Абсолютный нуль температуры

Предельную температуру, при которой объем идеального га­за становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры.

Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия.
Приравнивая объем V в формуле (3.1) нулю и учитывая, что

.

Отсюда абсолютный нуль температуры равен

t = –273 °С. 2

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

Наибольшие температуры на Земле – сотни миллионов граду­сов – получены при взрывах термоядерных бомб. Еще более высокие температуры характерны для внутренних областей некоторых звезд.

2Более точное значение абсолютного нуля: –273,15 °С.

Шкала Кельвина

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

Т = t + 273. (3.2)

На рис. 3.2 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.

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

Таким образом, абсолютная температура по определению, да­ваемому формулой (3.2), являет­ся производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения a.

Читатель: А какой физический смысл имеет абсолютная температура?

Запишем выражение (3.1) в виде

.

Учитывая, что температура по шкале Кельвина связана с температурой по шкале Цельсия соотношением Т = t + 273, получим

где Т 0 = 273 К, или

Поскольку это соотношение справедливо для произвольной температуры Т , то закон Гей-Люссака можно сформулировать так:

Для данной массы газа при р = const выполняется соотношение

Задача 3.1. При температуре Т 1 = 300 К объем газа V 1 = 5,0 л. Определите объем газа при том же давлении и температуре Т = 400 К.

СТОП! Решите самостоятельно: А1, В6, С2.

Задача 3.2. При изобарическом нагревании объем воздуха увеличился на 1 %. На сколько процентов повысилась абсолютная температура?

= 0,01.

Ответ : 1 %.

Запомним полученную формулу

СТОП! Решите самостоятельно: А2, А3, В1, В5.

Закон Шарля

Французский ученый Шарль экспериментально установил, что если нагревать газ так, чтобы его объем оставался постоянным, то давление газа будет увеличиваться. Зависимость давления от температуры имеет вид:

р (t ) = p 0 (1 + bt ), (3.6)

где р (t ) – давление при температуре t °С; р 0 – давление при 0 °С; b – температурный коэффициент давления, который одинаков для всех газов: 1/К.

Читатель: Удивительно, что температурный коэффициент давления b в точности равен температурному коэффициенту объемного расширения a!

Возьмем определенную массу газа объемом V 0 при температуре Т 0 и давлении р 0 . В первый раз, поддерживая давление газа постоянным, нагреем его до температуры Т 1 . Тогда газ будет иметь объем V 1 = V 0 (1 + at ) и давление р 0 .

Во второй раз, поддерживая объем газа постоянным, нагреем его до той же температуры Т 1 . Тогда газ будет иметь давление р 1 = р 0 (1 + bt ) и объем V 0 .

Так как в обоих случаях температура газа одинакова, то справедлив закон Бойля–Мариотта:

p 0 V 1 = p 1 V 0 Þ р 0 V 0 (1 + at ) = р 0 (1 + bt )V 0 Þ

Þ 1 + at = 1 + bt Þ a = b.

Так что ничего удивительного в том, что a = b, нет!

Перепишем закон Шарля в виде

.

Учитывая, что Т = t °С + 273 °С, Т 0 = 273 °С, получим

Как вы думаете, где находится самое холодное место в нашей Вселенной? На сегодняшний день это Земля. К примеру, температура поверхности Луны -227 градусов по шкале Цельсия, а температура вакуума, окружающего нас, составляет 265 градусов ниже нуля. Однако в лаборатории на Земле человек может добиться температуры гораздо ниже, для изучения свойств материалов в условиях сверхнизких температур. Материалы, отдельные атомы и даже свет, подвергнутые экстремальному охлаждению, начинают проявлять непривычные свойства.

Первый эксперимент такого рода был поставлен в начале 20 века физиками, которые изучали электрические свойства ртути при сверхнизкой температуре. При -262 градуса по Цельсию ртуть начинает проявлять свойства сверхпроводимости, уменьшая сопротивление электрическому току практически до нуля. Дальнейшие эксперименты также выявили другие интересные свойства охлажденных материалов, включая сверхтекучесть, которая выражается в "просачивании" вещества сквозь твердые перегородки и из закрытых емкостей.

Наукой определена самая низкая достижимая температура - минус 273.15 градусов Цельсия, но практически такая температура недостижима. Практически, температура является приблизительной мерой энергии, заключенной в объекте, поэтому абсолютный ноль показывает, что тело ничего не излучает, и никакой энергии из этого объекта извлечь нельзя. Но несмотря на это, ученые пытаются подобраться как можно ближе к абсолютному нулю температуры, актуальный рекорд был поставлен в 2003 году в лаборатории Массачусетского института технологии. Ученым недотянули до абсолютного нуля всего 810 миллиардных долей градуса. Охлаждали они облако атомов натрия, удерживаемое на месте с помощью мощного магнитного поля.

Казалось бы - в чем прикладной смысл таких опытов? Оказывается, исследователей интересует такое понятие как конденсат Бозе-Эйнштейна, которое представляет собой особое состояние вещества - не газ, твердое или жидкое, а просто облако атомов с одинаковым квантовым состоянием. Такая форма вещества была предсказана Эйнштейном и индийским физиком Satyendra Bose в 1925 году, а получена только через 70 лет. Один из ученых, который добился такого состояния вещества - Wolfgang Ketterle, который получил за свое открытие Нобелевскую премию в области физики.

Одно из замечательных свойств конденсата Бозе-Эйнштейна (КБЭ) - возможность управления движением световых лучей. В вакууме свет перемещается со скоростью 300000 км в секунду, и это максимальная скорость, достижимая во Вселенной. Но свет может распространяться медленнее, если будет распространяться не в вакууме, а в веществе. С помощью КБЭ можно замедлить движение света до малых скоростей, и даже остановить его. Из-за температуры и плотности конденсата световое излучение замедляется и может быть "схвачено" и преобразовано напрямую в электрический ток. Этот ток может быть передан в другое облако КБЭ и преобразовано обратно в световое излучение. Эта возможность очень востребована для телекоммуникации и вычислительной техники. Тут я немного не понимаю - ведь устройства, преобразующие световые волны в электричество и обратно УЖЕ есть... Видимо, использование КБЭ позволяет производить это преобразование быстрее и точнее.

Одной из причин, почему ученые настолько стремятся получить абсолютный ноль - попытка понять, что происходит и происходило с нашей Вселенной, какие термодинамические законы в ней действуют. При этом исследователи понимают, что извлечение всей энергии до последнего из атома практически недостижимо.

Абсолютный ноль (absolute zero) – начало отсчета абсолютной температуры, начинающей отчет от 273.16 К ниже тройной точки воды (точка равновесия трех фаз – льда, воды и водяного пара); при абсолютном ноле движение молекул прекращается, и они находятся в состоянии «нулевых» движений. Или: самая низкая температура, при которой вещество не содержит тепловой энергии.

Абсолютный ноль начало отсчета абсолютной температуры . Соответствует -273 ,16 ° С . В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру , превышающую абсолютный ноль всего на несколько миллионных долей градуса , достичь же его , согласно законам термодинамики , невозможно . При абсолютном ноле система находилась бы в состоянии с наименьшей возможной энергией (в этом состоянии атомы и молекулы совершали бы "нулевые " колебания ) и обладала нулевой энтропией (нулевой неупорядоченностью ). Объем идеального газа в точке абсолютного ноля должен быть равен нолю , и чтобы определить эту точку , измеряют объем реального газа гелия при последовательном понижении температуры вплоть до его ожижения при низком давлении (-268 ,9 ° С ) и проводят экстраполяцию к температуре , при которой объем газа в отсутствие ожижения обратился бы в ноль . Температура по абсолютной термодинамической шкале измеряется в кельвинах , обозначаемых символом К . Абсолютная термодинамическая шкала и шкала Цельсия просто смещены одна относительно другой и связаны соотношением К = °C + 273 ,16 °.

История

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества - теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково - градусами.

Из того, что температура - это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах - градусах.

Шкала Кельвина

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

Шкала Цельсия

В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия - особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия - это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F - 32), 1 °F = 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

Шкала Реомюра

Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица - градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками - температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Сравнение температурных шкал

Описание	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт	Ньютон	Реомюр
Абсолютный ноль		−273.15	−459.67	−90.14	−218.52
Температура таяния смеси Фаренгейта (соли и льда в равных количествах)			0	−5.87
Температура замерзания воды (нормальные условия)		0	32	0
Средняя температура человеческого тела ¹		36.8	98.2	12.21
Температура кипения воды (нормальные условия)		100	212	33
Температура поверхности Солнца	5800	5526	9980	1823

Нормальная температура человеческого тела - 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F - это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность. Некоторые значения в этой таблице были округлены.

Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия

( o F - шкала Фаренгейта, o C - шкала Цельсия)

o F	o C		o F	o C		o F	o C		o F	o C
-459.67 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -190 -180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70 -65	-273.15 -267.8 -240.0 -212.2 -184.4 -156.7 -128.9 -123.3 -117.8 -112.2 -106.7 -101.1 -95.6 -90.0 -84.4 -78.9 -73.3 -70.6 -67.8 -65.0 -62.2 -59.4 -56.7 -53.9		-60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5	-51.1 -48.3 -45.6 -42.8 -40.0 -37.2 -34.4 -31.7 -28.9 -28.3 -27.8 -27.2 -26.7 -26.1 -25.6 -25.0 -24.4 -23.9 -23.3 -22.8 -22.2 -21.7 -21.1 -20.6		-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19	-20.0 -19.4 -18.9 -18.3 -17.8 -17.2 -16.7 -16.1 -15.6 -15.0 -14.4 -13.9 -13.3 -12.8 -12.2 -11.7 -11.1 -10.6 -10.0 -9.4 -8.9 -8.3 -7.8 -7.2		20 21 22 23 24 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 125 150 200	-6.7 -6.1 -5.6 -5.0 -4.4 -3.9 -1.1 1.7 4.4 7.2 10.0 12.8 15.6 18.3 21.1 23.9 26.7 29.4 32.2 35.0 37.8 51.7 65.6 93.3

Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T 0 где T- температура в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T 0 =273.15 кельвина. По размеру градус цельсия равен кельвину.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

> Абсолютный ноль

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

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

Задача обучения

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

Основные пункты

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

Термины

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

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

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

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

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

Стремительное расширение газов приводит к минимальной наблюдаемой температуре