ศูนย์สัมบูรณ์ในอุณหพลศาสตร์คืออะไร?

อุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมเป็นองค์ประกอบที่กำหนดความอยู่รอดของสิ่งที่แตกต่างกันตลอดประวัติศาสตร์ สิ่งมีชีวิตและสิ่งที่เป็นเครื่องหมายแห่งอนาคตของวิวัฒนาการ และในกรณีของมนุษย์ วิถีแห่งความเข้าใจโลกที่อยู่รอบตัวเรา ล้อมรอบ

ในความเป็นจริง สิ่งมีชีวิตที่รู้จักส่วนใหญ่สามารถมีชีวิตอยู่ได้ภายในขีดจำกัดทางความร้อนเท่านั้น และแม้แต่การเคลื่อนที่และพลังงานของอนุภาคก็เปลี่ยนไปในระดับโมเลกุล การดำรงอยู่ของอุณหภูมิที่สูงเกินไปได้รับการกำหนดว่าสามารถทำให้การเคลื่อนที่ของอนุภาคย่อยของอะตอมหยุดลงได้อย่างสมบูรณ์ เนื่องจากพวกมันยังคงอยู่ในสภาวะที่ไม่มีพลังงาน นี่คือกรณีของศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งเป็นแนวคิดที่พัฒนาโดยเคลวิน และงานวิจัยของเขามีความเกี่ยวข้องทางวิทยาศาสตร์อย่างมาก

แต่... ศูนย์สัมบูรณ์คืออะไรกันแน่? ตลอดบทความนี้เราจะตรวจสอบ

• บทความที่เกี่ยวข้อง: "Dyscalculia: ความยากในการเรียนคณิตศาสตร์"

ศูนย์สัมบูรณ์: แนวคิดนี้หมายถึงอะไร

เราเรียกว่าศูนย์สัมบูรณ์ หน่วยอุณหภูมิต่ำสุดที่พิจารณาได้คือ -273.15ºCซึ่งเป็นสถานการณ์ที่อนุภาคของอะตอมจะพบว่าตัวเองไม่มีพลังงานประเภทใดประเภทหนึ่งและไม่สามารถเคลื่อนไหวประเภทใดประเภทหนึ่งได้

สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าการลดอุณหภูมิของวัตถุหมายถึงการลบพลังงานออกจากสิ่งนั้น โดยที่ศูนย์สัมบูรณ์จะบ่งบอกถึงการไม่มีสิ่งนี้โดยสิ้นเชิง

นี่คืออุณหภูมิที่ไม่พบในธรรมชาติ และสันนิษฐานว่าเป็นช่วงเวลาสมมุติ (อันที่จริง ตามหลัก Nernst unattainability เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ อุณหภูมิเป็นไปไม่ได้) แม้ว่าการทดลองทางวิทยาศาสตร์จะมีอุณหภูมิใกล้เคียงกันมากก็ตาม

อย่างไรก็ตาม คำอธิบายก่อนหน้านี้เชื่อมโยงกับการรับรู้ของแนวคิดนี้ จากมุมมองของกลศาสตร์คลาสสิก. การตรวจสอบในภายหลังที่จะละทิ้งกลศาสตร์คลาสสิกเพื่อเข้าสู่กลศาสตร์ควอนตัมเสนอว่าในความเป็นจริงในเรื่องนี้ อุณหภูมิจะยังคงมีปริมาณพลังงานขั้นต่ำที่จะทำให้อนุภาคเคลื่อนที่ได้ ซึ่งเรียกว่าพลังงานของ จุดศูนย์

แม้ว่าก่อนนิมิตดั้งเดิมครั้งแรกในสภาวะสมมุตินี้ สสารควรปรากฏอยู่ในสถานะของแข็งเนื่องจากไม่มีการเคลื่อนไหวหรือหายไปเมื่อ กลศาสตร์ควอนตัมเสนอว่าเมื่อมีพลังงาน สถานะอื่นๆ ของ เรื่อง.

การสืบสวนของเคลวิน

ชื่อและแนวคิดของศูนย์สัมบูรณ์มาจากการวิจัยและทฤษฎีของวิลเลียม ทอมสัน หรือที่รู้จักกันดีในชื่อลอร์ดเคลวิน ซึ่งเริ่มพัฒนาแนวคิดของ การสังเกตพฤติกรรมของก๊าซและการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของก๊าซ ตามสัดส่วนของอุณหภูมิที่ลดลง

ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงเริ่มคำนวณที่อุณหภูมิใดที่ปริมาตรของก๊าซจะเป็นศูนย์ จนได้ข้อสรุปว่าก๊าซจะสอดคล้องกับอุณหภูมิดังกล่าว

ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ ผู้เขียนได้สร้างมาตราส่วนอุณหภูมิของตนเองขึ้นมา ซึ่งเป็นมาตราส่วนเคลวิน โดยวางจุดกำเนิดไว้ที่ศูนย์สัมบูรณ์ที่อุณหภูมิต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ดังนั้น อุณหภูมิ 0ºK สอดคล้องกับศูนย์สัมบูรณ์ -273.15ºC ส่วนหนึ่งของการสร้างโดยผู้เขียนดังกล่าวของมาตราส่วนอุณหภูมิที่สร้างขึ้น จากกฎของอุณหพลศาสตร์ของเวลา (ในปี พ.ศ. 2379)

มีอะไรเกินเลยไปไหม?

โปรดทราบว่าศูนย์สัมบูรณ์คืออุณหภูมิที่ไม่มีการเคลื่อนที่ของอนุภาคหรือเพียงอย่างเดียว จะมีพลังงานหลงเหลือเป็นศูนย์สัมบูรณ์ เราสงสัยว่าจะมีบางสิ่งอยู่นอกเหนืออุณหภูมินี้ได้หรือไม่

แม้ว่าตรรกะอาจทำให้เราคิดไม่ออก การวิจัยดำเนินการโดยนักวิจัยหลายคนที่สถาบันมักซ์พลังค์ ดูเหมือนว่าจะบ่งชี้ว่าในความเป็นจริงอาจมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่านั้น และมันจะสอดคล้องกับอุณหภูมิติดลบในระดับเคลวิน (เช่น ต่ำกว่าศูนย์สัมบูรณ์) เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นได้ในระดับควอนตัมเท่านั้น

สิ่งนี้จะเกิดขึ้นในกรณีของก๊าซบางชนิด ซึ่งผ่านการใช้เลเซอร์และการทดลองสามารถเปลี่ยนแปลงจากอุณหภูมิที่ค่อนข้างสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ไปเป็นอุณหภูมิติดลบต่ำกว่าศูนย์ อุณหภูมิเหล่านี้จะทำให้แน่ใจได้ว่าก๊าซที่เป็นปัญหาซึ่งเตรียมในลักษณะที่จะหดตัวด้วยความเร็วสูงยังคงเสถียร ในแง่นี้มันคล้ายกับพลังงานมืด ซึ่งตามที่ผู้เชี่ยวชาญบางคนป้องกันไม่ให้เอกภพพังทลายลงด้วยตัวมันเอง

• คุณอาจจะสนใจ: "ปฏิกิริยาเคมี 11 ประเภท"

ใช้ทำอะไรได้บ้าง?

การรู้ถึงการมีอยู่ของศูนย์สัมบูรณ์มีผลกระทบไม่เพียงในระดับทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงระดับปฏิบัติด้วย และเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิที่ใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ วัสดุหลายชนิดเปลี่ยนคุณสมบัติอย่างมาก.

ตัวอย่างนี้พบได้จากข้อเท็จจริงที่ว่า ณ อุณหภูมิเหล่านี้ อนุภาคของอะตอมจะควบแน่นเป็นอะตอมขนาดใหญ่เพียงอะตอมเดียวที่เรียกว่า Bose-Einstein condensate ในทำนองเดียวกันคุณสมบัติที่น่าสนใจเป็นพิเศษบางอย่างเนื่องจากการใช้งานจริงสามารถพบได้ใน superfluidity หรือตัวนำยิ่งยวดที่องค์ประกอบบางอย่างสามารถเข้าถึงได้ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ระบายความร้อน

การอ้างอิงบรรณานุกรม:

• เบราน์, เอส. และอื่น ๆ (2013). อะตอมที่อุณหภูมิสัมบูรณ์ติดลบ- ระบบที่ร้อนที่สุดในโลก วิทยาศาสตร์, 4. สมาคมมักซ์พลังค์
• เมราลี, ซี. (2013). "ก๊าซควอนตัมต่ำกว่าศูนย์สัมบูรณ์" ธรรมชาติ. ดอย: 10.1038/nature.2013.12146.