Kas ir absolūtā nulle termodinamikā?

Vides temperatūra ir un ir bijusi visā vēsturē ļoti noteicošais elements dažādu cilvēku izdzīvošanai dzīvās būtnes un kaut kas tāds, kas iezīmējis evolūcijas nākotni un, attiecībā uz cilvēkiem, veidu, kā izprast pasauli, kas mūs ieskauj. ieskauj.

Patiesībā liela daļa zināmās dzīvības var dzīvot tikai termiskās robežās, un pat daļiņu kustība un enerģija tiek mainīta molekulārā līmenī. Ir pat noteikts, ka pastāv ārkārtējas temperatūras, kas var izraisīt subatomisko daļiņu kustības pilnīgu pārtraukšanu, jo tās paliek pilnīgi bez enerģijas. Šis ir absolūtās nulles gadījums, Kelvina izstrādātā koncepcija un kuru pētījumiem ir liela zinātniska nozīme.

Bet... kas tieši ir absolūtā nulle? Visā šajā rakstā mēs to pārbaudīsim.

• Saistīts raksts: "Diskalkulija: grūtības, apgūstot matemātiku"

Absolūtā nulle: uz ko attiecas šis jēdziens?

Mēs saucam par absolūto nulli zemākās iespējamās temperatūras mērvienība -273,15ºC, situācija, kurā pašas subatomiskās daļiņas nonāktu bez jebkāda veida enerģijas un nespētu veikt nekādas kustības.

Tas notiek tāpēc, ka objekta temperatūras pazemināšanas fakts nozīmē enerģijas atņemšanu no tā, un absolūtā nulle nozīmētu pilnīgu tā neesamību.

Tā ir temperatūra, kas dabā nav sastopama un kas šobrīd tiek pieņemts kā hipotētisks (patiesībā saskaņā ar Nernsta nesasniedzamības principu, lai to panāktu temperatūra nav iespējama), lai gan zinātniskajos eksperimentos ir izdevies sasniegt ļoti līdzīgas temperatūras.

Tomēr iepriekšējais apraksts ir saistīts ar šī jēdziena uztveri no klasiskās mehānikas viedokļa. Turpmākie pētījumi, kas atstātu malā klasisko mehāniku, lai ieietu kvantu mehānikā, liecina, ka patiesībā šajā temperatūra, joprojām pastāvētu minimālais enerģijas daudzums, kas noturētu daļiņas kustībā, tā sauktā enerģija nulles punkts.

Lai gan pirms pirmajām klasiskajām vīzijām šajā hipotētiskajā stāvoklī matērijai vajadzētu parādīties cietā stāvoklī, jo nav kustības vai pazūd, kad pielīdzinot masu enerģijai, bet pēdējās pilnībā nav, kvantu mehānika ierosina, ka tad, kad ir enerģija, citi enerģijas stāvokļi priekšmets.

Kelvina izmeklēšana

Absolūtās nulles nosaukums un jēdziens cēlies no Viljama Tomsona, kas labāk pazīstams kā Lords Kelvins, pētījumiem un teorijas, kurš nolēma izstrādāt šo gāzu uzvedības novērošana un to, kā tās maina savu tilpumu proporcionāli temperatūras kritumam.

Pamatojoties uz to, šis pētnieks sāka aprēķināt, kādā temperatūrā gāzes tilpums būtu nulle, nonākot pie secinājuma, ka tas atbilstu iepriekšminētajai temperatūrai.

Balstoties uz termodinamikas likumiem, autors izveidoja savu temperatūras skalu, Kelvina skalu, novietojot sākuma punktu uz šo zemāko iespējamo temperatūru, absolūto nulli. Tādējādi temperatūra 0ºK atbilst absolūtajai nullei, -273,15ºC. daļa no minētā autora radītās temperatūras skalas no tā laika termodinamikas likumiem (1836. gadā).

Vai ir kaut kas tālāk?

Paturot prātā, ka absolūtā nulle ir temperatūra, kurā daļiņu kustība nebūtu iespējama vai notiktu tikai būtu absolūtās nulles atlikušā enerģija, rodas jautājums, vai kaut kas varētu pastāvēt ārpus šīs temperatūras.

Lai gan loģika var likt mums nedomāt, pētījumi, ko veica dažādi Max Planck institūta pētnieki šķiet, ka tie norāda, ka patiesībā varētu būt vēl zemāka temperatūra un ka tā atbilstu negatīvām temperatūrām Kelvina skalā (ti, zem absolūtās nulles). Tā ir parādība, kas varētu notikt tikai kvantu līmenī.

Tas notiktu dažu gāzu gadījumā, kurām, izmantojot lāzerus un eksperimentējot, izdevās pāriet no nedaudz virs absolūtās nulles uz negatīvu temperatūru zem nulles. Šīs temperatūras nodrošinātu, ka attiecīgā gāze, kas sagatavota tā, lai tā sarautos lielā ātrumā, paliktu stabila. Šajā ziņā tā ir līdzīga tumšajai enerģijai, kas, pēc dažu ekspertu domām, neļauj Visumam sabrukt sevī.

• Jūs varētu interesēt: "11 ķīmisko reakciju veidi"

Kādam nolūkam to var izmantot?

Zinot par absolūtās nulles esamību, ir ietekme ne tikai teorētiskā, bet arī praktiskā līmenī. Un tas ir tas, ka, pakļaujot to temperatūrai, kas ir tuvu absolūtai nullei, daudzi materiāli būtiski maina to īpašības.

Piemērs tam ir fakts, ka šajās temperatūrās subatomiskās daļiņas kondensējas vienā lielā atomā, ko sauc par Bozes-Einšteina kondensātu. Tāpat dažas īpaši interesantas īpašības to praktiskā pielietojuma dēļ ir atrodamas superfluiditāte vai supravadītspēja, ko noteikti elementi var sasniegt šādos apstākļos termiskais.

Bibliogrāfiskās atsauces:

• Brauns, S. un citi. (2013). Atomi pie negatīvas absolūtās temperatūras - karstākās sistēmas pasaulē. Zinātne, 4. Maksa Planka biedrība.
• Merali, Z. (2013). "Kvantu gāze ir zem absolūtās nulles". Daba. doi: 10.1038/daba.2013.12146.