Co to jest zero absolutne w termodynamice?

Temperatura otoczenia jest i była w całej historii bardzo decydującym elementem dla przetrwania różnych żywych istot i coś, co wyznaczyło przyszłość ewolucji, a w przypadku ludzi sposób rozumienia otaczającego nas świata. otacza.

W rzeczywistości znaczna część znanego życia może żyć tylko w granicach termicznych, a nawet ruch i energia cząstek zmienia się na poziomie molekularnym. Stwierdzono nawet istnienie ekstremalnych temperatur, które mogą spowodować całkowite zatrzymanie ruchu cząstek subatomowych, ponieważ pozostają one w całkowitym braku energii. Tak jest w przypadku zera absolutnego, koncepcji opracowanej przez Kelvina i którego badania mają wielkie znaczenie naukowe.

Ale... czym dokładnie jest zero absolutne? W tym artykule będziemy to sprawdzać.

• Powiązany artykuł: „Dyskalkulia: trudność w nauce matematyki"

Zero absolutne: do czego odnosi się to pojęcie?

Nazywamy zero absolutne najniższa możliwa jednostka temperatury, -273,15ºC, sytuacja, w której same cząstki subatomowe znalazłyby się bez jakiegokolwiek rodzaju energii i nie byłyby w stanie wykonać żadnego ruchu.

Dzieje się tak dlatego, że fakt obniżenia temperatury obiektu oznacza odjęcie od niego energii, przy czym zero bezwzględne oznaczałoby całkowity jej brak.

Jest to temperatura niespotykana w przyrodzie i który jest na razie przyjmowany jako hipotetyczny (w rzeczywistości, zgodnie z zasadą nieosiągalności Nernsta, aby to osiągnąć temperatura jest niemożliwa), chociaż w eksperymentach naukowych udało się osiągnąć bardzo podobne temperatury.

Jednak poprzedni opis wiąże się z postrzeganiem tego pojęcia z perspektywy mechaniki klasycznej. Późniejsze badania, które odłożyłyby mechanikę klasyczną na bok, aby wejść do mechaniki kwantowej, sugerują, że w rzeczywistości jest to temperaturze, nadal istniałaby minimalna ilość energii, która utrzymywałaby cząstki w ruchu, tzw punkt zerowy.

Chociaż przed pierwszymi klasycznymi wizjami w tym hipotetycznym stanie materia powinna pojawiać się w stanie stałym, ponieważ nie ma ruchu lub znikać, gdy przyrównując masę do energii, przy czym ta ostatnia jest całkowicie nieobecna, mechanika kwantowa proponuje, że gdy istnieje energia, inne stany temat.

Badania Kelvina

Nazwa i koncepcja zera absolutnego wywodzi się z badań i teorii Williama Thomsona, lepiej znanego jako Lord Kelvin, który postanowił rozwinąć tę koncepcję obserwacja zachowania się gazów i zmiany ich objętości proporcjonalnie do spadku temperatury.

Na tej podstawie badacz ten zaczął obliczać, w jakiej temperaturze objętość gazu wynosiłaby zero, dochodząc do wniosku, że odpowiadałaby wspomnianej temperaturze.

Opierając się na prawach termodynamiki, autor stworzył własną skalę temperatur, skalę Kelvina, umieszczając punkt pochodzenia w tej najniższej możliwej temperaturze, zera absolutnego. Zatem temperatura 0oK odpowiada zeru bezwzględnemu, -273,15oC. część stworzenia przez wspomnianego autora wygenerowanej skali temperatur z ówczesnych praw termodynamiki (w 1836 r.).

Czy jest coś poza tym?

Pamiętając, że zero absolutne to temperatura, w której nie byłoby ruchu cząstek lub tylko istniałaby energia szczątkowa równa zeru absolutnemu, można się zastanawiać, czy coś może istnieć poza tą temperaturą.

Chociaż logika może sprawić, że nie myślimy, badania przeprowadzone przez różnych badaczy w Instytucie Maxa Plancka wydają się wskazywać, że w rzeczywistości może istnieć jeszcze niższa temperatura i że odpowiadałaby ona ujemnym temperaturom w skali Kelvina (tj. poniżej zera absolutnego). Jest to zjawisko, które może wystąpić tylko na poziomie kwantowym.

Miałoby to miejsce w przypadku niektórych gazów, którym dzięki zastosowaniu laserów i eksperymentom udało się przejść od temperatury nieco powyżej zera absolutnego do temperatury ujemnej poniżej zera. Temperatury te zapewniłyby stabilizację omawianego gazu, przygotowanego w taki sposób, że powinien się kurczyć z dużą prędkością. W tym sensie przypomina ciemną energię, która według niektórych ekspertów zapobiega zapadnięciu się wszechświata w sobie.

• Możesz być zainteresowany: "11 rodzajów reakcji chemicznych"

Do czego może służyć?

Wiedza o istnieniu zera bezwzględnego ma reperkusje nie tylko na poziomie teoretycznym, ale także praktycznym. Chodzi o to, że wystawiony na działanie temperatur bliskich zera bezwzględnego, wiele materiałów znacznie zmienia swoje właściwości.

Przykładem tego jest fakt, że w tych temperaturach cząstki subatomowe kondensują się w pojedynczy duży atom zwany kondensatem Bosego-Einsteina. Podobnie niektóre szczególnie interesujące właściwości ze względu na ich praktyczne zastosowanie można znaleźć w nadciekłość lub nadprzewodnictwo, które niektóre pierwiastki mogą osiągnąć w tych warunkach termiczny.

Odniesienia bibliograficzne:

• Braun, S. i in. (2013). Atomy o ujemnej temperaturze bezwzględnej – najgorętsze układy na świecie. Nauka, 4. Towarzystwo Maxa Plancka.
• Meral, Z. (2013). „Gaz kwantowy spada poniżej zera absolutnego”. Natura. doi: 10.1038/natura.2013.12146.