Τι είναι το απόλυτο μηδέν στη θερμοδυναμική;

Η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι και υπήρξε σε όλη την ιστορία ένα πολύ καθοριστικό στοιχείο για την επιβίωση του διαφορετικού έμβια όντα και κάτι που έχει σημαδέψει το μέλλον της εξέλιξης και στην περίπτωση των ανθρώπων, τον τρόπο κατανόησης του κόσμου που μας περιβάλλει. περιβάλλει.

Στην πραγματικότητα, μεγάλο μέρος της γνωστής ζωής μπορεί να ζήσει μόνο εντός θερμικών ορίων, και ακόμη και η κίνηση και η ενέργεια των σωματιδίων μεταβάλλεται σε μοριακό επίπεδο. Έχει προβλεφθεί ακόμη και η ύπαρξη ακραίων θερμοκρασιών που μπορούν να προκαλέσουν την πλήρη παύση της κίνησης των υποατομικών σωματιδίων, καθώς παραμένουν σε πλήρη απουσία ενέργειας. Αυτή είναι η περίπτωση του απόλυτου μηδενός, μια έννοια που αναπτύχθηκε από τον Kelvin και του οποίου η έρευνα έχει μεγάλη επιστημονική συνάφεια.

Αλλά... τι είναι ακριβώς το απόλυτο μηδέν; Σε όλο αυτό το άρθρο θα το ελέγξουμε.

• Σχετικό άρθρο: "Δυσαριθμησία: η δυσκολία κατά την εκμάθηση των μαθηματικών"

Απόλυτο μηδέν: σε τι αναφέρεται αυτή η έννοια;

Ονομάζουμε απόλυτο μηδέν

η χαμηλότερη μονάδα θερμοκρασίας που θεωρείται δυνατή, -273,15ºC, μια κατάσταση στην οποία τα ίδια τα υποατομικά σωματίδια θα βρίσκονταν χωρίς κανένα είδος ενέργειας και δεν θα μπορούσαν να πραγματοποιήσουν κανένα είδος κίνησης.

Αυτό συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι το γεγονός της μείωσης της θερμοκρασίας ενός αντικειμένου συνεπάγεται την αφαίρεση ενέργειας από αυτό, με την οποία το απόλυτο μηδέν θα σήμαινε την πλήρη απουσία αυτής.

Αυτή είναι μια θερμοκρασία που δεν υπάρχει στη φύση και το οποίο υποτίθεται προς το παρόν υποθετικό (στην πραγματικότητα, σύμφωνα με την αρχή του ανέφικτου Nernst για να επιτευχθεί αυτό η θερμοκρασία είναι αδύνατη), αν και οι επιστημονικοί πειραματισμοί έχουν καταφέρει να φτάσουν σε πολύ παρόμοιες θερμοκρασίες.

Ωστόσο, η προηγούμενη περιγραφή συνδέεται με μια αντίληψη αυτής της έννοιας από τη σκοπιά της κλασικής μηχανικής. Μεταγενέστερες έρευνες που θα άφηναν στην άκρη την κλασική μηχανική για να εισέλθουν στην κβαντική μηχανική προτείνουν ότι στην πραγματικότητα σε αυτό θερμοκρασία, θα υπήρχε ακόμα μια ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που θα κρατούσε τα σωματίδια σε κίνηση, η λεγόμενη ενέργεια του σημείο μηδέν.

Αν και πριν από τα πρώτα κλασικά οράματα σε αυτή την υποθετική κατάσταση, η ύλη θα πρέπει να εμφανίζεται σε στερεή κατάσταση αφού δεν υπάρχει κίνηση ή εξαφανίζεται όταν εξισώνοντας τη μάζα με την ενέργεια και η τελευταία απουσιάζει εντελώς, η κβαντομηχανική προτείνει ότι όταν υπάρχει ενέργεια, άλλες καταστάσεις του θέμα.

Οι έρευνες του Κέλβιν

Το όνομα και η έννοια του απόλυτου μηδενός προέρχεται από την έρευνα και τη θεωρία του William Thomson, πιο γνωστού ως Lord Kelvin, ο οποίος ξεκίνησε να αναπτύξει αυτήν την έννοια η παρατήρηση της συμπεριφοράς των αερίων και το πώς μεταβάλλουν τον όγκο τους αναλογικά με την πτώση της θερμοκρασίας.

Με βάση αυτό, ο ερευνητής αυτός άρχισε να υπολογίζει σε ποια θερμοκρασία ο όγκος ενός αερίου θα ήταν μηδέν, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι θα αντιστοιχεί στην προαναφερθείσα θερμοκρασία.

Με βάση τους νόμους της θερμοδυναμικής, ο συγγραφέας δημιούργησε τη δική του κλίμακα θερμοκρασίας, την κλίμακα Kelvin, τοποθετώντας το σημείο προέλευσης σε αυτή τη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία, το απόλυτο μηδέν. Έτσι, μια θερμοκρασία 0ºK αντιστοιχεί στο απόλυτο μηδέν, -273,15ºC. μέρος της δημιουργίας από τον εν λόγω συγγραφέα μιας κλίμακας θερμοκρασίας που δημιουργήθηκε από τους νόμους της θερμοδυναμικής της εποχής (το 1836).

Υπάρχει κάτι πιο πέρα;

Έχοντας υπόψη ότι το απόλυτο μηδέν είναι μια θερμοκρασία στην οποία δεν θα υπήρχε κίνηση σωματιδίων ή μόνο θα υπήρχε μια υπολειμματική ενέργεια του απόλυτου μηδέν, αναρωτιέται κανείς αν θα μπορούσε να υπάρξει κάτι πέρα ​​από αυτή τη θερμοκρασία.

Αν και η λογική μπορεί να μας κάνει να μην σκεφτούμε, έρευνα που πραγματοποιήθηκε από διαφορετικούς ερευνητές στο Ινστιτούτο Max Planck φαίνεται να υποδεικνύουν ότι στην πραγματικότητα θα μπορούσε να υπάρξει ακόμη χαμηλότερη θερμοκρασία, και ότι θα αντιστοιχούσε σε αρνητικές θερμοκρασίες στην κλίμακα Kelvin (δηλαδή κάτω από το απόλυτο μηδέν). Είναι ένα φαινόμενο που θα μπορούσε να συμβεί μόνο σε κβαντικό επίπεδο.

Αυτό θα συνέβαινε στην περίπτωση ορισμένων αερίων, τα οποία μέσω της χρήσης λέιζερ και του πειραματισμού κατάφεραν να περάσουν από κάπως πάνω από το απόλυτο μηδέν σε αρνητικές θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν. Αυτές οι θερμοκρασίες θα διασφάλιζαν ότι το εν λόγω αέριο, προετοιμασμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να συστέλλεται σε υψηλή ταχύτητα, θα παραμείνει σταθερό. Με αυτή την έννοια μοιάζει με τη σκοτεινή ενέργεια, η οποία σύμφωνα με ορισμένους ειδικούς εμποδίζει το σύμπαν να καταρρεύσει από μόνο του.

• Μπορεί να σας ενδιαφέρει: "Οι 11 τύποι χημικών αντιδράσεων"

Σε τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί;

Η γνώση της ύπαρξης του απόλυτου μηδέν έχει επιπτώσεις όχι μόνο σε θεωρητικό αλλά και σε πρακτικό επίπεδο. Και είναι ότι όταν εκτίθεται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, πολλά υλικά αλλάζουν πολύ τις ιδιότητές τους.

Ένα παράδειγμα αυτού βρίσκεται στο γεγονός ότι σε αυτές τις θερμοκρασίες τα υποατομικά σωματίδια συμπυκνώνονται σε ένα μόνο μεγάλο άτομο που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein. Ομοίως, ορισμένες ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες ιδιότητες λόγω της πρακτικής εφαρμογής τους μπορούν να βρεθούν στο υπερρευστότητα ή υπεραγωγιμότητα που μπορούν να φτάσουν ορισμένα στοιχεία υπό αυτές τις συνθήκες θερμικός.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

• Μπράουν, Σ. et al. (2013). Άτομα σε αρνητική απόλυτη θερμοκρασία - τα πιο καυτά συστήματα στον κόσμο. Επιστήμη, 4. Εταιρεία Μαξ Πλανκ.
• Μεραλή, Ζ. (2013). «Το κβαντικό αέριο πηγαίνει κάτω από το απόλυτο μηδέν». Φύση. doi: 10.1038/nature.2013.12146.