АБСОЛЮТНЫЙ МИНИМУМ

Что такое абсолютный ноль температуры

АБСОЛЮТНЫЙ МИНИМУМ

Температура – это мера того, сколько тепловой энергии в системе.

Это измерение означает, что все атомы и молекулы, которые движутся вокруг, имеют определенное количество кинетической энергии (и менее очевидно потенциальной энергии).

Когда все молекулы (или атомы) в системе полностью перестают двигаться, это так холодно, что ниже уже нельзя получить. Это состояние, где вообще нет тепловой энергии, называется абсолютный ноль температуры.

Численно абсолютный ноль температуры записывается как 0K или -273.15°C

Понятие абсолютного нуля

Абсолютный ноль температуры по сути понимание того, сколько энергии доступно от молекул газа в законе идеального газа.

Степень нагревания должна быть измерена в абсолютном масштабе (как Кельвин), чтобы закон идеального газа имел смысл. Идеальный газ – отсутствуют силы межмолекулярного воздействия.

Кроме того, идея абсолютного нуля играет важную роль в физике излучения абсолютно черного тела (сколько энергии излучает объект при определенной температуре) и максимально возможный КПД теплового двигателя (так называемый КПД Карно).

Понятие абсолютный ноль температуры также является частью физики изменения климата.

Средняя температура Земли, которая составляет около 15°C, будет 288 K. Если парниковые газы увеличат температуру планеты на 1%, то она не поднимется на 0,15 градуса, она поднимется на 2,88 градуса.

Кельвин и Цельсий имеют одинаковое приращение степени, но Кельвин-абсолютная шкала (что означает, что нулевая точка действительно равна нулю), а Цельсий – относительная шкала (нулевая точка произвольна – она была выбрана ученым). Вот почему температура будет увеличиваться на 2,88 градуса вместо 0,15 градуса.

Понимание того, как эти небольшие процентные изменения температуры Земли могут привести к радикальным последствиям для планеты, является важной частью климатологии.

Термодинамика показала, что добраться до абсолютного нуля температуры невозможно, но физики подобрались достаточно близко.

Используя лазерное охлаждение и магнитную ловушку, экспериментально ученые смогли охладить атомы до температуры нескольких нK (10-9 K), чтобы сформировать конденсаты Бозе-Эйнштейна.

В неидеальных условиях самая низкая возможная температура из-за воздействия звезд 2,725 градусов Кельвина,  -270,425 градусов Цельсия.

Температура – это показания термометра, который измеряет, насколько горячее или холодное вещество. На микроскопическом уровне она характеризует среднюю кинетическую энергию молекул внутри материала или системы. Это измеримое физическое свойство объекта и может рассматриваться с другими измеримыми физическими свойствами, такими как скорость, масса и плотность и т.п.

Измерение

Температура – это прямое измерение тепловой энергии, то есть чем горячее объект, тем больше тепловой энергии он имеет. Тепло – это мера того, сколько тепловой энергии передается между двумя системами.

Легко повернуть механическую энергию в тепловую, например используя трение. Также можно превратить тепловую энергию в механическую с помощью теплового двигателя, но при этом всегда будет отходящее тепло.

Температура обычно наблюдается в единицах градуса Цельсия или °C (в некоторых странах используется шкала Фаренгейта); однако в научном сообществе  наблюдается в единицах Си—Кельвин или K (обратите внимание, что это K не °K). Как Кельвин, так и градусы Цельсия имеют свои преимущества и недостатки.

Цельсий против Кельвина

Шкалы Цельсия и Кельвина увеличиваются с одинаковым шагом, что означает, что увеличение температуры на 1°C приводит к одинаковому увеличению на 1 K.

Основное различие заключается в том, что при замерзании воды термометр Цельсия будет показывать 0°C, а термометр Кельвина -273,15 K.

Шкалы отличаются на 273,15.

Таким образом, для преобразования из °C в K просто добавьте 273; если термометр читает 31°C, то температура в Кельвине составляет 304K.

Цельсия – гораздо более “удобный” или интуитивно понятный способ измерения: при 0°C—вода замерзает, а при 100°C—вода кипит. Цельсия имеет смысл, и гораздо легче судить, как 25°C может чувствовать себя, чем как 298 K, и, чтобы быть ясным, при 298 K человек будет чувствовать себя хорошо.

Зачем беспокоиться о Кельвине?

Шкала Кельвина оказывается чрезвычайно полезной (и необходимой) при проведении научных расчетов и измерений. Абсолютный ноль равен 0 К (при преобразовании в Цельсия -273.

15°С) и является самой низкой температурой, которую допускают законы физики—никогда не может быть температур ниже 0 К.

 В этом отношении имеет смысл использовать шкалу Кельвина, 0 является абсолютным нулем температуры и самым низким и увеличивается оттуда.

Важное недоразумение

Поскольку температура является мерой микроскопической энергии атомов (или молекул), она удваивается, если микроскопическая энергия удваивается. Тем не менее, переход от 10°C сегодня к 20°C завтра не удваивает температуру (хотя 20 дважды десять).

Ученый сказал бы, что это 283 K, и вот где возникает проблема: удвоение 283 K составляет 566 K, что преобразуется в экстремальный 293°C.

К счастью, 293°c при жизни людей не произойдет на Земле, но эта идея пропорционального изменения температуры привела к некоторой путанице с изменением климата.

Путаница в связи с изменением климата

Подавляющее большинство ученых согласны с тем, что изменение климата является одной из основных проблем, стоящих перед миром.

Большинство климатологов прогнозируют увеличение средней глобальной температуры на 1% к 2100 году. Это число звучит незначительно, если думать в градусах Цельсия, но изменение 1% означает, что должна использоваться шкала Кельвина.

К сожалению, для того, чтобы сделать этот расчет, числа должны быть преобразованы в Кельвин и после выполнения надлежащих преобразований и расчетов увеличение на 1% по шкале Кельвина фактически приведет к средней глобальной температуре 17,4°C к 2100 году. Сейчас средняя нагретость Земли 14, 8 °C.

Это может показаться не очень высоким, но увеличение 2.6°C довольно тревожно. При этом произойдет  повышение  уровня моря со всеми вытекающими последствиями для Земли.

Источник: https://beelead.com/absolyutnyj-nol-temperatury/

Что такое абсолютный ноль?

АБСОЛЮТНЫЙ МИНИМУМ

Что такое абсолютный ноль (чаще — нуль)? Действительно ли эта температура существует где-либо во Вселенной? Можем ли мы охладить что-либо до абсолютного нуля в реальной жизни? На эти и другие любопытные вопросы мы постараемся ответить в этой статье.

Так что же такое абсолютный температурный ноль?

Есть масса причин, по которым стоит интересоваться пределами холодного. Возможно, вы невероятный суперзлодей, который использует силу замораживания, и хотите понять степень вашей силы. Или вам интересно, можно ли обогнать волну холода. Давайте исследуем самые дальние пределы холодной температуры.

«Действительно ли движение останавливается, достигая абсолютного нуля? Можем ли мы достичь этой отметки?»

Начнем с очевидного.

Даже если вы не физик, вы, вероятно, знакомы с понятием температуры. Но если вдруг вам не повезло, вы выросли в лесу или на другой планете, вот краткий обзор.

Температура — это мера измерения количества внутренней случайной энергии материала. Слово «внутренней» очень важно. Бросьте снежок, и хотя основное движение будет достаточно быстрым, снежный ком останется довольно холодным. С другой стороны, если вы посмотрите на молекулы воздуха, летающие по комнате, обычная молекула кислорода жарит со скоростью тысяч километров в час.

Мы обычно умолкаем, когда речь заходит о технических деталях, поэтому специально для экспертов отметим, что температура немного более сложная вещь, чем мы сказали.

Истинное определение температуры подразумевает то, сколько энергии вам нужно затратить на каждую единицу энтропии (беспорядка, если хотите более понятное слово; подробнее об энтропии).

Но давайте опустим тонкости и просто остановимся на том, что случайные молекулы воздуха или воды в толще льда будут двигаться или вибрировать все медленнее и медленнее, по мере понижения температуры.

Абсолютный ноль — это температура -273,15 градусов Цельсия, -459,67 по Фаренгейту и просто 0 по Кельвину. Это точка, где тепловое движение полностью останавливается.

В классическом рассмотрении вопроса при абсолютном нуле останавливается все, но именно в этот момент из-за угла выглядывает страшная морда квантовой механики.

Одним из предсказаний квантовой механики, которое попортило кровь немалому количеству физиков, является то, что вы никогда не можете измерить точное положение или импульс частицы с совершенной определенностью.

Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга.

Если бы вы могли охладить герметичную комнату до абсолютного нуля, произошли бы странные вещи (об этом чуть позже). Давление воздуха упало бы практически до нуля, и поскольку давление воздуха обычно противостоит гравитации, воздух сколлапсирует в очень тонкий слой на полу.

Но даже в этом случае, если вы сможете измерить отдельные молекулы, вы обнаружите кое-что любопытное: они вибрируют и вращаются, совсем немного — квантовая неопределенность в работе.

Чтобы поставить точки над i: если вы измерите вращение молекул углекислого газа при абсолютном нуле, вы обнаружите, что атомы кислорода облетают углерод со скоростью несколько километров в час — куда быстрее, чем вы предполагали.

Разговор заходит в тупик. Когда мы говорим о квантовом мире, движение теряет смысл. В таких масштабах все определяется неопределенностью, поэтому не то чтобы частицы были неподвижными, вы просто никогда не сможете измерить их так, словно они неподвижны.

Можно ли достичь абсолютного нуля градусов?

Стремление к абсолютному нулю по существу встречается с теми же проблемами, что и стремление к скорости света. Чтобы набрать скорость света, понадобится бесконечное количество энергии, а достижение абсолютного нуля требует извлечения бесконечного количества тепла. Оба этих процесса невозможны, если что.

Несмотря на то, что мы пока не добились фактического состояния абсолютного нуля, мы весьма близки к этому (хотя «весьма» в этом случае понятие очень растяжимое; как детская считалочка: два, три, четыре, четыре с половиной, четыре на ниточке, четыре на волоске, пять). Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле, была зафиксирована в Антарктиде в 1983 году, на отметке -89,15 градусов Цельсия (184K).

Конечно, если вы хотите остыть не по-детски, вам нужно нырнуть в глубины космоса. Вся вселенная залита остатками излучения от Большого Взрыва, в самых пустых регионах космоса — 2,73 градуса по Кельвину, что немногим холоднее, чем температура жидкого гелия, который мы смогли получить на Земле век назад.

Но физики-низкотемпературщики используют замораживающие лучи, чтобы вывести технологию на совершенно новый уровень. Вас может удивить то, что замораживающие лучи принимают форму лазеров. Но как? Лазеры должны сжигать.

Все верно, но у лазеров есть одна особенность — можно даже сказать, ультимативная: весь свет излучается на одной частоте. Обычные нейтральные атомы вообще не взаимодействуют со светом, если частота не настроена точным образом.

Если же атом летит к источнику света, свет получает допплеровский сдвиг и выходит на более высокую частоту. Атом поглощает меньшую энергию фотона, чем мог бы. Так что если настроить лазер пониже, быстродвижущиеся атомы будут поглощать свет, а излучая фотон в случайном направлении, будут терять немного энергии в среднем.

Если повторять процесс, вы можете охладить газ до температуры меньше одного наноКельвина, миллиардной доли градуса.

Все приобретает более экстремальную окраску. Мировой рекорд самой низкой температуры составляет менее одной десятой миллиарда градуса выше абсолютного нуля. Устройства, которые добиваются этого, захватывают атомы в магнитные поля. «Температура» зависит не столько от самих атомов, сколько от спина атомных ядер.

Теперь, для восстановления справедливости, нам нужно немного пофантазировать. Когда мы обычно представляем себе что-то, замороженной до одной миллиардной доли градуса, вам наверняка рисуется картинка, как даже молекулы воздуха замерзают на месте. Можно даже представить разрушительное апокалиптическое устройство, замораживающее спины атомов.

В конечном счете, если вы действительно хотите испытать низкую температуру, все, что вам нужно, это ждать. Спустя примерно 17 миллиардов лет радиационный фон во Вселенной остынет до 1К. Через 95 миллиардов лет температура составит примерно 0,01К.

Через 400 миллиардов лет глубокий космос будет таким же холодным, как самый холодный эксперимент на Земле, и после этого — еще холоднее. Если вам интересно, почему вселенная остывает так быстро, скажите спасибо нашим старым друзьям: энтропии и темной энергии.

Вселенная находится в режиме акселерации, вступая в период экспоненциального роста, который будет продолжаться вечно. Вещи буду замерзать очень быстро.

Что происходит при 0 Кельвина?

Все это, конечно, замечательно, да и рекорды побивать тоже приятно. Но в чем смысл? Что ж, есть масса веских причин разбираться в низинах температуры, и не только на правах победителя.

Хорошие ребята из Национального института стандартов и технологий, например, просто хотели бы сделать классные часы. Стандарты времени основаны на таких вещах, как частота атома цезия. Если атом цезия движется слишком много, появляется неопределенность в измерениях, что, в конечном счете, приведет к сбою часов.

Но что более важно, особенно с точки зрения науки, материалы ведут себя безумно на экстремально низких температурах.

К примеру, как лазер состоит из фотонов, которые синхронизируются друг с другом — на одной частоте и фазе — так и материал, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна, может быть создан. В нем все атомы находятся в одном и том же состоянии.

Или представьте себе амальгаму, в которой каждый атом теряет свою индивидуальность, и вся масса реагирует как один нуль-супер-атом.

При очень низких температурах многие материалы становятся сверхтекучими, что означает, что они могут совершенно не обладать вязкостью, укладываться сверхтонкими слоями и даже бросать вызов гравитации в достижении минимума энергии.

Также при низких температурах многие материалы становятся сверхпроводящими, что означает отсутствие какого-либо электрического сопротивления. Сверхпроводники способны реагировать на внешние магнитные поля таким образом, чтобы полностью отменять их внутри металла.

В результате, вы можете объединить холодную температуру и магнит и получить что-то типа левитации.

Почему есть абсолютный ноль, но нет абсолютного максимума?

Давайте взглянем на другую крайность. Если температура — это просто мера энергии, то можно просто представить атомы, которые подбираются ближе и ближе к скорости света. Не может же это продолжаться бесконечно?

Есть короткий ответ: мы не знаем. Вполне возможно, что буквально существует такая вещь, как бесконечная температура, но если есть абсолютный предел, юная вселенная предоставляет достаточно интересные подсказки относительно того, что это такое.

Самая высокая температура, когда-либо существовавшая (как минимум в нашей вселенной), вероятно, случилась в так называемое «время Планка». Это был миг длиной в 10-43 секунд после Большого Взрыва, когда гравитация отделилась от квантовой механики и физика стала именно такой, какой является сейчас.

Температура в то время была примерно 1032 K. Это в септиллион раз горячее, чем нутро нашего Солнца.

Опять же, мы совсем не уверены, самая ли это горячая температура из всех, что могли быть. Поскольку у нас даже нет большой модели вселенной в момент времени Планка, мы даже не уверены, что Вселенная кипятилась до такого состояния. В любом случае, к абсолютному нулю мы во много раз ближе, чем к абсолютной жаре.

Источник: https://Hi-News.ru/science/chtivo-chto-takoe-absolyutnyj-nol.html

Абсолютной максимальной температурой является температура Планка

АБСОЛЮТНЫЙ МИНИМУМ

Разговор о самой прохладной температуре кажется относительно простым. Самой низкой температурой является абсолютный ноль. Как вы знаете, движение вызывает трение, которое образует нагрев. Как таковым абсолютным нолем считается состояние, когда все движение останавливается.

Эта минимальная температура составляет -273,16 градусов по Цельсию. Человечество подошло к этой невероятно низкой температуре довольно близко.

Так, совсем недавно ученые из Массачусетского технологического института (MIT) охладили молекулы до 500 нанокельвинов – это всего лишь на волосок выше абсолютного нуля и более чем в миллион раз холоднее межзвездного пространства.

Но как насчет самой высокой температуры? Есть ли абсолютная жара?

Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте посмотрим, какие высокие температуры есть в нашем мире и во Вселенной. 

Какая самая высокая температура на Земле?

Самая высокая температура, когда-либо зарегистрированная на поверхности Земли, составляет 56,7 ° C. Этот максимум зафиксирован в 1913 году в Долине Смерти в Калифорнии, США. Но, как известно, этой температуре очень далеко до самой высокой температуры во Вселенной.

Смотрите также  26 из первых вещей, которые когда-либо случались в космосе

Какая самая высокая температура на Солнце?

Очевидно, что Солнце – это первое, что всплывает в нашей голове, когда мы думаем о самых горячих вещах во Вселенной или, по крайней мере, о нашей Солнечной системе. Температура на его поверхности составляет около 5500 ° C, в то время как в его ядре температура может достигать 15 миллионов ° C.

Чтобы понять, насколько это жарко, попробуйте представить, что до этой температуры мы нагрели железный шар. Тепло от этого шара мгновенно убило бы все живое в радиусе 2000 километров! Если вам все еще недостаточно жарко, давайте посмотрим на звезды, которые даже горячее нашего Солнца.

Есть ли звезды с температурой больше Солнца?

Конечно. Довольно невзрачный белый карлик в туманности Красный Паук сияет при температуре 300 000 ° C, которая более чем в 50 раз горячее поверхности нашего Солнца. Еще круче этого есть квазары, где сжигается в 100 раз больше энергии, чем во всем Млечном Пути! Газ вокруг квазара может достигать температуры 80 миллионов ° C.

Субатомные температуры

Как видите, мы все выше и выше поднимаемся по температурной лестнице Вселенной. Далее нам снова нужно вернуться из космоса на на Землю.

 Самая высокая температура, с которой мы когда-либо сталкивались, зафиксирована в Большом адронном коллайдере.

 Находясь в Швейцарии, эта машина используется учеными для наблюдения за событиями, происходящими во время высокоскоростных столкновений между атомными частицами. 

Когда частицы, ускоренные до околосветной скорости, сталкиваются вместе, выделяется невероятное количество энергии. Так, в течение доли секунды температура достигает 4 триллионов ° C, что намного выше, чем при взрыве сверхновой или ядерном взрыве! Эта температура достаточно высока, чтобы растопить даже субатомные частицы, сделав из них грязный суп. 

Итог

В стандартной модели Вселенной самая высокая из когда-либо зафиксированных температур была достигнута за доли секунды после Большого взрыва. В течение этого незначительного периода времени излучаемый свет имел длину волны 10 -35 метров.

 Эта длина называется длиной Планка и является наименьшей измеримой длиной во Вселенной.

 Из-за этой небольшой длины волны температура достигала 1,416808·1032 кельвинов, или 142 квинтиллиона кельвинов (142 ниллионда по короткой шкале), что называется температурой Планка и является самым близким определением «абсолютной жары», которое мы имеем в настоящее время.

Помимо того, что температура Планка является самой высокой температурой, когда-либо теоретически достигнутой в нашей Вселенной, физики предполагают, что при любой температуре, превышающей стандарт Планка, гравитационные силы затронутых частиц станут настолько сильными, что они могут создать черную дыру. Черная дыра, которая создается из энергии, а не из материи, называется «кугельблиц». Наши общепринятые в настоящее время модели физики рушатся на фоне этого явления, оставляя многие вопросы без ответа.

Если вы что-то не поняли, предлагаем посмотреть этот ролик, из которого вы обязательно поймете многие вещи по этой теме:

Какую самую высокую температуру может пережить человек?

Наши клетки начинают умирать при температуре от 41 ° C до 45 ° C, но мы можем пережить гораздо более высокие температуры воздуха: здоровый человек может совершить однодневную поездку в Долину Смерти, США, в один из самых жарких дней – при -56 ° C, и, если он будет избегать обезвоживания, вероятно, не умрет.

Источник: https://1gai.ru/publ/523938-suschestvuet-li-absoljutnaja-maksimalnaja-temperatura.html

Все термины
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: