Bezwzględna temperatura zero odpowiada 273,15 stopni Celsjusza poniżej zera, 459,67 poniżej zera Fahrenheita. W skali Kelvina sama ta temperatura jest punktem zerowym.

Istota temperatury zera absolutnego

Pojęcie zera absolutnego wywodzi się z samej istoty temperatury. Każde ciało uwalniane do środowiska zewnętrznego w trakcie. Jednocześnie spada temperatura ciała, tj. pozostaje mniej energii. Teoretycznie proces ten może trwać do momentu, aż ilość energii osiągnie takie minimum, że organizm nie będzie już w stanie jej oddawać.
Dalekiego zwiastuna takiego pomysłu można już znaleźć u M.V. Wielki rosyjski naukowiec wyjaśnił ciepło ruchem „obrotowym”. W konsekwencji maksymalny stopień ochłodzenia oznacza całkowite zatrzymanie takiego ruchu.

Według współczesnych koncepcji temperatura zera absolutnego to temperatura, w której cząsteczki mają najniższy możliwy poziom energii. Przy mniejszej energii, tj. w niższej temperaturze nie może istnieć żadne ciało fizyczne.

Teoria i praktyka

Temperatura zera bezwzględnego to koncepcja teoretyczna; w praktyce nie da się jej osiągnąć w zasadzie nawet w laboratoriach naukowych wyposażonych w najbardziej wyrafinowany sprzęt. Naukowcom udaje się jednak schłodzić substancję do bardzo niskich temperatur, bliskich zera absolutnego.

W takich temperaturach substancje zyskują niesamowite właściwości, których nie mogą mieć w normalnych okolicznościach. Rtęć, nazywana „żywym srebrem”, bo znajdująca się w stanie zbliżonym do cieczy, w tej temperaturze przybiera postać stałą – do tego stopnia, że ​​można nią wbijać gwoździe. Niektóre metale stają się kruche, jak szkło. Guma staje się równie twarda. Jeśli uderzysz młotkiem w gumowy przedmiot o temperaturze bliskiej zera absolutnego, pęknie on jak szkło.

Ta zmiana właściwości jest również związana z naturą ciepła. Im wyższa temperatura ciała fizycznego, tym intensywniejsze i chaotyczne są ruchy cząsteczek. Wraz ze spadkiem temperatury ruch staje się mniej intensywny, a struktura staje się bardziej uporządkowana. Zatem gaz staje się cieczą, a ciecz ciałem stałym. Najwyższym poziomem porządku jest struktura krystaliczna. W bardzo niskich temperaturach przyswajają go nawet substancje, które normalnie pozostają amorficzne, takie jak guma.

Ciekawe zjawiska zachodzą także w przypadku metali. Atomy sieci krystalicznej wibrują z mniejszą amplitudą, zmniejsza się rozpraszanie elektronów, a co za tym idzie, maleje opór elektryczny. Metal zyskuje nadprzewodnictwo, którego praktyczne zastosowanie wydaje się bardzo kuszące, choć trudne do osiągnięcia.

Źródła:

• Livanova A. Niskie temperatury, zero absolutne i mechanika kwantowa

Ciało– to jedno z podstawowych pojęć w fizyce, które oznacza formę istnienia materii lub substancji. Jest to przedmiot materialny, który charakteryzuje się objętością i masą, czasem także innymi parametrami. Ciało fizyczne jest wyraźnie oddzielone od innych ciał granicą. Istnieje kilka specjalnych typów ciał fizycznych; ich wykazu nie należy rozumieć jako klasyfikacji.

W mechanice ciało fizyczne rozumiane jest najczęściej jako punkt materialny. Jest to rodzaj abstrakcji, której główną właściwością jest to, że dla rozwiązania konkretnego problemu można pominąć rzeczywiste wymiary ciała. Innymi słowy, punkt materialny to bardzo specyficzny obiekt, który ma wymiary, kształt i inne podobne cechy, ale nie są one istotne dla rozwiązania istniejącego problemu. Na przykład, jeśli chcesz policzyć obiekt na określonym odcinku ścieżki, możesz całkowicie zignorować jego długość podczas rozwiązywania problemu. Innym rodzajem ciała fizycznego rozważanym przez mechanikę jest ciało absolutnie sztywne. Mechanika takiego ciała jest dokładnie taka sama jak mechanika punktu materialnego, ale dodatkowo ma inne właściwości. Ciało absolutnie sztywne składa się z punktów, ale ani odległość między nimi, ani rozkład masy nie zmieniają się pod wpływem obciążeń, jakim poddawane jest ciało. Oznacza to, że nie można go odkształcić. Aby określić położenie ciała absolutnie sztywnego, wystarczy podać dołączony do niego układ współrzędnych, zwykle kartezjański. W większości przypadków środek masy jest jednocześnie środkiem układu współrzędnych. Nie ma ciała absolutnie sztywnego, ale do rozwiązania wielu problemów taka abstrakcja jest bardzo wygodna, chociaż nie jest brana pod uwagę w mechanice relatywistycznej, ponieważ przy ruchach, których prędkość jest porównywalna z prędkością światła, model ten wykazuje wewnętrzne sprzeczności. Przeciwieństwem ciała absolutnie sztywnego jest ciało odkształcalne,

Termin „temperatura” pojawił się w czasach, gdy fizycy uważali, że ciała ciepłe składają się z większej ilości określonej substancji – kalorycznej – niż te same ciała, ale zimne. Natomiast temperaturę interpretowano jako wartość odpowiadającą ilości kalorii w organizmie. Od tego czasu temperaturę każdego ciała mierzy się w stopniach. Ale tak naprawdę jest to miara energii kinetycznej poruszających się cząsteczek i na tej podstawie należy ją mierzyć w dżulach, zgodnie z Układem Jednostek C.

Pojęcie „temperatury zera absolutnego” wywodzi się z drugiej zasady termodynamiki. Według niej proces przenoszenia ciepła z ciała zimnego do gorącego jest niemożliwy. Koncepcję tę wprowadził angielski fizyk W. Thomson. Za osiągnięcia w fizyce nadano mu tytuł szlachecki „Lord” i tytuł „Baron Kelvin”. W 1848 roku W. Thomson (Kelvin) zaproponował zastosowanie skali temperatur, w której za punkt wyjścia przyjął temperaturę zera absolutnego, odpowiadającą skrajnemu zimnie, a za wartość podziału przyjął stopnie Celsjusza. Jednostką Kelvina jest 1/27316 temperatury punktu potrójnego wody (około 0 stopni C), tj. temperatura, w której czysta woda natychmiast występuje w trzech postaciach: lodu, wody w stanie ciekłym i pary. temperatura to najniższa możliwa niska temperatura, w której ruch cząsteczek zatrzymuje się i nie jest już możliwe wydobycie energii cieplnej z substancji. Od tego czasu jego imieniem nazwano bezwzględną skalę temperatury.

Temperaturę mierzy się różnymi skalami

Najczęściej stosowaną skalą temperatury nazywa się skalą Celsjusza. Opiera się na dwóch punktach: temperaturze przejścia fazowego wody z cieczy w parę i wody w lód. A. Celsjusz w 1742 roku zaproponował podzielenie odległości między punktami odniesienia na 100 przedziałów i przyjęcie wody za zero, przy czym temperatura zamarzania wynosi 100 stopni. Jednak Szwed K. Linneusz zaproponował coś odwrotnego. Od tego czasu woda zamarzła w temperaturze zera stopni Celsjusza. Chociaż powinien wrzeć dokładnie w stopniach Celsjusza. Zero absolutne Celsjusza odpowiada minus 273,16 stopni Celsjusza.

Istnieje kilka innych skal temperatur: Fahrenheita, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. Mają różne ceny podziału. Na przykład skala Reaumur również jest zbudowana na punktach odniesienia wrzenia i zamarzania wody, ale ma 80 działek. Skala Fahrenheita, która pojawiła się w 1724 r., jest używana w życiu codziennym tylko w niektórych krajach świata, w tym w USA; jedna to temperatura mieszaniny wody, lodu i amoniaku, a druga to temperatura ciała ludzkiego. Skala podzielona jest na sto działów. Zero Celsjusza odpowiada 32. Przeliczenia stopni na Fahrenheita można dokonać korzystając ze wzoru: F = 1,8 C + 32. Odwrotna konwersja: C = (F - 32)/1,8, gdzie: F - stopnie Fahrenheita, C - stopnie Celsjusza. Jeśli jesteś zbyt leniwy, aby liczyć, skorzystaj z usługi online umożliwiającej przeliczenie stopni Celsjusza na Fahrenheita. W polu wprowadź liczbę stopni Celsjusza, kliknij „Oblicz”, wybierz „Fahrenheita” i kliknij „Start”. Wynik pojawi się natychmiast.

Nazwany na cześć angielskiego (a dokładniej szkockiego) fizyka Williama J. Rankina, współczesnego Kelvinowi i jednego z twórców termodynamiki technicznej. Na jego skali są trzy ważne punkty: początek to zero absolutne, temperatura zamarzania wody wynosi 491,67 stopnia Rankine’a, a temperatura wrzenia wody wynosi 671,67 stopnia. Liczba podziałów między zamarzaniem wody a jej wrzeniem zarówno dla stopnia Rankine’a, jak i Fahrenheita wynosi 180.

Większość z tych skal jest używana wyłącznie przez fizyków. A 40% ankietowanych dzisiaj amerykańskich uczniów szkół średnich stwierdziło, że nie wie, czym jest temperatura zera bezwzględnego.

Absolutna temperatura zera

Przyjmuje się, że graniczna temperatura, w której objętość gazu doskonałego staje się równa zeru, wynosi: temperatura zera absolutnego.

Znajdźmy wartość zera absolutnego w skali Celsjusza.
Zrównanie objętości V we wzorze (3.1) zero i biorąc to pod uwagę

.

Stąd temperatura zera bezwzględnego

T= –273°C. 2

Jest to ekstremalna, najniższa temperatura w przyrodzie, „największy lub ostatni stopień zimna”, którego istnienie przepowiedział Łomonosow.

Najwyższe temperatury na Ziemi – setki milionów stopni – osiągane są podczas eksplozji bomb termojądrowych. Jeszcze wyższe temperatury są typowe dla wewnętrznych obszarów niektórych gwiazd.

2Dokładniejsza wartość zera absolutnego: –273,15 °C.

Skala Kelvina

Przedstawił angielski naukowiec W. Kelvin skala absolutna temperatury Temperatura zerowa w skali Kelvina odpowiada zeru absolutnemu, a jednostką temperatury w tej skali jest stopień w skali Celsjusza, a więc temperatura bezwzględna T jest powiązany z temperaturą w skali Celsjusza za pomocą wzoru

T = t + 273. (3.2)

Na ryc. 3.2 pokazuje skalę bezwzględną i skalę Celsjusza dla porównania.

Nazywa się jednostką temperatury bezwzględnej w układzie SI kelwin(w skrócie K). Dlatego jeden stopień w skali Celsjusza jest równy jednemu stopniowi w skali Kelvina:

Zatem temperatura bezwzględna, zgodnie z definicją podaną wzorem (3.2), jest wielkością pochodną zależną od temperatury Celsjusza i wyznaczonej eksperymentalnie wartości a.

Czytelnik: Jakie znaczenie fizyczne ma temperatura bezwzględna?

Zapiszmy wyrażenie (3.1) w postaci

.

Biorąc pod uwagę, że temperatura w skali Kelvina jest powiązana z temperaturą w skali Celsjusza poprzez zależność T = t + 273, otrzymujemy

Gdzie T 0 = 273 K, lub

Ponieważ ta zależność obowiązuje dla dowolnej temperatury T, wówczas prawo Gay-Lussaca można sformułować w następujący sposób:

Dla danej masy gazu przy p = const zachodzi następująca zależność:

Zadanie 3.1. W temperaturze T 1 = objętość gazu 300 K V 1 = 5,0 l. Wyznacz objętość gazu przy tym samym ciśnieniu i temperaturze T= 400 tys.

ZATRZYMYWAĆ SIĘ! Zdecyduj sam: A1, B6, C2.

Problem 3.2. Podczas ogrzewania izobarycznego objętość powietrza wzrosła o 1%. O ile procent wzrosła temperatura bezwzględna?

= 0,01.

Odpowiedź: 1 %.

Zapamiętajmy wynikową formułę

ZATRZYMYWAĆ SIĘ! Zdecyduj sam: A2, A3, B1, B5.

Prawo Charlesa

Francuski naukowiec Charles ustalił eksperymentalnie, że jeśli gaz zostanie podgrzany do stałej objętości, ciśnienie gazu wzrośnie. Zależność ciśnienia od temperatury ma postać:

R(T) = P 0 (1 + b T), (3.6)

Gdzie R(T) – ciśnienie w temperaturze T°C; R 0 – ciśnienie w temperaturze 0°C; b jest temperaturowym współczynnikiem ciśnienia, który jest taki sam dla wszystkich gazów: 1/K.

Czytelnik: Co zaskakujące, współczynnik temperaturowy ciśnienia b jest dokładnie równy współczynnikowi temperaturowemu rozszerzalności objętościowej a!

Weźmy pewną masę gazu o objętości V 0 w temperaturze T 0 i ciśnienie R 0. Po raz pierwszy utrzymując stałe ciśnienie gazu podgrzewamy go do temp T 1. Wtedy gaz będzie miał objętość V 1 = V 0 (1 + a T) i ciśnienie R 0 .

Za drugim razem, utrzymując stałą objętość gazu, podgrzewamy go do tej samej temperatury T 1. Wtedy gaz będzie miał ciśnienie R 1 = R 0 (1 + b T) i głośność V 0 .

Ponieważ w obu przypadkach temperatura gazu jest taka sama, obowiązuje prawo Boyle’a–Mariotte’a:

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.

Nic więc dziwnego, że a = b, nie!

Przepiszmy prawo Charlesa w postaci

.

Biorąc pod uwagę, że T = T°С + 273 °С, T 0 = 273 °C, otrzymujemy

Zero absolutne odpowiada temperaturze -273,15 °C.

Uważa się, że zero absolutne jest w praktyce nieosiągalne. Jej istnienie i położenie na skali temperatury wynika z ekstrapolacji obserwowanych zjawisk fizycznych, a z takiej ekstrapolacji wynika, że ​​przy zera absolutnym energia ruchu termicznego cząsteczek i atomów substancji powinna być równa zeru, czyli chaotycznego ruchu cząstek przystanki i tworzą uporządkowaną strukturę, zajmując wyraźne miejsce w węzłach sieci krystalicznej. Jednak w rzeczywistości nawet w temperaturze zera absolutnego regularne ruchy cząstek tworzących materię pozostaną. Pozostałe oscylacje, takie jak oscylacje punktu zerowego, wynikają z właściwości kwantowych cząstek i otaczającej je próżni fizycznej.

Obecnie w laboratoriach fizycznych udało się uzyskać temperatury przekraczające zero absolutne zaledwie o kilka milionowych stopnia; samo osiągnięcie tego, zgodnie z prawami termodynamiki, jest niemożliwe.

Notatki

Literatura

• G. Burmina. Atak na zero absolutne. - M.: „Literatura dla dzieci”, 1983.

Zobacz też

Fundacja Wikimedia. 2010.

Synonimy:

Zobacz, co oznacza „zero absolutne” w innych słownikach:

Temperatury, pochodzenie temperatury w termodynamicznej skali temperatur (patrz TERMODYNAMICZNA SKALA TEMPERATURY). Zero absolutne znajduje się 273,16 °C poniżej temperatury punktu potrójnego (patrz PUNKT POTRÓJNY) wody, dla której przyjmuje się ... ... słownik encyklopedyczny

Temperatury, pochodzenie temperatury w termodynamicznej skali temperatur. Zero absolutne znajduje się 273,16°C poniżej temperatury punktu potrójnego wody (0,01°C). Zero absolutne jest w zasadzie nieosiągalne, temperatury prawie osiągnęły... ... Nowoczesna encyklopedia

Temperatury są punktem wyjścia dla temperatury w termodynamicznej skali temperatur. Zero absolutne znajduje się w temperaturze 273,16°C poniżej temperatury punktu potrójnego wody, dla której wartość wynosi 0,01°C. Zero absolutne jest zasadniczo nieosiągalne (patrz... ... Wielki słownik encyklopedyczny

Temperatura, która wyraża brak ciepła, wynosi 218° C. Słownik słów obcych zawarty w języku rosyjskim. Pavlenkov F., 1907. Temperatura zera absolutnego (fizyczna) - najniższa możliwa temperatura (273,15°C). Wielki słownik... ... Słownik obcych słów języka rosyjskiego

zero absolutne- Ekstremalnie niska temperatura, w której zatrzymuje się ruch termiczny cząsteczek; w skali Kelvina zero absolutne (0°K) odpowiada –273,16±0,01°C... Słownik geografii

Rzeczownik, liczba synonimów: 15 okrągłych zer (8) mały człowiek (32) mały narybek ... Słownik synonimów

Ekstremalnie niska temperatura, w której zatrzymuje się ruch termiczny cząsteczek. Zgodnie z prawem Boyle’a-Mariotte’a ciśnienie i objętość gazu doskonałego stają się równe zeru, a za początek temperatury bezwzględnej w skali Kelvina przyjmuje się... ... Słownik ekologiczny

zero absolutne- - [A.S. Goldberg. Angielsko-rosyjski słownik energii. 2006] Tematyka energii ogólnie EN punkt zerowy ... Przewodnik tłumacza technicznego

Początek bezwzględnego odniesienia temperatury. Odpowiada 273,16° C. Obecnie w laboratoriach fizycznych udało się uzyskać temperaturę przekraczającą zero absolutne zaledwie o kilka milionowych stopnia i osiągnąć ją, zgodnie z prawami... ... Encyklopedia Colliera

zero absolutne- absoliutusis nulis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. Tai 273,16 °C, 459,69 °F arba 0 K temp. atitikmenys: pol.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

zero absolutne- absoliutusis nulis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). atitikmenys: pol. absolutne zero rosyjski. zero absolutne... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Kiedy prognoza pogody przewiduje temperatury bliskie zeru, nie należy chodzić na lodowisko: lód się stopi. Za temperaturę topnienia lodu przyjmuje się zero stopni Celsjusza, co jest najczęstszą skalą temperatur.
Dobrze znamy skalę ujemnych stopni Celsjusza – stopni<ниже нуля>, stopnie zimna. Najniższą temperaturę na Ziemi zanotowano na Antarktydzie: -88,3°C. Jeszcze niższe temperatury są możliwe poza Ziemią: na powierzchni Księżyca o północy księżycowej może ona osiągnąć -160°C.
Jednak dowolnie niskie temperatury nie mogą występować nigdzie. Ekstremalnie niska temperatura – zero absolutne – w skali Celsjusza odpowiada – 273,16°.
Absolutna skala temperatury, skala Kelvina, wywodzi się z zera absolutnego. Lód topi się w temperaturze 273,16° Kelvina, a woda wrze w temperaturze 373,16° K. Zatem stopień K jest równy stopniowi C. Ale w skali Kelvina wszystkie temperatury są dodatnie.
Dlaczego 0°K jest granicą zimna?
Ciepło to chaotyczny ruch atomów i cząsteczek substancji. Kiedy substancja jest schładzana, energia cieplna jest z niej usuwana, a losowy ruch cząstek zostaje osłabiony. Docelowo przy mocnym chłodzeniu termicznym<пляска>cząstki prawie całkowicie się zatrzymują. Atomy i cząsteczki zamarzłyby całkowicie w temperaturze, którą przyjmuje się za zero absolutne. Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej w temperaturze zera absolutnego ustałby ruch termiczny cząstek, ale same cząstki nie zamarzłyby, ponieważ nie mogą znajdować się w całkowitym spoczynku. Zatem w temperaturze zera absolutnego cząstki muszą nadal utrzymywać pewien rodzaj ruchu, który nazywa się ruchem zerowym.

Jednak schłodzenie substancji do temperatury poniżej zera absolutnego jest pomysłem równie bezsensownym, jak, powiedzmy, zamiar<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Co więcej, nawet osiągnięcie dokładnego zera absolutnego jest prawie niemożliwe. Można się tylko do niego zbliżyć. Ponieważ w żadnym wypadku nie można odebrać substancji absolutnie całej energii cieplnej. Część energii cieplnej pozostaje w stanie najgłębszego chłodzenia.
Jak osiągnąć ultraniskie temperatury?
Zamrożenie substancji jest trudniejsze niż jej podgrzanie. Widać to nawet po porównaniu konstrukcji kuchenki i lodówki.
W większości lodówek domowych i przemysłowych ciepło jest usuwane w wyniku odparowania specjalnej cieczy - freonu, która krąży w metalowych rurkach. Sekret polega na tym, że freon może pozostać w stanie ciekłym tylko w wystarczająco niskiej temperaturze. W komorze lodówki ze względu na ciepło komory nagrzewa się i wrze, zamieniając się w parę. Ale para jest sprężana przez sprężarkę, skroplona i wchodzi do parownika, uzupełniając utratę odparowanego freonu. Do pracy sprężarki zużywana jest energia.
W urządzeniach do głębokiego chłodzenia nośnikiem zimna jest ultrazimna ciecz – ciekły hel. Bezbarwny, lekki (8 razy lżejszy od wody), wrze pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 4,2°K, a w próżni w temperaturze 0,7°K. Jeszcze niższą temperaturę podaje lekki izotop helu: 0,3°K.
Założenie stałej lodówki helowej jest dość trudne. Badania przeprowadza się po prostu w kąpielach z ciekłym helem. Aby skroplić ten gaz, fizycy stosują różne techniki. Na przykład wstępnie schłodzony i sprężony hel jest rozprężany i uwalniany przez cienki otwór do komory próżniowej. Jednocześnie temperatura dalej spada i część gazu zamienia się w ciecz. Bardziej efektywne jest nie tylko rozprężenie schłodzonego gazu, ale także zmuszenie go do wykonania pracy - poruszenia tłoka.
Powstały ciekły hel przechowywany jest w specjalnych termosach - kolbach Dewara. Koszt tego bardzo zimnego płynu (jedynego, który nie zamarza w temperaturze zera absolutnego) okazuje się dość wysoki. Niemniej jednak ciekły hel znajduje obecnie coraz szersze zastosowanie nie tylko w nauce, ale także w różnych urządzeniach technicznych.
Najniższe temperatury osiągnięto w inny sposób. Okazuje się, że cząsteczki niektórych soli, na przykład ałunu potasowo-chromowego, mogą obracać się wzdłuż linii sił magnetycznych. Sól tę wstępnie schładza się ciekłym helem do temperatury 1°K i umieszcza w silnym polu magnetycznym. W tym przypadku cząsteczki obracają się wzdłuż linii siły, a uwolnione ciepło jest odbierane przez ciekły hel. Następnie pole magnetyczne zostaje gwałtownie usunięte, cząsteczki ponownie obracają się w różnych kierunkach i ulegają zużyciu

Praca ta prowadzi do dalszego schładzania soli. W ten sposób uzyskaliśmy temperaturę 0,001° K. Stosując w zasadzie podobną metodę, stosując inne substancje, możemy uzyskać jeszcze niższą temperaturę.
Najniższa temperatura uzyskana dotychczas na Ziemi to 0,00001° K.

Nadciekłość

Substancja zamrożona do bardzo niskich temperatur w kąpielach z ciekłym helem zmienia się zauważalnie. Guma staje się krucha, ołów staje się twardy jak stal i elastyczny, wiele stopów zwiększa wytrzymałość.

Sam ciekły hel zachowuje się w szczególny sposób. W temperaturach poniżej 2,2° K nabiera właściwości niespotykanej dla zwykłych cieczy – nadciekłości: część z nich całkowicie traci lepkość i przepływa przez najwęższe pęknięcia bez żadnego tarcia.
Zjawisko to odkrył w 1937 roku radziecki fizyk akademik P. JI. Kapitsa, został następnie wyjaśniony przez akademika JI. D. Landaua.
Okazuje się, że w ultraniskich temperaturach kwantowe prawa zachowania materii zaczynają mieć zauważalny wpływ. Jak wymaga jedno z tych praw, energia może być przekazywana z ciała na ciało tylko w ściśle określonych porcjach – kwantach. Kwantów ciepła w ciekłym helu jest tak mało, że nie wystarczy ich dla wszystkich atomów. Część cieczy pozbawiona kwantów ciepła pozostaje jakby w temperaturze zera absolutnego; jej atomy w ogóle nie uczestniczą w przypadkowym ruchu termicznym i nie oddziałują w żaden sposób ze ściankami naczynia. Ta część (nazywana helem-H) ma nadciekłość. Wraz ze spadkiem temperatury hel-P staje się coraz bardziej powszechny, a przy zera absolutnym cały hel zamieni się w hel-H.
Nadciekłość została obecnie szczegółowo zbadana i znalazła nawet przydatne zastosowanie praktyczne: za jej pomocą można rozdzielać izotopy helu.

Nadprzewodnictwo

W pobliżu zera absolutnego zachodzą niezwykle interesujące zmiany we właściwościach elektrycznych niektórych materiałów.
W 1911 roku holenderski fizyk Kamerlingh Onnes dokonał nieoczekiwanego odkrycia: okazało się, że w temperaturze 4,12 ° K opór elektryczny w rtęci całkowicie zanika. Rtęć staje się nadprzewodnikiem. Prąd elektryczny indukowany w pierścieniu nadprzewodzącym nie gaśnie i może płynąć niemal w nieskończoność.
Nad takim pierścieniem nadprzewodząca kulka będzie unosić się w powietrzu i nie spadać, jak w bajce<гроб Магомета>, ponieważ jego ciężar jest kompensowany przez odpychanie magnetyczne pomiędzy pierścieniem a kulką. Przecież ciągły prąd w pierścieniu wytworzy pole magnetyczne, a to z kolei indukuje prąd elektryczny w kuli, a wraz z nim przeciwnie skierowane pole magnetyczne.
Oprócz rtęci cyna, ołów, cynk i aluminium mają nadprzewodnictwo bliskie zera absolutnego. Właściwość tę stwierdzono w 23 pierwiastkach i ponad stu różnych stopach i innych związkach chemicznych.
Temperatury, w których pojawia się nadprzewodnictwo (temperatury krytyczne) obejmują dość szeroki zakres - od 0,35° K (hafn) do 18° K (stop niobowo-cynowy).
Zjawisko nadprzewodnictwa, podobnie jak super-
Płynność została szczegółowo zbadana. Stwierdzono zależności temperatur krytycznych od wewnętrznej struktury materiałów i zewnętrznego pola magnetycznego. Opracowano głęboką teorię nadprzewodnictwa (ważny wkład wniósł radziecki naukowiec, akademik N. N. Bogolyubov).
Istota tego paradoksalnego zjawiska jest ponownie czysto kwantowa. W ultraniskich temperaturach elektrony

nadprzewodnik tworzy układ połączonych parami cząstek, które nie mogą przekazywać energii sieci krystalicznej ani marnować kwantów energii na jej ogrzewanie. Pary elektronów poruszają się jakby<танцуя>, między<прутьями решетки>- jony i ominąć je bez kolizji i transferu energii.
Nadprzewodnictwo jest coraz częściej wykorzystywane w technologii.
W praktyce wykorzystuje się na przykład solenoidy nadprzewodzące – cewki nadprzewodnika zanurzone w ciekłym helu. Raz wyindukowany prąd, a co za tym idzie pole magnetyczne, można w nich magazynować dowolnie długo. Może osiągnąć gigantyczne rozmiary – ponad 100 000 oerstedów. W przyszłości niewątpliwie pojawią się potężne przemysłowe urządzenia nadprzewodzące - silniki elektryczne, elektromagnesy itp.
W elektronice radiowej znaczącą rolę zaczynają odgrywać ultraczułe wzmacniacze i generatory fal elektromagnetycznych, które szczególnie dobrze sprawdzają się w kąpielach z ciekłym helem – tam<шумы>sprzęt. W elektronicznej technologii komputerowej rysuje się świetlana przyszłość dla przełączników nadprzewodzących małej mocy - kriotronów (patrz art.<Пути электроники>).
Nietrudno sobie wyobrazić, jak kuszące byłoby przeniesienie działania tego typu urządzeń w obszar wyższych, bardziej dostępnych temperatur. Ostatnio odkryto nadzieję na stworzenie nadprzewodników z powłoką polimerową. Specyficzny charakter przewodności elektrycznej takich materiałów stwarza doskonałą okazję do utrzymania nadprzewodnictwa nawet w temperaturach pokojowych. Naukowcy nieustannie szukają sposobów na urzeczywistnienie tej nadziei.

W głębi gwiazd

A teraz zajrzyjmy do krainy najgorętszej rzeczy na świecie – w głąb gwiazd. Gdzie temperatury sięgają milionów stopni.
Przypadkowy ruch termiczny w gwiazdach jest tak intensywny, że nie mogą tam istnieć całe atomy: ulegają one zniszczeniu w niezliczonych zderzeniach.
Substancja tak gorąca nie może zatem być ani stała, ani ciekła, ani gazowa. Występuje w stanie plazmy, czyli mieszaniny naładowanej elektrycznie<осколков>atomy - jądra atomowe i elektrony.
Plazma to wyjątkowy stan materii. Ponieważ jego cząstki są naładowane elektrycznie, są wrażliwe na siły elektryczne i magnetyczne. Dlatego bliskie sąsiedztwo dwóch jąder atomowych (niosą one ładunek dodatni) jest zjawiskiem rzadkim. Tylko przy dużych gęstościach i ogromnych temperaturach jądra atomowe zderzając się ze sobą, są w stanie zbliżyć się do siebie. Zachodzą wtedy reakcje termojądrowe – źródło energii gwiazd.
Najbliższa nam gwiazda, Słońce, składa się głównie z plazmy wodorowej, która w wnętrznościach gwiazdy jest podgrzewana do temperatury 10 milionów stopni. W takich warunkach dochodzi do bliskich spotkań szybkich jąder wodoru – protonów, chociaż rzadko. Czasami protony, które się zbliżają, wchodzą w interakcję: pokonując odpychanie elektryczne, szybko wpadają w moc gigantycznych nuklearnych sił przyciągania<падают>jeden na drugim i łączą się. Tutaj następuje natychmiastowa restrukturyzacja: zamiast dwóch protonów pojawia się deuteron (jądro ciężkiego izotopu wodoru), pozyton i neutrino. Uwolniona energia wynosi 0,46 miliona elektronowoltów (MeV).
Każdy pojedynczy proton słoneczny może wejść w taką reakcję średnio raz na 14 miliardów lat. Ale w trzewiach światła jest tak wiele protonów, że tu i ówdzie ma miejsce to nieprawdopodobne wydarzenie - a nasza gwiazda płonie swoim równym, oślepiającym płomieniem.
Synteza deuteronów to dopiero pierwszy etap słonecznych przemian termojądrowych. Nowo narodzony deuteron bardzo szybko (średnio po 5,7 sekundy) łączy się z innym protonem. Pojawia się lekkie jądro helu i kwant gamma promieniowania elektromagnetycznego. Wydziela się 5,48 MeV energii.
Wreszcie średnio raz na milion lat dwa lekkie jądra helu mogą zbiegać się i łączyć. Następnie tworzy się jądro zwykłego helu (cząstka alfa) i oddzielają się dwa protony. Uwalnia się energia 12,85 MeV.
Ten trzyetapowy<конвейер>reakcje termojądrowe nie są jedyne. Istnieje inny łańcuch przemian jądrowych, szybszy. Uczestniczą w nim (nie ulegając zużyciu) jądra atomowe węgla i azotu. Ale w obu opcjach cząstki alfa są syntetyzowane z jąder wodoru. Mówiąc obrazowo, plazma wodorowa Słońca<сгорает>, zamieniając się<золу>- plazma helowa. A podczas syntezy każdego grama plazmy helowej uwalniane jest 175 tysięcy kWh energii. Świetna ilość!
Co sekundę Słońce emituje 41033 erg energii, tracąc 41012 g (4 miliony ton) materii. Ale całkowita masa Słońca wynosi 21027 ton. Oznacza to, że za milion lat Słońce będzie działać pod wpływem promieniowania<худеет>tylko jedną dziesięciomilionową jego masy. Liczby te wymownie ilustrują skuteczność reakcji termojądrowych i gigantyczną wartość opałową energii słonecznej.<горючего>- wodór.
Najwyraźniej synteza termojądrowa jest głównym źródłem energii wszystkich gwiazd. Przy różnych temperaturach i gęstościach wnętrz gwiazd zachodzą różnego rodzaju reakcje. W szczególności słoneczne<зола>-jądra helu - przy 100 milionach stopni same stają się termojądrowe<горючим>. Wtedy z cząstek alfa można syntetyzować nawet cięższe jądra atomowe – węgiel, a nawet tlen.
Według wielu naukowców cała nasza Metagalaktyka jest także owocem syntezy termojądrowej, która odbyła się w temperaturze miliarda stopni (patrz art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

W stronę sztucznego słońca

Wyjątkowa wartość opałowa termojądrowa<горючего>skłoniło naukowców do osiągnięcia sztucznego wdrożenia reakcji syntezy jądrowej.
<Горючего>- Na naszej planecie występuje wiele izotopów wodoru. Na przykład superciężki wodorotryt można wytwarzać z metalicznego litu w reaktorach jądrowych. A ciężki wodór - deuter jest częścią ciężkiej wody, którą można wydobyć ze zwykłej wody.
Ciężki wodór wydobyty z dwóch szklanek zwykłej wody wytworzyłby w reaktorze termojądrowym tyle samo energii, ile obecnie wytwarza się w wyniku spalania beczki najwyższej jakości benzyny.
Trudność polega na podgrzaniu<горючее>do temperatur, w których może zapalić się od silnego ognia termojądrowego.
Problem ten został po raz pierwszy rozwiązany w bombie wodorowej. Izotopy wodoru ulegają tam zapaleniu w wyniku eksplozji bomby atomowej, której towarzyszy ogrzewanie substancji do wielu dziesiątek milionów stopni. W jednej z wersji bomby wodorowej paliwem termojądrowym jest związek chemiczny ciężkiego wodoru z lekkim litem – lekki deuterek litu. Ten biały proszek, podobny do soli kuchennej,<воспламеняясь>z<спички>, który jest bombą atomową, natychmiast eksploduje i wytwarza temperaturę setek milionów stopni.
Aby zainicjować pokojową reakcję termojądrową, trzeba najpierw nauczyć się podgrzewać małe dawki wystarczająco gęstej plazmy izotopów wodoru do temperatur setek milionów stopni bez użycia bomby atomowej. Problem ten jest jednym z najtrudniejszych we współczesnej fizyce stosowanej. Naukowcy na całym świecie pracują nad tym od wielu lat.
Powiedzieliśmy już, że to chaotyczny ruch cząstek powoduje ogrzewanie ciał, a średnia energia ich przypadkowego ruchu odpowiada temperaturze. Ogrzać zimne ciało oznacza w jakikolwiek sposób wywołać to zaburzenie.
Wyobraź sobie dwie grupy biegaczy pędzących ku sobie. Więc zderzyli się, pomieszali, zaczęło się zauroczenie i zamieszanie. Wielki bałagan!
W podobny sposób fizycy początkowo próbowali uzyskać wysokie temperatury – zderzając strumienie gazu pod wysokim ciśnieniem. Gaz rozgrzał się do 10 tysięcy stopni. Kiedyś był to rekord: temperatura była wyższa niż na powierzchni Słońca.
Ale dzięki tej metodzie dalsze, raczej powolne, niewybuchowe nagrzewanie gazu jest niemożliwe, ponieważ zaburzenie termiczne natychmiast rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach, ogrzewając ściany komory doświadczalnej i otoczenie. Powstałe ciepło szybko opuszcza system i nie da się go odizolować.
Jeśli strumienie gazu zostaną zastąpione przepływami plazmy, problem izolacji termicznej pozostaje bardzo trudny, ale jest też nadzieja na jego rozwiązanie.
To prawda, że ​​\u200b\u200bplazmy nie można chronić przed utratą ciepła za pomocą naczyń wykonanych z nawet najbardziej ogniotrwałej substancji. W kontakcie z litymi ścianami gorąca plazma natychmiast się ochładza. Można jednak spróbować utrzymać i ogrzać plazmę, tworząc jej akumulację w próżni tak, aby nie dotykała ścian komory, lecz wisiała w pustce, nie dotykając niczego. Tutaj powinniśmy skorzystać z faktu, że cząstki plazmy nie są obojętne, jak atomy gazu, ale naładowane elektrycznie. Dlatego podczas ruchu są narażone na działanie sił magnetycznych. Powstaje zadanie: wytworzyć pole magnetyczne o specjalnej konfiguracji, w którym gorąca plazma wisiałaby jak w worku o niewidzialnych ściankach.
Najprostsza forma takiej plazmy powstaje automatycznie, gdy przez plazmę przepuszczane są silne impulsy prądu elektrycznego. W tym przypadku wokół przewodu plazmowego indukowane są siły magnetyczne, które mają tendencję do ściskania przewodu. Plazma oddziela się od ścianek rury wyładowczej, a na osi kordu w kruszeniu cząstek temperatura wzrasta do 2 milionów stopni.
W naszym kraju takie eksperymenty przeprowadzono już w 1950 roku pod przewodnictwem naukowców JI. A. Artsimovich i M. A. Leontovich.
Innym kierunkiem eksperymentów jest zastosowanie butelki magnetycznej, zaproponowane w 1952 roku przez radzieckiego fizyka G.I. Budkera, obecnie akademika. Butelka magnetyczna umieszczona jest w komorze korkowej – cylindrycznej komorze próżniowej wyposażonej w zewnętrzne uzwojenie, które jest skondensowane na końcach komory. Prąd przepływający przez uzwojenie wytwarza w komorze pole magnetyczne. Jego linie pola w środkowej części są położone równolegle do tworzących cylindra, a na końcach są ściśnięte i tworzą korki magnetyczne. Cząsteczki plazmy wstrzyknięte do butelki magnetycznej owijają się wokół linii pola i odbijają się od świec. Dzięki temu osocze pozostaje przez pewien czas w butelce. Jeśli energia cząstek plazmy wprowadzonych do butelki jest wystarczająco duża i jest ich wystarczająco dużo, wchodzą one w złożone oddziaływania siłowe, ich początkowo uporządkowany ruch zostaje zdezorientowany, zostaje zaburzony - temperatura jąder wodoru wzrasta do kilkudziesięciu milionów stopni Celsjusza stopni.
Dodatkowe ogrzewanie uzyskuje się za pomocą elektromagnetycznego<ударами>przez plazmę, kompresję pola magnetycznego itp. Obecnie plazma ciężkich jąder wodoru jest podgrzewana do setek milionów stopni. To prawda, że ​​​​można to zrobić albo przez krótki czas, albo przy niskiej gęstości plazmy.
Aby zainicjować reakcję samopodtrzymującą, należy jeszcze bardziej zwiększyć temperaturę i gęstość plazmy. Jest to trudne do osiągnięcia. Jednak problem, jak są przekonani naukowcy, jest niewątpliwie możliwy do rozwiązania.

G.B. Anfiłow

Publikowanie zdjęć i cytowanie artykułów z naszego serwisu w innych zasobach jest dozwolone pod warunkiem podania linku do źródła i zdjęć.