מהו אפס מוחלט בתרמודינמיקה?

טמפרטורת הסביבה היא והייתה לאורך ההיסטוריה מרכיב מאוד קובע להישרדות השונה יצורים חיים, ומשהו שסימן את עתיד האבולוציה ובמקרה של בני אדם, הדרך להבין את העולם הסובב אותנו. מקיף.

למעשה, חלק גדול מהחיים הידועים יכולים לחיות רק בגבולות תרמיים, ואפילו התנועה והאנרגיה של החלקיקים משתנים ברמה המולקולרית. אף נקבע קיומן של טמפרטורות קיצוניות שעלולות לגרום להפסקה מוחלטת של תנועתם של חלקיקים תת-אטומיים, שכן הם נשארים בהיעדר מוחלט של אנרגיה. זהו המקרה של האפס המוחלט, מושג שפיתח קלווין ולמחקר שלו יש רלוונטיות מדעית רבה.

אבל... מה זה אפס מוחלט בדיוק? לאורך המאמר הזה אנחנו הולכים לבדוק את זה.

• מאמר קשור: "דיסקלקוליה: הקושי בלימוד מתמטיקה"

אפס מוחלט: למה מתייחס המושג הזה?

אנחנו קוראים לאפס מוחלט יחידת הטמפרטורה הנמוכה ביותר שנחשבת לאפשרית, -273.15ºC, מצב בו החלקיקים התת-אטומיים עצמם ימצאו את עצמם ללא כל סוג של אנרגיה ולא יוכלו לבצע כל סוג של תנועה.

זה מתרחש בשל העובדה שעובדה של הפחתת הטמפרטורה של עצם מרמזת על הפחתת אנרגיה ממנו, שבאמצעותה אפס מוחלט ירמז על היעדר מוחלט של זה.

זוהי טמפרטורה שאינה מצויה בטבע ואשר מניחים לעת עתה היפותטי (למעשה, על פי עקרון חוסר ההשגה של Nernst להשיג זאת טמפרטורה בלתי אפשרית), אם כי ניסויים מדעיים הצליחו להגיע לטמפרטורות דומות מאוד.

עם זאת, התיאור הקודם קשור לתפיסה של מושג זה מנקודת המבט של המכניקה הקלאסית. חקירות עוקבות שישאירו את המכניקה הקלאסית בצד כדי להיכנס למכניקת הקוונטים מציעות שבמציאות זה טמפרטורה, עדיין תהיה כמות מינימלית של אנרגיה שתשמור על החלקיקים בתנועה, מה שנקרא אנרגיה של נקודת אפס.

למרות שלפני החזיונות הקלאסיים הראשונים במצב היפותטי זה, החומר צריך להופיע במצב מוצק מכיוון שאין תנועה או להיעלם כאשר משווה מסה לאנרגיה והאחרון נעדר לחלוטין, מכניקת הקוונטים מציעה שכאשר יש אנרגיה, מצבים אחרים של נושא.

החקירות של קלווין

השם והמושג של האפס המוחלט באים מהמחקר והתיאוריה של ויליאם תומסון, הידוע יותר בשם לורד קלווין, שיצא לפתח מושג זה של התצפית על התנהגות הגזים וכיצד הם משנים את נפחם באופן יחסי לירידת הטמפרטורה.

על סמך זה, חוקר זה החל לחשב באיזו טמפרטורה יהיה נפח הגז אפס, והגיע למסקנה שהוא יתאים לטמפרטורה האמורה.

בהתבסס על חוקי התרמודינמיקה, המחבר יצר את סולם הטמפרטורה שלו, סולם קלווין, והציב את נקודת המוצא בטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית הזו, האפס המוחלט. לפיכך, טמפרטורה של 0ºK תואמת לאפס המוחלט, -273.15ºC. חלק מהיצירה של המחבר האמור של סולם טמפרטורה שנוצר מחוקי התרמודינמיקה של אז (בשנת 1836).

יש משהו מעבר?

קחו בחשבון שאפס מוחלט הוא טמפרטורה שבה לא תהיה תנועה של חלקיקים או רק תהיה אנרגיה שיורית של אפס מוחלט, אפשר לתהות אם משהו יכול להתקיים מעבר לטמפרטורה הזו.

למרות שההיגיון עלול לגרום לנו לחשוב שלא, מחקר שבוצע על ידי חוקרים שונים במכון מקס פלנק נראה שהם מצביעים על כך שלמעשה יכולה להיות טמפרטורה נמוכה עוד יותר, ושהיא תתאים לטמפרטורות שליליות בסולם קלווין (כלומר מתחת לאפס המוחלט). זו תופעה שיכולה להתרחש רק ברמה הקוונטית.

זה יתרחש במקרה של כמה גזים, שבאמצעות שימוש בלייזרים וניסויים הצליחו לעבור ממשהו מעל האפס המוחלט לטמפרטורות שליליות מתחת לאפס. טמפרטורות אלו יבטיחו שהגז המדובר, שהוכן בצורה כזו שהוא אמור להתכווץ במהירות גבוהה, יישאר מיוצב. במובן הזה זה דומה לאנרגיה אפלה, שלפי כמה מומחים מונעת מהיקום לקרוס לתוך עצמו.

• אולי יעניין אותך: "11 סוגי התגובות הכימיות"

למה זה יכול לשמש?

לידיעת קיומו של האפס המוחלט יש השלכות לא רק ברמה התיאורטית אלא גם ברמה המעשית. וזה שכאשר נחשפים לטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט, חומרים רבים משנים מאוד את תכונותיהם.

דוגמה לכך נמצאת בעובדה שבטמפרטורות אלו חלקיקים תת-אטומיים מתעבים לאטום גדול בודד הנקרא עיבוי Bose-Instein. כמו כן, ניתן למצוא כמה מאפיינים מעניינים במיוחד בשל היישום המעשי שלהם ב- נזילות-על או מוליכות-על שאלמנטים מסוימים יכולים להגיע אליהם בתנאים אלו תֶרמִי.

הפניות ביבליוגרפיות:

• בראון, ס. et al. (2013). אטומים בטמפרטורה מוחלטת שלילית- המערכות החמות ביותר בעולם. מדע, 4. חברת מקס פלאנק.
• מראלי, ז. (2013). "הגז הקוונטי יורד מתחת לאפס המוחלט". טֶבַע. doi: 10.1038/nature.2013.12146.