Kas yra absoliutus nulis termodinamikoje?

Aplinkos temperatūra yra ir per visą istoriją buvo labai lemiamas skirtingų išlikimo elementas gyvos būtybės ir kažkas, kas pažymėjo evoliucijos ateitį, o žmonių atveju – būdą suprasti mus supantį pasaulį. supa.

Tiesą sakant, didžioji žinomos gyvybės dalis gali gyventi tik šiluminėse ribose, ir netgi dalelių judėjimas ir energija pakinta molekuliniu lygiu. Netgi buvo nustatyta, kad egzistuoja ekstremalios temperatūros, dėl kurių subatominių dalelių judėjimas gali visiškai nutrūkti, nes joms visiškai trūksta energijos. Tai yra absoliutaus nulio atvejis, koncepcija, kurią sukūrė Kelvinas ir kurių tyrimai turi didelę mokslinę reikšmę.

Bet... kas tiksliai yra absoliutus nulis? Šiame straipsnyje mes tai tikrinsime.

• Susijęs straipsnis: "Diskalkulija: sunkumai mokantis matematikos"

Absoliutus nulis: ką reiškia ši sąvoka?

Mes vadiname absoliučiu nuliu žemiausios galimos temperatūros vienetas -273,15ºC, situacija, kai pačios subatominės dalelės atsidurtų be jokios energijos ir negalėtų atlikti jokio judėjimo.

Taip atsitinka dėl to, kad objekto temperatūros mažinimo faktas reiškia energijos atėmimą iš jo, o absoliutus nulis reikštų, kad to visiškai nėra.

Tai temperatūra, kurios gamtoje nėra ir kuri šiuo metu laikoma hipotetine (iš tikrųjų pagal Nernsto nepasiekiamumo principą tai pasiekti temperatūra neįmanoma), nors moksliniais eksperimentais pavyko pasiekti labai panašią temperatūrą.

Tačiau ankstesnis aprašymas yra susijęs su šios sąvokos suvokimu klasikinės mechanikos požiūriu. Vėlesni tyrimai, kurių metu klasikinė mechanika būtų palikta nuošalyje, kad būtų galima patekti į kvantinę mechaniką, rodo, kad iš tikrųjų temperatūra, vis tiek egzistuotų minimalus energijos kiekis, kuris išlaikytų dalelių judėjimą, vadinamoji nulinis taškas.

Nors prieš pirmąsias klasikines vizijas šioje hipotetinėje būsenoje materija turėtų pasirodyti kietos būsenos, nes nejuda arba išnyksta, kai prilygindama masę energijai, o pastarosios visiškai nėra, kvantinė mechanika siūlo, kad kai yra energijos, kitos būsenos tema.

Kelvino tyrimai

Absoliutaus nulio pavadinimas ir sąvoka kilusi iš Williamo Thomsono, geriau žinomo kaip lordas Kelvinas, tyrinėjimų ir teorijos, kuris nusprendė sukurti šią dujų elgsenos ir jų tūrio kintamumo stebėjimas proporcingai temperatūros kritimui.

Remdamasis tuo, šis mokslininkas pradėjo skaičiuoti, kokioje temperatūroje dujų tūris būtų lygus nuliui, priėjo išvadą, kad jis atitiktų minėtą temperatūrą.

Remdamasis termodinamikos dėsniais, autorius sukūrė savo temperatūros skalę – Kelvino skalę, pradinį tašką nustatydamas ties šia žemiausia įmanoma temperatūra – absoliučiu nuliu. Taigi 0ºK temperatūra atitinka absoliutų nulį, -273,15ºC. dalis minėto autoriaus sukurtos temperatūros skalės iš to meto termodinamikos dėsnių (1836 m.).

Ar yra kažkas už jos ribų?

Turint omenyje, kad absoliutus nulis yra temperatūra, kurioje dalelės nejudėtų arba nejudėtų būtų absoliutaus nulio liekamoji energija, kyla klausimas, ar kažkas galėtų egzistuoti už šios temperatūros.

Nors logika gali priversti mus negalvoti, įvairių Max Planck instituto mokslininkų atlikti tyrimai atrodo, kad jie rodo, kad iš tikrųjų gali būti dar žemesnė temperatūra ir kad ji atitiktų neigiamą temperatūrą Kelvino skalėje (ty žemiau absoliutaus nulio). Tai reiškinys, kuris gali atsirasti tik kvantiniame lygmenyje.

Taip atsitiktų kai kurių dujų atveju, kurioms naudojant lazerius ir eksperimentuojant pavyko pasiekti, kad temperatūra būtų šiek tiek aukštesnė nei absoliutus nulis, o temperatūra žemesnė nei nulis. Šios temperatūros užtikrintų, kad atitinkamos dujos, paruoštos taip, kad susitrauktų dideliu greičiu, išliktų stabilios. Šia prasme ji panaši į tamsiąją energiją, kuri, pasak kai kurių ekspertų, neleidžia visatai sugriūti savaime.

• Galbūt jus domina: "11 cheminių reakcijų tipų"

Kam jis gali būti naudojamas?

Žinojimas apie absoliutaus nulio egzistavimą turi pasekmių ne tik teoriniu, bet ir net praktiniu lygmeniu. Ir tai yra tai, kad esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui, daugelis medžiagų labai pakeičia savo savybes.

To pavyzdys yra faktas, kad tokioje temperatūroje subatominės dalelės kondensuojasi į vieną didelį atomą, vadinamą Bose-Einstein kondensatu. Taip pat kai kurias ypač įdomias savybes dėl jų praktinio pritaikymo galima rasti supertakumas arba superlaidumas, kurį tokiomis sąlygomis gali pasiekti tam tikri elementai terminis.

Bibliografinės nuorodos:

• Braunas, S. ir kt. (2013). Neigiamos absoliučios temperatūros atomai – karščiausios sistemos pasaulyje. Mokslas, 4. Maxo Plancko draugija.
• Meralis, Z. (2013). „Kvantinės dujos nukrenta žemiau absoliutaus nulio“. Gamta. doi: 10.1038/gamta.2013.12146.