Temperatura zero absoluta

A temperatura limite na qual o volume de um gás ideal se torna zero é tomada como temperatura zero absoluto.

Vamos encontrar o valor do zero absoluto na escala Celsius.
Equacionar volume V na fórmula (3.1) para zero e levando em consideração que

.

Portanto, a temperatura do zero absoluto é

t= -273 °С. 2

Esta é a temperatura mais baixa e limitante na natureza, aquele “maior ou último grau de frio”, cuja existência Lomonosov previu.

As temperaturas mais altas da Terra - centenas de milhões de graus - foram obtidas durante as explosões de bombas termonucleares. Temperaturas ainda mais altas são características das regiões internas de algumas estrelas.

2A valor mais preciso para zero absoluto: -273,15°C.

escala Kelvin

O cientista inglês W. Kelvin introduziu escala absoluta temperaturas. A temperatura zero na escala Kelvin corresponde ao zero absoluto, e a unidade de temperatura nesta escala é igual a graus Celsius, então a temperatura absoluta T está relacionado com a temperatura na escala Celsius pela fórmula

T = t + 273. (3.2)

Na fig. 3.2 mostra a escala absoluta e a escala Celsius para comparação.

A unidade SI de temperatura absoluta é chamada Kelvin(abreviado como K). Portanto, um grau Celsius é igual a um grau Kelvin:

Assim, a temperatura absoluta, segundo a definição dada pela fórmula (3.2), é uma grandeza derivada que depende da temperatura Celsius e do valor de a determinado experimentalmente.

Leitor: Qual é o significado físico da temperatura absoluta?

Escrevemos a expressão (3.1) na forma

.

Dado que a temperatura na escala Kelvin está relacionada com a temperatura na escala Celsius pela razão T = t + 273, obtemos

Onde T 0 = 273 K, ou

Uma vez que esta relação é válida para uma temperatura arbitrária T, então a lei de Gay-Lussac pode ser formulada da seguinte forma:

Para uma dada massa de gás em p = const, a relação

Tarefa 3.1. A uma temperatura T 1 = 300 K volume de gás V 1 = 5,0 l. Determine o volume de gás na mesma pressão e temperatura T= 400K.

PARE! Decida por si mesmo: A1, B6, C2.

Tarefa 3.2. Com aquecimento isobárico, o volume de ar aumentou 1%. Em que porcentagem a temperatura absoluta aumentou?

= 0,01.

Responda: 1 %.

Lembre-se da fórmula resultante

PARE! Decida por si mesmo: A2, A3, B1, B5.

lei de Carlos

O cientista francês Charles descobriu experimentalmente que, se você aquecer um gás de modo que seu volume permaneça constante, a pressão do gás aumentará. A dependência da pressão com a temperatura tem a forma:

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

Onde R(t) é a pressão à temperatura t°C; R 0 – pressão a 0 °C; b é o coeficiente de pressão de temperatura, que é o mesmo para todos os gases: 1/K.

Leitor: Surpreendentemente, o coeficiente de temperatura da pressão b é exatamente igual ao coeficiente de temperatura da expansão volumétrica a!

Tomemos uma certa massa de gás com um volume V 0 na temperatura T 0 e pressão R 0. Pela primeira vez, mantendo a pressão do gás constante, aquecemos a uma temperatura T 1 . Então o gás terá volume V 1 = V 0 (1 + um t) e pressão R 0 .

Na segunda vez, mantendo o volume do gás constante, aquecemos à mesma temperatura T 1 . Então o gás terá pressão R 1 = R 0 (1 + b t) e volume V 0 .

Como a temperatura do gás é a mesma em ambos os casos, a lei de Boyle-Mariotte é válida:

p 0 V 1 = p 1 V 0 Þ R 0 V 0 (1 + um t) = R 0 (1 + b t)V 0 Þ

Þ 1 + a t = 1+b tÞ a = b.

Portanto, não há nada de surpreendente no fato de que a = b, não!

Vamos reescrever a lei de Charles na forma

.

Dado que T = t°С + 273 °С, T 0 \u003d 273 ° С, obtemos

O que é zero absoluto (mais frequentemente - zero)? Essa temperatura realmente existe em algum lugar do universo? Podemos resfriar qualquer coisa até o zero absoluto na vida real? Se você está se perguntando se é possível superar uma onda de frio, vamos explorar os limites mais distantes da temperatura fria...

O que é zero absoluto (mais frequentemente - zero)? Essa temperatura realmente existe em algum lugar do universo? Podemos resfriar qualquer coisa até o zero absoluto na vida real? Se você está se perguntando se é possível superar uma onda de frio, vamos explorar os limites mais distantes da temperatura fria...

Mesmo que você não seja um físico, provavelmente está familiarizado com o conceito de temperatura. A temperatura é uma medida da quantidade de energia aleatória interna em um material. A palavra "interno" é muito importante. Jogue uma bola de neve e, embora o movimento principal seja bastante rápido, a bola de neve permanecerá bastante fria. Por outro lado, se você observar as moléculas de ar voando ao redor de uma sala, uma molécula comum de oxigênio frita a uma velocidade de milhares de quilômetros por hora.

Costumamos ficar em silêncio quando se trata de detalhes técnicos, então apenas para os especialistas, notamos que a temperatura é um pouco mais complicada do que dissemos. A verdadeira definição de temperatura é quanta energia você precisa gastar para cada unidade de entropia (desordem, se você quiser uma palavra melhor). Mas vamos pular as sutilezas e focar apenas no fato de que moléculas aleatórias de ar ou água no gelo se moverão ou vibrarão cada vez mais devagar à medida que a temperatura cai.

O zero absoluto é -273,15 graus Celsius, -459,67 Fahrenheit e apenas 0 Kelvin. Este é o ponto onde o movimento térmico para completamente.

Tudo pára?

Na consideração clássica da questão, tudo para no zero absoluto, mas é neste momento que o terrível focinho da mecânica quântica espreita ao virar da esquina. Uma das previsões da mecânica quântica que contaminou o sangue de alguns físicos é que você nunca pode medir a posição exata ou o momento de uma partícula com perfeita certeza. Isso é conhecido como o princípio da incerteza de Heisenberg.

Se você pudesse resfriar uma sala selada até o zero absoluto, coisas estranhas aconteceriam (mais sobre isso em breve). A pressão do ar cairia para quase zero e, como a pressão do ar normalmente se opõe à gravidade, o ar entraria em colapso em uma camada muito fina no chão.

Mas mesmo assim, se você puder medir moléculas individuais, encontrará algo curioso: elas vibram e giram, um pouco - incerteza quântica em ação. Para pontilhar os i, se você medir a rotação das moléculas de dióxido de carbono no zero absoluto, descobrirá que os átomos de oxigênio circulam o carbono a uma velocidade de vários quilômetros por hora - muito mais rápido do que você pensava.

A conversa chega a um impasse. Quando falamos sobre o mundo quântico, o movimento perde seu significado. Nessas escalas, tudo é definido pela incerteza, então não é que as partículas sejam estacionárias, você simplesmente nunca pode medi-las como se fossem estacionárias.

Quão baixo você pode cair?

A busca do zero absoluto encontra essencialmente os mesmos problemas que a busca da velocidade da luz. É preciso uma quantidade infinita de energia para atingir a velocidade da luz, e atingir o zero absoluto requer uma quantidade infinita de calor para ser extraída. Ambos os processos são impossíveis, se houver.

Apesar de ainda não termos alcançado o estado real do zero absoluto, estamos muito próximos disso (embora "muito" neste caso seja um conceito muito solto; como uma rima infantil: dois, três, quatro, quatro e meio, quatro em uma corda, quatro por um fio, cinco). A temperatura mais baixa já registrada na Terra foi na Antártida em 1983, com -89,15 graus Celsius (184K).

Claro, se você quer se refrescar como uma criança, precisa mergulhar nas profundezas do espaço. Todo o universo está inundado com os restos de radiação do Big Bang, nas regiões mais vazias do espaço - 2,73 graus Kelvin, que é um pouco mais fria que a temperatura do hélio líquido, que conseguimos na Terra há um século.

Mas os físicos de baixa temperatura estão usando raios congelantes para levar a tecnologia a um nível totalmente novo. Pode surpreendê-lo que os feixes de congelamento tomem a forma de lasers. Mas como? Os lasers devem queimar.

Isso mesmo, mas os lasers têm uma característica - pode-se até dizer, um ultimato: toda a luz é emitida na mesma frequência. Átomos neutros comuns não interagem com a luz, a menos que a frequência seja sintonizada com precisão. Se o átomo voa em direção à fonte de luz, a luz recebe um desvio Doppler e vai para uma frequência mais alta. Um átomo absorve menos energia de fótons do que poderia. Portanto, se você definir o laser mais baixo, os átomos em movimento rápido absorverão a luz, e a emissão de um fóton em uma direção aleatória perderá um pouco de energia em média. Se você repetir o processo, poderá resfriar o gás para menos de um nanoKelvin, um bilionésimo de grau.

Tudo se torna mais extremo. O recorde mundial para a temperatura mais fria é inferior a um décimo de bilhão de graus acima do zero absoluto. Dispositivos que conseguem isso prendem átomos em campos magnéticos. A "temperatura" não depende tanto dos próprios átomos, mas do spin dos núcleos atômicos.

Agora, para restabelecer a justiça, precisamos sonhar um pouco. Quando normalmente imaginamos algo congelado a um bilionésimo de grau, você certamente obterá uma imagem de até mesmo moléculas de ar congelando no lugar. Pode-se até imaginar um dispositivo apocalíptico destrutivo que congela os spins dos átomos.

Em última análise, se você realmente deseja experimentar baixas temperaturas, tudo o que você precisa fazer é esperar. Após cerca de 17 bilhões de anos, a radiação de fundo no Universo esfriará para 1K. Em 95 bilhões de anos, a temperatura será de cerca de 0,01K. Em 400 bilhões de anos, o espaço profundo será tão frio quanto o experimento mais frio da Terra, e ainda mais frio depois disso.

Se você está se perguntando por que o universo está esfriando tão rapidamente, agradeça aos nossos velhos amigos: entropia e energia escura. O universo está em um modo de aceleração, entrando em um período de crescimento exponencial que continuará para sempre. As coisas vão congelar muito rapidamente.

Qual é o nosso negócio?

Tudo isso, claro, é maravilhoso, e quebrar recordes também é bom. Mas qual é o ponto? Bem, existem muitas boas razões para entender as terras baixas de temperatura, e não apenas como vencedor.

Os mocinhos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, por exemplo, gostariam apenas de fazer relógios legais. Os padrões de tempo são baseados em coisas como a frequência do átomo de césio. Se o átomo de césio se mover muito, há uma incerteza nas medições, o que acabará por causar o mau funcionamento do relógio.

Mas o mais importante, especialmente do ponto de vista científico, é que os materiais se comportam de forma insana em temperaturas extremamente baixas. Por exemplo, assim como um laser é composto de fótons que são sincronizados entre si - na mesma frequência e fase -, o material conhecido como condensado de Bose-Einstein pode ser criado. Nele, todos os átomos estão no mesmo estado. Ou imagine um amálgama em que cada átomo perde sua individualidade e toda a massa reage como um superátomo nulo.

Em temperaturas muito baixas, muitos materiais se tornam superfluidos, o que significa que podem ser completamente viscosos, empilhar em camadas ultrafinas e até mesmo desafiar a gravidade para obter um mínimo de energia. Também em baixas temperaturas, muitos materiais se tornam supercondutores, o que significa que não possuem resistência elétrica.

Os supercondutores são capazes de responder a campos magnéticos externos de forma a cancelá-los completamente dentro do metal. Como resultado, você pode combinar a temperatura fria e o ímã e obter algo como levitação.

Por que existe um zero absoluto, mas não um máximo absoluto?

Vejamos o outro extremo. Se a temperatura é apenas uma medida de energia, então você pode imaginar os átomos se aproximando cada vez mais da velocidade da luz. Não pode continuar indefinidamente, pode?

Há uma resposta curta: não sabemos. É perfeitamente possível que exista literalmente uma temperatura infinita, mas se houver um limite absoluto, o universo primitivo fornece algumas pistas bastante interessantes sobre o que é. A temperatura mais alta que já existiu (pelo menos em nosso universo) provavelmente aconteceu no chamado "tempo de Planck".

Foi um momento 10^-43 segundos depois do Big Bang, quando a gravidade se separou da mecânica quântica e da física se tornou exatamente o que é agora. A temperatura naquela época era de cerca de 10^32 K. Isso é um septilhão de vezes mais quente que o interior do nosso Sol.

Novamente, não temos certeza se esta é a temperatura mais quente de todos os tempos. Como nem sequer temos um grande modelo do universo na época de Planck, nem temos certeza de que o universo estava fervendo nesse estado. De qualquer forma, estamos muitas vezes mais próximos do zero absoluto do que do calor absoluto.

A temperatura absoluta zero corresponde a 273,15 graus Celsius abaixo de zero, 459,67 abaixo de zero Fahrenheit. Para a escala de temperatura Kelvin, essa temperatura em si é a marca zero.

A essência da temperatura zero absoluto

O conceito de zero absoluto vem da própria essência da temperatura. Qualquer corpo que ceda ao ambiente externo no curso de . Neste caso, a temperatura do corpo diminui, ou seja, sobra menos energia. Teoricamente, esse processo pode continuar até que a quantidade de energia atinja um mínimo no qual o corpo não possa mais distribuí-la.
Um prenúncio distante de tal ideia já pode ser encontrado em M.V. Lomonosov. O grande cientista russo explicou o calor pelo movimento "rotativo". Portanto, o grau limite de resfriamento é uma parada completa desse movimento.

De acordo com os conceitos modernos, a temperatura do zero absoluto é aquela em que as moléculas têm o menor nível de energia possível. Com menos energia, ou seja, a uma temperatura mais baixa, nenhum corpo físico pode existir.

A teoria e a prática

A temperatura zero absoluta é um conceito teórico, é impossível alcançá-la na prática, em princípio, mesmo nas condições de laboratórios científicos com os equipamentos mais sofisticados. Mas os cientistas conseguem resfriar a matéria a temperaturas muito baixas, próximas do zero absoluto.

A tais temperaturas, as substâncias adquirem propriedades surpreendentes que não podem ter em circunstâncias normais. O mercúrio, que é chamado de "prata viva" por causa de seu estado quase líquido, a essa temperatura se torna sólido - a ponto de poder martelar pregos. Alguns metais tornam-se quebradiços, como o vidro. A borracha torna-se tão dura. Se um objeto de borracha for atingido com um martelo a uma temperatura próxima do zero absoluto, ele quebrará como vidro.

Essa mudança nas propriedades também está associada à natureza do calor. Quanto mais alta a temperatura do corpo físico, mais intensa e caótica as moléculas se movem. À medida que a temperatura diminui, o movimento torna-se menos intenso e a estrutura torna-se mais ordenada. Assim, o gás torna-se líquido e o líquido torna-se sólido. O nível limitante de ordem é a estrutura cristalina. Em temperaturas ultrabaixas, é adquirido mesmo por substâncias que no estado normal permanecem amorfas, por exemplo, borracha.

Fenômenos interessantes ocorrem com metais. Os átomos da rede cristalina vibram com uma amplitude menor, o espalhamento de elétrons diminui, portanto, a resistência elétrica diminui. O metal adquire supercondutividade, cuja aplicação prática parece muito tentadora, embora difícil de alcançar.

Origens:

• Livanova A. Baixas temperaturas, zero absoluto e mecânica quântica

Corpo- este é um dos conceitos básicos da física, que significa a forma de existência da matéria ou substância. Este é um objeto material, caracterizado por volume e massa, às vezes também por outros parâmetros. O corpo físico está claramente separado de outros corpos por uma fronteira. Existem vários tipos especiais de corpos físicos; sua enumeração não deve ser entendida como uma classificação.

Na mecânica, um corpo físico é mais frequentemente entendido como um ponto material. Este é um tipo de abstração, cuja principal propriedade é o fato de que as dimensões reais do corpo para resolver um problema específico podem ser negligenciadas. Em outras palavras, um ponto material é um corpo muito específico que possui dimensões, forma e outras características semelhantes, mas que não são importantes para resolver o problema existente. Por exemplo, se você precisar contar um objeto em uma determinada seção do caminho, poderá ignorar completamente seu comprimento ao resolver o problema. Outro tipo de corpo físico considerado pela mecânica é um corpo absolutamente rígido. A mecânica de tal corpo é exatamente a mesma que a mecânica de um ponto material, mas além disso tem outras propriedades. Um corpo absolutamente rígido consiste em pontos, mas nem a distância entre eles nem a distribuição de massa mudam sob as cargas às quais o corpo é submetido. Isso significa que não pode ser deformado. Para determinar a posição de um corpo absolutamente rígido, basta definir o sistema de coordenadas ligado a ele, geralmente cartesiano. Na maioria dos casos, o centro de massa é também o centro do sistema de coordenadas. Um corpo absolutamente rígido não existe, mas para resolver muitos problemas tal abstração é muito conveniente, embora não seja considerada na mecânica relativística, pois durante movimentos cuja velocidade é comparável à velocidade da luz, esse modelo demonstra contradições internas. O oposto de um corpo perfeitamente rígido é um corpo deformável, que pode ser deslocado um em relação ao outro. Existem tipos especiais de corpos físicos em outros ramos da física. Por exemplo, na termodinâmica, o conceito de um corpo completamente negro é introduzido. Este é um modelo ideal, um corpo físico que absorve absolutamente toda a radiação eletromagnética que incide sobre ele. Ao mesmo tempo, ele próprio pode produzir radiação eletromagnética e ter qualquer cor. Um exemplo de objeto com propriedades mais próximas de um corpo completamente negro é o Sol. Se pegarmos substâncias que estão espalhadas além da Terra, podemos nos lembrar da fuligem, que absorve 99% do que cai sobre ela, exceto o infravermelho, que é muito pior na absorção.

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Quando o boletim meteorológico prevê temperaturas em torno de zero, você não deve ir à pista de patinação: o gelo derreterá. A temperatura de fusão do gelo é tomada como zero graus Celsius - a escala de temperatura mais comum.
Estamos bem cientes dos graus negativos da escala Celsius - graus<ниже нуля>, graus de frio. A temperatura mais baixa da Terra foi registrada na Antártida: -88,3°C. Fora da Terra, temperaturas ainda mais baixas são possíveis: na superfície da Lua, à meia-noite lunar, pode chegar a -160°C.
Mas em nenhum lugar pode haver temperaturas arbitrariamente baixas. Temperatura extremamente baixa - zero absoluto - na escala Celsius corresponde a - 273,16 °.
A escala de temperatura absoluta, a escala Kelvin, origina-se do zero absoluto. O gelo derrete a 273,16° Kelvin e a água ferve a 373,16° K. Assim, o grau K é igual ao grau C. Mas na escala Kelvin, todas as temperaturas são positivas.
Por que 0°K é o limite do frio?
O calor é o movimento caótico dos átomos e moléculas da matéria. Quando uma substância é resfriada, a energia térmica é retirada dela e, nesse caso, o movimento aleatório das partículas enfraquece. No final, com forte resfriamento, aquecimento<пляска>partículas param quase completamente. Átomos e moléculas congelariam completamente a uma temperatura que é tomada como zero absoluto. De acordo com os princípios da mecânica quântica, no zero absoluto, é precisamente o movimento térmico das partículas que pararia, mas as próprias partículas não congelariam, pois não podem ficar completamente em repouso. Assim, no zero absoluto, as partículas ainda devem reter algum tipo de movimento, que é chamado de zero.

No entanto, resfriar uma substância a uma temperatura abaixo do zero absoluto é uma ideia tão sem sentido quanto, digamos, a intenção<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Além disso, mesmo atingir o zero absoluto exato também é quase impossível. Você só pode se aproximar dele. Porque absolutamente toda a sua energia térmica não pode ser retirada de uma substância de forma alguma. Parte da energia térmica permanece durante o resfriamento mais profundo.
Como eles atingem temperaturas ultra-baixas?
Congelar uma substância é mais difícil do que aquecê-la. Isso pode ser visto pelo menos a partir de uma comparação do design do fogão e da geladeira.
Na maioria dos refrigeradores domésticos e industriais, o calor é removido devido à evaporação de um líquido especial - freon, que circula através de tubos de metal. O segredo é que o freon pode permanecer em estado líquido apenas a uma temperatura suficientemente baixa. Na câmara frigorífica, devido ao calor da câmara, aquece e ferve, transformando-se em vapor. Mas o vapor é comprimido pelo compressor, liquefeito e entra no evaporador, compensando a perda de freon evaporando. A energia é usada para operar o compressor.
Em dispositivos de resfriamento profundo, o transportador de frio é um líquido superfrio - hélio líquido. Incolor, leve (8 vezes mais leve que a água), ferve sob pressão atmosférica a 4,2°K e no vácuo a 0,7°K. Uma temperatura ainda mais baixa é dada pelo isótopo leve do hélio: 0,3°K.
É bastante difícil arranjar um refrigerador de hélio permanente. A pesquisa é realizada simplesmente em banhos de hélio líquido. E para liquefazer esse gás, os físicos usam diferentes técnicas. Por exemplo, o hélio pré-resfriado e comprimido é expandido liberando-o através de um orifício fino em uma câmara de vácuo. Ao mesmo tempo, a temperatura ainda diminui e uma parte do gás se transforma em líquido. É mais eficiente não apenas expandir o gás resfriado, mas também fazê-lo funcionar - mover o pistão.
O hélio líquido resultante é armazenado em garrafas térmicas especiais - vasos Dewar. O custo desse líquido mais frio (o único que não congela no zero absoluto) é bastante alto. No entanto, o hélio líquido está sendo usado cada vez mais amplamente, não apenas na ciência, mas também em vários dispositivos técnicos.
As temperaturas mais baixas foram alcançadas de uma maneira diferente. Acontece que as moléculas de alguns sais, como o alúmen de potássio e cromo, podem girar ao longo de linhas de força magnéticas. Este sal é resfriado preliminarmente com hélio líquido a 1°K e colocado em um forte campo magnético. Nesse caso, as moléculas giram ao longo das linhas de força e o calor liberado é retirado pelo hélio líquido. Então o campo magnético é nitidamente removido, as moléculas novamente giram em direções diferentes e o gasto

este trabalho leva a um resfriamento adicional do sal. Assim, obteve-se uma temperatura de 0,001° K. Por um método similar em princípio, usando outras substâncias, pode-se obter uma temperatura ainda mais baixa.
A temperatura mais baixa obtida até agora na Terra é de 0,00001°K.

Superfluidez

A substância congelada a temperaturas ultrabaixas em banhos de hélio líquido muda acentuadamente. A borracha torna-se quebradiça, o chumbo torna-se duro como o aço e resiliente, muitas ligas aumentam a resistência.

O próprio hélio líquido se comporta de maneira peculiar. Em temperaturas abaixo de 2,2 °K, adquire uma propriedade sem precedentes para líquidos comuns - superfluidez: parte dela perde completamente a viscosidade e flui sem qualquer atrito pelas ranhuras mais estreitas.
Este fenômeno, descoberto em 1937 pelo físico soviético Acadêmico P. JI. Kapitsa, foi então explicado pelo acadêmico JI. D. Landau.
Acontece que em temperaturas ultrabaixas, as leis quânticas do comportamento da matéria começam a afetar visivelmente. Como uma dessas leis exige, a energia pode ser transferida de um corpo para outro apenas em porções bem definidas - quanta. Há tão poucos quanta de calor no hélio líquido que não há o suficiente para todos os átomos. Parte do líquido, desprovido de quanta de calor, permanece na temperatura zero absoluto, seus átomos não participam de movimento térmico aleatório e não interagem com as paredes do vaso de forma alguma. Esta parte (chamada de hélio-H) possui superfluidez. Com a diminuição da temperatura, o hélio-II se torna cada vez mais e, no zero absoluto, todo o hélio se transformaria em hélio-H.
A superfluidez agora foi estudada em grande detalhe e encontrou até uma aplicação prática útil: com sua ajuda, é possível separar isótopos de hélio.

Supercondutividade

Perto do zero absoluto, ocorrem mudanças extremamente curiosas nas propriedades elétricas de certos materiais.
Em 1911, o físico holandês Kamerling-Onnes fez uma descoberta inesperada: descobriu-se que a uma temperatura de 4,12 ° K, a resistência elétrica desaparece completamente no mercúrio. O mercúrio torna-se um supercondutor. A corrente elétrica induzida no anel supercondutor não decai e pode fluir quase para sempre.
Acima desse anel, uma bola supercondutora flutuará no ar e não cairá, como se fosse um conto de fadas.<гроб Магомета>, porque seu peso é compensado pela repulsão magnética entre o anel e a bola. Afinal, a corrente não amortecida no anel criará um campo magnético e, por sua vez, induzirá uma corrente elétrica na bola e, junto com ela, um campo magnético de direção oposta.
Além do mercúrio, estanho, chumbo, zinco e alumínio têm supercondutividade próxima do zero absoluto. Esta propriedade foi encontrada em 23 elementos e mais de uma centena de ligas diferentes e outros compostos químicos.
As temperaturas nas quais a supercondutividade aparece (temperaturas críticas) estão em uma faixa bastante ampla, de 0,35°K (háfnio) a 18°K (liga de nióbio-estanho).
O fenômeno da supercondutividade, bem como a supercondutividade
fluidez, estudado em detalhes. As dependências das temperaturas críticas da estrutura interna dos materiais e do campo magnético externo são encontradas. Uma teoria profunda da supercondutividade foi desenvolvida (uma importante contribuição foi feita pelo cientista soviético Acadêmico N. N. Bogolyubov).
A essência desse fenômeno paradoxal é novamente puramente quântica. Em temperaturas ultrabaixas, os elétrons

supercondutores formam um sistema de partículas conectadas aos pares que não podem dar energia à rede cristalina, gastam quanta de energia para aquecê-la. Pares de elétrons se movem como<танцуя>, entre<прутьями решетки>- íons e contorná-los sem colisões e transferência de energia.
A supercondutividade está sendo cada vez mais usada na tecnologia.
Por exemplo, solenóides supercondutores estão entrando em prática - bobinas supercondutoras imersas em hélio líquido. Uma vez induzida a corrente e, consequentemente, o campo magnético pode ser armazenado neles por um tempo arbitrariamente longo. Pode atingir um valor gigantesco - mais de 100.000 ofertas. No futuro, poderosos dispositivos supercondutores industriais aparecerão sem dúvida - motores elétricos, eletroímãs, etc.
Na eletrônica de rádio, amplificadores supersensíveis e geradores de ondas eletromagnéticas começam a desempenhar um papel significativo, que funcionam especialmente bem em banhos com hélio líquido - lá o interno<шумы>equipamento. Na tecnologia de computação eletrônica, um futuro brilhante é prometido para comutadores supercondutores de baixa potência - criotrons (ver Art.<Пути электроники>).
Não é difícil imaginar como seria tentador mover a ação de tais dispositivos para temperaturas mais altas e mais acessíveis. Recentemente, a esperança de criar supercondutores de filme de polímero foi aberta. A natureza peculiar da condutividade elétrica em tais materiais promete uma brilhante oportunidade para manter a supercondutividade mesmo em temperatura ambiente. Os cientistas estão procurando persistentemente maneiras de realizar essa esperança.

Nas profundezas das estrelas

E agora vamos olhar para o reino da coisa mais quente do mundo - nas entranhas das estrelas. Onde as temperaturas atingem milhões de graus.
O movimento térmico caótico nas estrelas é tão intenso que átomos inteiros não podem existir ali: eles são destruídos em inúmeras colisões.
Portanto, uma substância tão fortemente aquecida não pode ser sólida, líquida ou gasosa. Encontra-se no estado de plasma, ou seja, uma mistura de<осколков>átomos - núcleos atômicos e elétrons.
Plasma é um tipo de estado da matéria. Como suas partículas são eletricamente carregadas, elas obedecem sensivelmente às forças elétricas e magnéticas. Portanto, a proximidade de dois núcleos atômicos (eles carregam uma carga positiva) é um fenômeno raro. Somente em altas densidades e temperaturas enormes os núcleos atômicos colidindo entre si são capazes de se aproximar. Em seguida, ocorrem reações termonucleares - a fonte de energia para as estrelas.
A estrela mais próxima de nós - o Sol consiste principalmente de plasma de hidrogênio, que é aquecido nas entranhas da estrela até 10 milhões de graus. Sob tais condições, encontros próximos de núcleos de hidrogênio rápidos - prótons, embora raros, acontecem. Às vezes, prótons que se aproximam interagem: tendo superado a repulsão elétrica, eles caem no poder de gigantes forças nucleares de atração, rapidamente<падают>uns aos outros e se fundir. Aqui ocorre uma reestruturação instantânea: em vez de dois prótons, um dêuteron (o núcleo de um isótopo pesado de hidrogênio), um pósitron e um neutrino aparecem. A energia liberada é de 0,46 milhões de elétron-volts (Mev).
Cada próton solar individual pode entrar em tal reação, em média, uma vez a cada 14 bilhões de anos. Mas há tantos prótons nas entranhas da luminária que aqui e ali esse evento improvável ocorre - e nossa estrela queima com sua chama uniforme e deslumbrante.
A síntese de dêuterons é apenas o primeiro passo nas transformações termonucleares solares. O deutério recém-nascido muito em breve (em média após 5,7 segundos) combina com mais um próton. Há um núcleo de hélio leve e um quantum gama de radiação eletromagnética. 5,48 MeV de energia são liberados.
Finalmente, em média, uma vez a cada milhão de anos, dois núcleos de hélio leve podem convergir e se fundir. Então um núcleo comum de hélio (partícula alfa) é formado e dois prótons são separados. 12,85 MeV de energia são liberados.
Este três estágios<конвейер>reações termonucleares não é a única. Há outra cadeia de transformações nucleares, mais rápidas. Os núcleos atômicos de carbono e nitrogênio participam dela (sem serem consumidos). Mas em ambos os casos, as partículas alfa são sintetizadas a partir de núcleos de hidrogênio. Figurativamente falando, o plasma de hidrogênio solar<сгорает>, transformando-se em<золу>- plasma de hélio. E no processo de síntese de cada grama de plasma de hélio, são liberados 175 mil kWh de energia. Grande quantidade!
A cada segundo, o Sol irradia 4.1033 ergs de energia, perdendo 4.1012 g (4 milhões de toneladas) de matéria em peso. Mas a massa total do Sol é de 2.1027 toneladas. Isso significa que em um milhão de anos, devido à emissão de radiação, o Sol<худеет>apenas um décimo de milionésimo de sua massa. Esses números ilustram eloquentemente a eficácia das reações termonucleares e o gigantesco poder calorífico da energia solar.<горючего>- hidrogênio.
A fusão termonuclear parece ser a principal fonte de energia para todas as estrelas. Em diferentes temperaturas e densidades de interiores estelares, ocorrem diferentes tipos de reações. Em particular, o sol<зола>- núcleos de hélio - a 100 milhões de graus torna-se termonuclear em si<горючим>. Então núcleos atômicos ainda mais pesados ​​- carbono e até oxigênio - podem ser sintetizados a partir de partículas alfa.
Segundo muitos cientistas, toda a nossa Metagalaxia como um todo também é fruto da fusão termonuclear, que ocorreu a uma temperatura de um bilhão de graus (ver Art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Para o sol artificial

O extraordinário teor calórico dos produtos termonucleares<горючего>levou os cientistas a buscar a implementação artificial de reações de fusão nuclear.
<Горючего>Existem muitos isótopos de hidrogênio em nosso planeta. Por exemplo, o trítio de hidrogênio superpesado pode ser obtido do metal lítio em reatores nucleares. E hidrogênio pesado - deutério faz parte da água pesada, que pode ser extraída da água comum.
O hidrogênio pesado extraído de dois copos de água comum forneceria tanta energia em um reator de fusão quanto a queima de um barril de gasolina premium agora fornece.
A dificuldade está no pré-aquecimento<горючее>a temperaturas em que pode inflamar com fogo termonuclear poderoso.
Este problema foi resolvido pela primeira vez na bomba de hidrogênio. Os isótopos de hidrogênio são inflamados lá pela explosão de uma bomba atômica, que é acompanhada pelo aquecimento da substância a muitas dezenas de milhões de graus. Em uma versão da bomba de hidrogênio, o combustível termonuclear é um composto químico de hidrogênio pesado com lítio leve - deutereto de luz l e t e i. Este pó branco, semelhante ao sal de mesa,<воспламеняясь>a partir de<спички>, que é a bomba atômica, explode instantaneamente e cria uma temperatura de centenas de milhões de graus.
Para iniciar uma reação termonuclear pacífica, é preciso primeiro aprender como, sem os serviços de uma bomba atômica, aquecer pequenas doses de um plasma suficientemente denso de isótopos de hidrogênio a temperaturas de centenas de milhões de graus. Este problema é um dos mais difíceis da física aplicada moderna. Cientistas de todo o mundo vêm trabalhando nisso há muitos anos.
Já dissemos que é o movimento caótico das partículas que cria o aquecimento dos corpos, e a energia média de seu movimento aleatório corresponde à temperatura. Aquecer um corpo frio significa criar esse distúrbio de qualquer maneira.
Imagine que dois grupos de corredores estão correndo rapidamente um em direção ao outro. Então eles colidiram, se misturaram, começou uma multidão, confusão. Grande confusão!
Aproximadamente da mesma maneira, os físicos primeiro tentaram obter uma alta temperatura - empurrando jatos de gás de alta pressão. O gás foi aquecido até 10 mil graus. Ao mesmo tempo foi um recorde: a temperatura é mais alta do que na superfície do Sol.
Mas com esse método, o aquecimento adicional, bastante lento e não explosivo do gás é impossível, pois a desordem térmica se espalha instantaneamente em todas as direções, aquecendo as paredes da câmara experimental e o ambiente. O calor resultante sai rapidamente do sistema e é impossível isolá-lo.
Se os jatos de gás forem substituídos por fluxos de plasma, o problema do isolamento térmico continua muito difícil, mas também há esperança para sua solução.
É verdade que o plasma não pode ser protegido da perda de calor por vasos feitos até mesmo da substância mais refratária. Em contato com paredes sólidas, o plasma quente esfria imediatamente. Por outro lado, pode-se tentar segurar e aquecer o plasma criando seu acúmulo no vácuo para que ele não toque as paredes da câmara, mas fique pendurado no vazio, sem tocar em nada. Aqui deve-se aproveitar o fato de que as partículas de plasma não são neutras, como os átomos de gás, mas eletricamente carregadas. Portanto, em movimento, eles estão sujeitos à ação de forças magnéticas. Surge o problema: arranjar um campo magnético de configuração especial no qual o plasma quente ficaria pendurado como em uma bolsa com paredes invisíveis.
A forma mais simples de tal campo elétrico é criada automaticamente quando fortes pulsos de corrente elétrica passam pelo plasma. Neste caso, forças magnéticas são induzidas ao redor do filamento de plasma, que tendem a comprimir o filamento. O plasma se separa das paredes do tubo de descarga e a temperatura sobe para 2 milhões de graus perto do eixo do filamento em uma corrida de partículas.
Em nosso país, tais experimentos foram realizados já em 1950 sob a orientação dos Acadêmicos JI. A. Artsimovich e M.A. Leontovich.
Outra direção de experimentos é o uso de uma garrafa magnética, proposta em 1952 pelo físico soviético G. I. Budker, hoje acadêmico. A garrafa magnética é colocada em um corktron - uma câmara de vácuo cilíndrica equipada com um enrolamento externo, que engrossa nas extremidades da câmara. A corrente que flui através do enrolamento cria um campo magnético na câmara. Suas linhas de força na parte do meio são paralelas às geratrizes do cilindro, e nas extremidades são comprimidas e formam plugues magnéticos. As partículas de plasma injetadas em uma garrafa magnética se enrolam em torno das linhas de força e são refletidas pelas rolhas. Como resultado, o plasma é mantido dentro da garrafa por algum tempo. Se a energia das partículas de plasma introduzidas na garrafa for alta o suficiente e houver bastante delas, elas entram em interações de força complexas, seu movimento inicialmente ordenado fica emaranhado, fica desordenado - a temperatura dos núcleos de hidrogênio sobe para dezenas de milhões de graus .
O aquecimento adicional é obtido por eletromagnetismo<ударами>por plasma, compressão de campo magnético, etc. Agora o plasma de núcleos pesados ​​de hidrogênio é aquecido a centenas de milhões de graus. É verdade que isso pode ser feito por um curto período de tempo ou com baixa densidade de plasma.
Para excitar uma reação auto-sustentável, é necessário aumentar ainda mais a temperatura e a densidade do plasma. Isso é difícil de conseguir. No entanto, o problema, como os cientistas estão convencidos, é inegavelmente solucionável.

G.B. Anfilov

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ZERO ABSOLUTO

ZERO ABSOLUTO, a temperatura na qual todos os componentes do sistema possuem a menor quantidade de energia permitida pelas leis da MECÂNICA QUÂNTICA; zero na escala de temperatura Kelvin, ou -273,15 ° C (-459,67 ° Fahrenheit). A esta temperatura, a entropia do sistema - a quantidade de energia disponível para realizar trabalho útil - também é zero, embora a quantidade total de energia do sistema possa ser diferente de zero.

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