beispiel für ein Objekt, das in seinen Eigenschaften einem vollständig schwarzen Körper am nächsten kommt, ist die Sonne. Wenn wir Substanzen nehmen, die weit über die Erde hinaus verbreitet sind, können wir uns an Ruß erinnern, der 99 % dessen absorbiert, was auf ihn fällt, mit Ausnahme von Infrarot, das viel schlechter absorbieren kann.

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Wenn der Wetterbericht Temperaturen um den Gefrierpunkt vorhersagt, sollten Sie nicht auf die Eisbahn gehen: Das Eis wird schmelzen. Die Schmelztemperatur von Eis wird mit null Grad Celsius angenommen – der gebräuchlichsten Temperaturskala.
Wir kennen die negativen Grade der Celsius-Skala - Grad<ниже нуля>, Kältegrade. Die niedrigste Temperatur auf der Erde wurde in der Antarktis gemessen: -88,3 °C. Außerhalb der Erde sind sogar noch niedrigere Temperaturen möglich: Auf der Mondoberfläche kann es um Mitternacht -160°C erreichen.
Aber nirgendwo kann es zu beliebig niedrigen Temperaturen kommen. Extrem niedrige Temperatur - absoluter Nullpunkt - auf der Celsius-Skala entspricht - 273,16 °.
Die absolute Temperaturskala, die Kelvin-Skala, geht vom absoluten Nullpunkt aus. Eis schmilzt bei 273,16° Kelvin und Wasser siedet bei 373,16° K. Somit ist Grad K gleich Grad C. Aber auf der Kelvin-Skala sind alle Temperaturen positiv.
Warum ist 0°K die Kältegrenze?
Wärme ist die chaotische Bewegung von Atomen und Molekülen der Materie. Wenn eine Substanz gekühlt wird, wird ihr Wärmeenergie entzogen, und in diesem Fall wird die zufällige Bewegung von Partikeln geschwächt. Am Ende bei starker Abkühlung thermisch<пляска>Partikel fast vollständig aufhört. Atome und Moleküle würden bei einer Temperatur, die als absoluter Nullpunkt angenommen wird, vollständig einfrieren. Nach den Prinzipien der Quantenmechanik würde am absoluten Nullpunkt zwar die thermische Bewegung der Teilchen aufhören, aber die Teilchen selbst würden nicht einfrieren, da sie nicht vollständig in Ruhe sein können. Daher müssen die Teilchen am absoluten Nullpunkt noch eine Art Bewegung beibehalten, die Null genannt wird.

Aber eine Substanz auf eine Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt zu kühlen, ist eine Idee, die so sinnlos ist wie etwa die Absicht<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Darüber hinaus ist sogar das Erreichen des exakten absoluten Nullpunkts fast unmöglich. Man kann ihm nur näher kommen. Denn auf keinen Fall kann einem Stoff seine gesamte thermische Energie entzogen werden. Ein Teil der thermischen Energie bleibt während der tiefsten Abkühlung erhalten.
Wie erreichen sie ultratiefe Temperaturen?
Das Einfrieren einer Substanz ist schwieriger als das Erhitzen. Das zeigt zumindest ein Vergleich der Bauweise von Herd und Kühlschrank.
In den meisten Haushalts- und Industriekühlschränken wird Wärme durch die Verdunstung einer speziellen Flüssigkeit abgeführt - Freon, das durch Metallrohre zirkuliert. Das Geheimnis ist, dass Freon nur bei einer ausreichend niedrigen Temperatur in einem flüssigen Zustand bleiben kann. In der Kühlkammer erwärmt es sich aufgrund der Hitze der Kammer und kocht und verwandelt sich in Dampf. Der Dampf wird jedoch vom Kompressor komprimiert, verflüssigt und gelangt in den Verdampfer, wodurch der Verlust an verdampfendem Freon ausgeglichen wird. Für den Betrieb des Kompressors wird Energie verbraucht.
Bei Tiefkühlgeräten ist der Kälteträger eine superkalte Flüssigkeit – flüssiges Helium. Farblos, leicht (8-mal leichter als Wasser), siedet es unter atmosphärischem Druck bei 4,2 °K und im Vakuum bei 0,7 °K. Eine noch niedrigere Temperatur hat das leichte Isotop Helium: 0,3°K.
Es ist ziemlich schwierig, einen permanenten Heliumkühlschrank einzurichten. Geforscht wird einfach in flüssigen Heliumbädern. Und um dieses Gas zu verflüssigen, wenden Physiker verschiedene Techniken an. Beispielsweise wird vorgekühltes und komprimiertes Helium expandiert, indem es durch ein dünnes Loch in eine Vakuumkammer freigesetzt wird. Gleichzeitig nimmt die Temperatur weiter ab und ein Teil des Gases wird flüssig. Es ist effizienter, das gekühlte Gas nicht nur zu expandieren, sondern es auch arbeiten zu lassen - den Kolben zu bewegen.
Das dabei entstehende flüssige Helium wird in speziellen Thermosflaschen – Dewargefäßen – gelagert. Die Kosten für diese kälteste Flüssigkeit (die einzige, die nicht am absoluten Nullpunkt gefriert) sind ziemlich hoch. Dennoch findet flüssiges Helium immer mehr Anwendung, nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in verschiedenen technischen Geräten.
Die niedrigsten Temperaturen wurden auf andere Weise erreicht. Es stellt sich heraus, dass die Moleküle einiger Salze, wie Kalium-Chrom-Alaun, entlang magnetischer Kraftlinien rotieren können. Dieses Salz wird mit flüssigem Helium auf 1°K vorgekühlt und in ein starkes Magnetfeld gebracht. Dabei rotieren die Moleküle entlang der Kraftlinien und die freigesetzte Wärme wird durch flüssiges Helium abgeführt. Dann wird das Magnetfeld scharf entfernt, die Moleküle drehen sich wieder in verschiedene Richtungen und die verbrauchten

diese Arbeit führt zu einer weiteren Abkühlung des Salzes. So erhielt man eine Temperatur von 0,001 K. Durch ein im Prinzip ähnliches Verfahren kann man unter Verwendung anderer Substanzen eine noch niedrigere Temperatur erhalten.
Die niedrigste Temperatur, die bisher auf der Erde gemessen wurde, beträgt 0,00001 °K.

Superfluidität

Substanzen, die in flüssigen Heliumbädern auf ultratiefe Temperaturen gefroren werden, verändern sich merklich. Gummi wird spröde, Blei wird stahlhart und belastbar, viele Legierungen erhöhen die Festigkeit.

Flüssiges Helium selbst verhält sich eigenartig. Bei Temperaturen unter 2,2 °K erhält es eine für gewöhnliche Flüssigkeiten beispiellose Eigenschaft - Suprafluidität: Ein Teil davon verliert vollständig an Viskosität und fließt ohne Reibung durch die engsten Schlitze.
Dieses Phänomen wurde 1937 vom sowjetischen Physiker Akademiker P. JI entdeckt. Kapitsa, wurde dann von Akademiker JI erklärt. D. Landau.
Es stellt sich heraus, dass sich bei ultratiefen Temperaturen die Quantengesetze des Verhaltens von Materie merklich auszuwirken beginnen. Wie eines dieser Gesetze verlangt, kann Energie nur in ganz bestimmten Portionen – Quanten – von Körper zu Körper übertragen werden. Im flüssigen Helium gibt es so wenige Wärmequanten, dass sie nicht für alle Atome ausreichen. Ein Teil der Flüssigkeit ohne Wärmequanten bleibt auf absoluter Nulltemperatur, seine Atome nehmen überhaupt nicht an zufälligen thermischen Bewegungen teil und interagieren in keiner Weise mit den Gefäßwänden. Dieser Teil (er wurde Helium-H genannt) besitzt Suprafluidität. Mit sinkender Temperatur wird Helium-II immer mehr, und am absoluten Nullpunkt würde alles Helium zu Helium-H werden.
Die Suprafluidität ist mittlerweile sehr detailliert untersucht und hat sogar eine nützliche praktische Anwendung gefunden: Mit ihrer Hilfe ist es möglich, Helium-Isotope zu trennen.

Supraleitung

In der Nähe des absoluten Nullpunkts treten äußerst merkwürdige Änderungen in den elektrischen Eigenschaften bestimmter Materialien auf.
1911 machte der niederländische Physiker Kamerling-Onnes eine unerwartete Entdeckung: Es stellte sich heraus, dass bei einer Temperatur von 4,12 ° K der elektrische Widerstand in Quecksilber vollständig verschwindet. Merkur wird zum Supraleiter. Der im supraleitenden Ring induzierte elektrische Strom klingt nicht ab und kann fast ewig fließen.
Über einem solchen Ring schwebt eine supraleitende Kugel in der Luft und fällt nicht wie aus einem Märchen.<гроб Магомета>, weil seine Schwere durch die magnetische Abstoßung zwischen Ring und Kugel kompensiert wird. Schließlich erzeugt der ungedämpfte Strom im Ring ein Magnetfeld, das wiederum einen elektrischen Strom in der Kugel und damit ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld induziert.
Neben Quecksilber haben Zinn, Blei, Zink und Aluminium eine Supraleitfähigkeit nahe dem absoluten Nullpunkt. Diese Eigenschaft wurde in 23 Elementen und über hundert verschiedenen Legierungen und anderen chemischen Verbindungen gefunden.
Die Temperaturen, bei denen Supraleitung auftritt (kritische Temperaturen), liegen in einem ziemlich weiten Bereich, von 0,35 °K (Hafnium) bis 18 °K (Niob-Zinn-Legierung).
Das Phänomen der Supraleitung sowie der Super-
Flüssigkeit, im Detail untersucht. Die Abhängigkeiten kritischer Temperaturen von der inneren Struktur von Materialien und dem äußeren Magnetfeld werden gefunden. Es wurde eine tiefgreifende Theorie der Supraleitung entwickelt (ein wichtiger Beitrag wurde vom sowjetischen Wissenschaftler Akademiker N. N. Bogolyubov geleistet).
Die Essenz dieses paradoxen Phänomens ist wiederum rein quantenmechanisch. Bei ultratiefen Temperaturen dringen Elektronen ein

Supraleiter bilden ein System paarweise verbundener Teilchen, die keine Energie an das Kristallgitter abgeben können, sondern Energiequanten aufwenden, um es zu erwärmen. Elektronenpaare bewegen sich wie<танцуя>, zwischen<прутьями решетки>- Ionen und umgehen sie ohne Kollisionen und Energieübertragung.
Supraleitung wird zunehmend in der Technik eingesetzt.
So kommen beispielsweise supraleitende Solenoide zum Einsatz – in flüssiges Helium getauchte Supraleiterspulen. In ihnen kann der einmal induzierte Strom und damit das Magnetfeld beliebig lange gespeichert werden. Es kann einen gigantischen Wert erreichen – über 100.000 Oersted. In Zukunft werden zweifellos leistungsstarke industrielle supraleitende Geräte auftauchen - Elektromotoren, Elektromagnete usw.
In der Funkelektronik beginnen hochempfindliche Verstärker und Generatoren elektromagnetischer Wellen eine bedeutende Rolle zu spielen, die besonders gut in Bädern mit flüssigem Helium funktionieren - dort das Innere<шумы>Ausrüstung. In der elektronischen Computertechnologie verspricht man sich eine glänzende Zukunft für supraleitende Schalter mit geringer Leistung – Kryotrons (siehe Art.<Пути электроники>).
Es ist nicht schwer vorstellbar, wie verlockend es wäre, den Betrieb solcher Geräte auf höhere, zugänglichere Temperaturen zu bringen. Kürzlich wurde die Hoffnung geweckt, Polymerfilm-Supraleiter zu schaffen. Die besondere Natur der elektrischen Leitfähigkeit in solchen Materialien verspricht eine brillante Gelegenheit, die Supraleitung auch bei Raumtemperatur aufrechtzuerhalten. Wissenschaftler suchen beharrlich nach Möglichkeiten, diese Hoffnung zu verwirklichen.

In den Tiefen der Sterne

Und jetzt blicken wir in das Reich der heißesten Sache der Welt - in die Eingeweide der Sterne. Wo Temperaturen Millionen von Grad erreichen.
Die chaotische thermische Bewegung in Sternen ist so intensiv, dass ganze Atome dort nicht existieren können: Sie werden in unzähligen Kollisionen zerstört.
Daher kann ein so stark erhitzter Stoff weder fest noch flüssig noch gasförmig sein. Es befindet sich im Zustand eines Plasmas, d.h. einer Mischung aus elektrisch geladenen Teilchen<осколков>Atome - Atomkerne und Elektronen.
Plasma ist eine Art Aggregatzustand. Da seine Teilchen elektrisch geladen sind, gehorchen sie empfindlich elektrischen und magnetischen Kräften. Daher ist die unmittelbare Nähe zweier Atomkerne (sie tragen eine positive Ladung) ein seltenes Phänomen. Nur bei hohen Dichten und enormen Temperaturen können sich Atomkerne, die miteinander kollidieren, nahe kommen. Dann finden thermonukleare Reaktionen statt - die Energiequelle für Sterne.
Der uns nächste Stern - die Sonne - besteht hauptsächlich aus Wasserstoffplasma, das im Inneren des Sterns auf bis zu 10 Millionen Grad erhitzt wird. Unter solchen Bedingungen kommt es, wenn auch selten, zu engen Begegnungen von schnellen Wasserstoffkernen – Protonen. Manchmal interagieren sich nähernde Protonen: Nachdem sie die elektrische Abstoßung überwunden haben, geraten sie schnell in die Macht riesiger nuklearer Anziehungskräfte<падают>einander und verschmelzen. Hier findet eine sofortige Umordnung statt: Anstelle von zwei Protonen erscheinen ein Deuteron (der Kern eines schweren Wasserstoffisotops), ein Positron und ein Neutrino. Die freigesetzte Energie beträgt 0,46 Millionen Elektronenvolt (Mev).
Jedes einzelne Sonnenproton kann im Durchschnitt einmal in 14 Milliarden Jahren eine solche Reaktion eingehen. Aber es gibt so viele Protonen in den Eingeweiden der Leuchte, dass hier und da dieses unwahrscheinliche Ereignis stattfindet – und unser Stern mit seiner gleichmäßigen, blendenden Flamme brennt.
Die Synthese von Deuteronen ist nur der erste Schritt bei solaren thermonuklearen Umwandlungen. Das neugeborene Deuteron verbindet sich sehr bald (im Durchschnitt nach 5,7 Sekunden) mit einem weiteren Proton. Es gibt einen Kern aus leichtem Helium und ein Gammaquant elektromagnetischer Strahlung. 5,48 MeV Energie werden freigesetzt.
Schließlich können im Durchschnitt alle eine Million Jahre zwei Kerne aus leichtem Helium konvergieren und verschmelzen. Dann entsteht ein gewöhnlicher Heliumkern (Alphateilchen) und es werden zwei Protonen abgespalten. 12,85 MeV Energie werden freigesetzt.
Diese dreistufig<конвейер>thermonukleare Reaktionen ist nicht die einzige. Es gibt noch eine weitere Kette nuklearer Transformationen, schnellere. Die Atomkerne von Kohlenstoff und Stickstoff nehmen daran teil (ohne verbraucht zu werden). Aber in beiden Fällen werden Alphateilchen aus Wasserstoffkernen synthetisiert. Bildlich gesprochen das solare Wasserstoffplasma<сгорает>, sich in etwas verwandeln<золу>- Heliumplasma. Und bei der Synthese jedes Gramms Heliumplasma werden 175.000 kWh Energie freigesetzt. Große Menge!
Jede Sekunde strahlt die Sonne 4.1033 Erg Energie ab und verliert dabei 4.1012 g (4 Millionen Tonnen) Materie an Gewicht. Aber die Gesamtmasse der Sonne beträgt 2 1027 Tonnen, was bedeutet, dass in einer Million Jahren aufgrund der Emission von Strahlung die Sonne<худеет>nur ein Zehnmillionstel seiner Masse. Diese Zahlen veranschaulichen eindrucksvoll die Effektivität thermonuklearer Reaktionen und den gigantischen Heizwert der Sonnenenergie.<горючего>- Wasserstoff.
Kernfusion scheint die Hauptenergiequelle für alle Sterne zu sein. Bei unterschiedlichen Temperaturen und Dichten des Sterninneren finden unterschiedliche Arten von Reaktionen statt. Insbesondere Solar<зола>- Heliumkerne - bei 100 Millionen Grad wird es selbst thermonuklear<горючим>. Dann können aus Alphateilchen noch schwerere Atomkerne – Kohlenstoff und sogar Sauerstoff – synthetisiert werden.
Nach Ansicht vieler Wissenschaftler ist unsere gesamte Metagalaxie als Ganzes auch das Ergebnis einer thermonuklearen Fusion, die bei einer Temperatur von einer Milliarde Grad stattfand (siehe Art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Zur künstlichen Sonne

Der außergewöhnliche Kaloriengehalt von thermonuklearen<горючего>veranlasste die Wissenschaftler, nach einer künstlichen Implementierung von Kernfusionsreaktionen zu suchen.
<Горючего>Auf unserem Planeten gibt es viele Wasserstoffisotope. Beispielsweise kann aus Lithiummetall in Kernreaktoren superschweres Wasserstofftritium gewonnen werden. Und schwerer Wasserstoff - Deuterium ist Teil von schwerem Wasser, das aus gewöhnlichem Wasser extrahiert werden kann.
Schwerer Wasserstoff, der aus zwei Gläsern gewöhnlichem Wasser extrahiert wird, würde in einem Fusionsreaktor so viel Energie liefern, wie das Verbrennen eines Fasses Superbenzin jetzt liefert.
Die Schwierigkeit liegt in der Vorwärmung<горючее>auf Temperaturen, bei denen es sich mit mächtigem thermonuklearem Feuer entzünden kann.
Dieses Problem wurde erstmals in der Wasserstoffbombe gelöst. Dort werden Wasserstoffisotope durch die Explosion einer Atombombe in Brand gesetzt, die mit einer Erhitzung der Substanz auf viele zehn Millionen Grad einhergeht. In einer Version der Wasserstoffbombe ist der thermonukleare Brennstoff eine chemische Verbindung von schwerem Wasserstoff mit leichtem Lithium – Deuterid von leichtem l und t und i. Dieses weiße Pulver, ähnlich wie Speisesalz,<воспламеняясь>aus<спички>, die Atombombe, explodiert sofort und erzeugt eine Temperatur von Hunderten von Millionen Grad.
Um eine friedliche thermonukleare Reaktion einzuleiten, muss man zunächst lernen, wie man ohne die Hilfe einer Atombombe kleine Dosen eines ausreichend dichten Plasmas von Wasserstoffisotopen auf Temperaturen von Hunderten von Millionen Grad erhitzt. Dieses Problem ist eines der schwierigsten in der modernen angewandten Physik. Wissenschaftler aus aller Welt arbeiten seit vielen Jahren daran.
Wir haben bereits gesagt, dass es die chaotische Bewegung von Teilchen ist, die die Erwärmung von Körpern erzeugt, und die durchschnittliche Energie ihrer zufälligen Bewegung entspricht der Temperatur. Einen kalten Körper aufzuheizen bedeutet, diese Störung in irgendeiner Weise zu erzeugen.
Stellen Sie sich vor, zwei Gruppen von Läufern rennen schnell aufeinander zu. Also kollidierten sie, vermischten sich, eine Menge begann, Verwirrung. Großes Durcheinander!
Etwa auf die gleiche Weise versuchten die Physiker zunächst, eine hohe Temperatur zu erreichen - indem sie Hochdruck-Gasstrahlen drückten. Das Gas wurde auf 10.000 Grad erhitzt. Früher war es ein Rekord: Die Temperatur ist höher als auf der Sonnenoberfläche.
Aber mit dieser Methode ist eine weitere, eher langsame, nicht explosionsartige Erwärmung des Gases unmöglich, da sich thermische Unordnung sofort in alle Richtungen ausbreitet und die Wände der Experimentierkammer und die Umgebung erwärmt. Die entstehende Wärme verlässt das System schnell und kann nicht isoliert werden.
Werden die Gasstrahlen durch Plasmaströmungen ersetzt, bleibt das Problem der Wärmedämmung sehr schwierig, aber es besteht auch Hoffnung auf dessen Lösung.
Plasma kann zwar nicht durch Gefäße aus der feuerfeststen Substanz vor Wärmeverlust geschützt werden. Beim Kontakt mit festen Wänden kühlt das heiße Plasma sofort ab. Andererseits kann man versuchen, das Plasma zu halten und aufzuheizen, indem man seine Ansammlung in einem Vakuum erzeugt, so dass es die Wände der Kammer nicht berührt, sondern im Nichts hängt, ohne irgendetwas zu berühren. Dabei sollte man sich zunutze machen, dass Plasmateilchen nicht wie Gasatome neutral, sondern elektrisch geladen sind. Daher unterliegen sie in Bewegung der Wirkung magnetischer Kräfte. Es stellt sich das Problem: ein Magnetfeld spezieller Konfiguration zu arrangieren, in dem das heiße Plasma wie in einem Beutel mit unsichtbaren Wänden hängen würde.
Die einfachste Form eines solchen elektrischen Feldes entsteht automatisch, wenn starke elektrische Strompulse durch das Plasma geleitet werden. In diesem Fall werden magnetische Kräfte um das Plasmafilament herum induziert, die dazu neigen, das Filament zu komprimieren. Das Plasma löst sich von den Wänden der Entladungsröhre und die Temperatur steigt in einem Teilchenstrom nahe der Filamentachse auf 2 Millionen Grad an.
In unserem Land wurden solche Experimente bereits 1950 unter der Leitung von Academicians JI durchgeführt. A. Artsimovich und M. A. Leontovich.
Eine andere Versuchsrichtung ist die Verwendung einer Magnetflasche, die 1952 vom sowjetischen Physiker G. I. Budker, jetzt Akademiker, vorgeschlagen wurde. Die magnetische Flasche wird in ein Korktron gestellt - eine zylindrische Vakuumkammer, die mit einer äußeren Wicklung ausgestattet ist, die sich an den Enden der Kammer verdickt. Der durch die Wicklung fließende Strom erzeugt in der Kammer ein Magnetfeld. Seine Kraftlinien im mittleren Teil verlaufen parallel zu den Erzeugenden des Zylinders, und an den Enden werden sie zusammengedrückt und bilden magnetische Stopfen. Plasmapartikel, die in eine Magnetflasche injiziert werden, kräuseln sich um die Kraftlinien und werden von den Korken reflektiert. Dadurch bleibt das Plasma einige Zeit in der Flasche. Wenn die Energie der in die Flasche eingebrachten Plasmateilchen hoch genug ist und es genügend von ihnen gibt, gehen sie komplexe Kraftwechselwirkungen ein, ihre anfänglich geordnete Bewegung verschränkt sich, wird ungeordnet – die Temperatur von Wasserstoffkernen steigt auf mehrere zehn Millionen Grad .
Zusätzliche Erwärmung wird durch elektromagnetische erreicht<ударами>B. durch Plasma, Magnetfeldkompression usw. Nun wird das Plasma aus schweren Wasserstoffkernen auf Hunderte von Millionen Grad erhitzt. Dies kann zwar entweder kurzzeitig oder bei geringer Plasmadichte erfolgen.
Um eine selbsterhaltende Reaktion anzuregen, ist es notwendig, die Temperatur und Dichte des Plasmas weiter zu erhöhen. Dies ist schwer zu erreichen. Das Problem ist jedoch, davon sind die Wissenschaftler überzeugt, unbestreitbar lösbar.

GB Anfilov

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ABSOLUTER NULLPUNKT

ABSOLUTER NULLPUNKT, die Temperatur, bei der alle Komponenten des Systems die geringste Energiemenge haben, die nach den Gesetzen der QUANTENMECHANIK zulässig ist; Null auf der Kelvin-Temperaturskala oder -273,15 °C (-459,67 °F). Bei dieser Temperatur ist die Entropie des Systems – die Energiemenge, die für die Verrichtung nützlicher Arbeit zur Verfügung steht – ebenfalls null, obwohl die Gesamtenergiemenge des Systems von null verschieden sein kann.

Wissenschaftliches und technisches Lexikon.

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Absoluter Nullpunkt (Null). Razg. Vernachlässigung Eine unbedeutende, unbedeutende Person. FSRYA, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 Auf Null. 1. Jarg. man sagt Pendeln. Eisen. Über schwere Vergiftungen. Juganow, 471; Wachitow 2003, 22. 2. Jarg. Musik Genau, in voller Übereinstimmung mit ... ... Großes Wörterbuch der russischen Sprichwörter

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