Абсолютный ноль. Абсолютный ноль температур

Когда в сводке погоды предсказывают температуру около нуля, на каток идти не стоит: лед будет таять. Температура таяния льда принята за нуль градусов по шкале Цельсия - самой распространенной температурной шкале.
Нам отлично знакомы отрицательные градусы шкалы Цельсия - градусы <ниже нуля>, градусы холода. Наиболее низкая температура на Земле была зарегистрирована в Антарктиде: -88,3°Ц. Вне Земли возможны и еще более низкие температуры: на поверхности Луны в лунную полночь бывает до - 160°Ц.
Но нигде не могут существовать сколь угодно низкие температуры. Предельно низкая температура - абсолютный нуль - по шкале Цельсия соответствует - 273,16°.
От абсолютного нуля берет начало абсолютная температурная шкала, шкала Кельвина. Лед тает при 273,16° Кельвина, а вода кипит при 373,16° К. Таким образом, градус К равен градусу Ц. Но по шкале Кельвина все температуры положительны.
Почему же 0°К - предел холода?
Тепло - хаотическое движение атомов и молекул вещества. Когда вещество охлаждают, у него отнимают тепловую энергию, и при этом беспорядочное движение частиц ослабевает. В конце концов, при сильном охлаждении, тепловая <пляска> частиц почти полностью прекращается. Совсем замерли бы атомы и молекулы при температуре, которая и принята за абсолютный нуль. Согласно принципам квантовой механики, при абсолютном нуле прекратилось бы именно тепловое движение частиц, но сами частицы не замерли бы, так как они не могут находиться в полном покое. Таким образом, при абсолютном нуле частицы все же должны сохранять какое-то движение, которое называют нулевым.

Однако охладить вещество до температуры ниже абсолютного нуля - замысел столь же бессмысленный, как, скажем, намерение <идти медленнее, чем стоять на месте>.

Более того, даже достичь точного абсолютного нуля практически тоже невозможно. К нему можно лишь приблизиться. Потому что никакими способами нельзя отнять у вещества абсолютно всю его тепловую энергию. Некоторая доля тепловой энергии остается при самом глубоком охлаждении.
Как же достигают сверхнизких температур?
Заморозить вещество сложнее, чем нагреть. Это видно хотя бы из сравнения устройства печки и холодильника.
В большинстве бытовых и промышленных холодильников тепло отнимается благодаря испарению особой жидкости - фреона, который циркулирует по металлическим трубкам. Секрет в том, что фреон может пребывать в жидком состоянии лишь при достаточно низкой температуре. В холодильной камере за счет тепла камеры он нагревается и кипит, превращаясь в пар. Но пар сжимается компрессором, сжижается и поступает в испаритель, восполняя убыль испаряющегося фреона. Энергия расходуется на работу компрессора.
В аппаратах глубокого охлаждения носителем холода служит сверххолодная жидкость - жидкий гелий. Бесцветный, легкий (в 8 раз легче воды), он кипит под атмосферным давлением при 4,2°К, а в вакууме - при 0,7°К. Еще более низкую температуру дает легкий изотоп гелия: 0,3°К.
Устроить постоянно действующий гелиевый холодильник довольно сложно. Исследования ведутся просто в ваннах с жидким гелием. А чтобы сжижить этот газ, физики пользуются разными приемами. Например, расширяют предварительно охлажденный и сжатый гелий, выпуская его через тонкое отверстие в вакуумную камеру. При этом температура еще снижается и некоторая часть газа обращается в жидкость. Более эффективно не только расширять охлажденный газ, но и заставить его выполнять работу - двигать поршень.
Полученный жидкий гелий хранят в специальных термосах - сосудах Дьюара. Стоимость этой самой холодной жидкости (единственной не замерзающей у абсолютного нуля) получается довольно высокой. Тем не менее жидкий гелий в наши дни используется все шире, не только в науке, но и в различных технических устройствах.
Самых низких температур удалось добиться иным способом. Оказывается, молекулы некоторых солей, например хромокалиевых квасцов, могут поворачиваться вдоль силовых магнитных линий. Такую соль предварительно охлаждают жидким гелием до 1°К и помещают в сильное магнитное поле. При этом молекулы поворачиваются вдоль силовых линий, а выделившееся тепло отбирается жидким гелием. Затем магнитное поле резко снимают, молекулы вновь поворачиваются в разные стороны, а затраченная

на это работа ведет к дальнейшему охлаждению соли. Так получили температуру 0,001° К. Подобным же в принципе методом, применяя другие вещества, можно получить еще более низкую температуру.
Наинизшая температура, полученная пока на Земле, равна 0,00001° К.

Сверхтекучесть

Вещество, замороженное до сверхнизких температур в ваннах с жидким гелием, заметно изменяется. Резина становится хрупкои, свинец - твердым, как сталь, и упругим, многие сплавы увеличивают прочность.

Своеобразно ведет себя сам жидкий гелий. При температуре ниже 2,2° К он приобретает небывалое для обычных жидкостей свойство - сверхтекучесть: некоторая его часть полностью теряет вязкость и без всякого трения протекает сквозь самые узкие щели.
Явление это, открытое в 1937 г. советским физиком академиком П. JI. Капицей, было затем объяснено академиком JI. Д. Ландау.
Оказывается, при сверхнизких температурах начинают заметно сказываться квантовые законы поведения вещества. Как требует один из таких законов, от тела к телу энергия может передаваться лишь вполне определенными порциями-квантами. В жидком гелии так мало квантов тепла, что на все атомы их не хватает. Часть жидкости, лишенная квантов тепла, пребывает как бы при абсолютном нуле температуры, ее атомы совершенно не участвуют в беспорядочном тепловом движении и никак не взаимодействуют со стенками сосуда. Эта часть (ее назвали гелием-Н) и обладает сверхтекучестью. С понижением температуры гелия-П становится все больше, и при абсолютном нуле весь гелий превратился бы в гелий-Н.
Сверхтекучесть сейчас изучена очень подробно и даже нашла полезное практическое применение: с ее помощью удается разделять изотопы гелия.

Сверхпроводимость

Возле абсолютного нуля чрезвычайно любопытные изменения происходят с электрическими свойствами некоторых материалов.
В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес сделал неожиданное открытие: оказалось, что при температуре 4,12° К в ртути полностью исчезает электрическое сопротивление. Ртуть становится сверхпроводником. Электрический ток, наведенный в сверхпроводящем кольце, не затухает и может течь практически вечно.
Над таким кольцом сверхпроводящий шарик будет парить в воздухе и не падать, будто сказочный <гроб Магомета>, потому что его тяжесть компенсируется магнитным отталкиванием между кольцом и шариком. Ведь незатухающий ток в кольце создаст магнитное поле, а оно, в свою очередь, наведет в шарике электрический ток и вместе с ним противоположно направленное магнитное поле.
Кроме ртути, сверхпроводимостью возле абсолютного нуля обладают олово, свинец, цинк, алюминий. Это свойство обнаружено у 23 элементов и более ста различных сплавов и других химических соединений.
Температуры появления сверхпроводимости (критические температуры) составляют довольно широкий интервал - от 0,35° К (гафний) до 18° К (сплав ниобий-олово).
Явление сверхпроводимости, как и сверх-
текучести, подробно изучено. Найдены зависимости критических температур от внутренней структуры материалов и внешнего магнитного поля. Разработана глубокая теория сверхпроводимости (важный вклад внесен советским ученым академиком Н. Н. Боголюбовым).
Сущность этого парадоксального явления опять-таки сугубо квантовая. При сверхнизких температурах электроны в

сверхпроводнике образуют систему попарно связанных частиц, которые не могут отдавать энергию кристаллической решетке, тратить кванты энергии на ее нагревание. Пары электронов движутся, как бы <танцуя>, между <прутьями решетки> - ионами и обходят их без столкновений и передачи энергии.
Сверхпроводимость все шире используется в технике.
Входят в практику, например, сверхпроводящие соленоиды - катушки из сверхпроводника, погруженные в жидкий гелий. В них сколь угодно долго может храниться однажды наведенный ток и, следовательно, магнитное поле. Оно может достигать гигантской величины - свыше 100 ООО эрстед. В будущем, несомненно, появятся мощные промышленные сверхпроводящие устройства - электродвигатели, электромагниты и т. д.
В радиоэлектронике немалую роль начинают играть сверхчувствительные усилители и генераторы электромагнитных волн, которые особенно хорошо действуют в ваннах с жидким гелием, - там полностью исчезают внутренние <шумы> аппаратуры. В электронно-вычислительной технике блестящую будущность сулят маломощным сверхпроводящим переключателям - криотронам (см. ст. <Пути электроники>).
Нетрудно представить себе, сколь заманчиво было бы продвинуть действие подобных приборов в область более высоких, более доступных температур. В последнее время открывается надежда создания полимерных пленочных сверхпроводников. Своеобразный характер электропроводности в таких материалах сулит блистательную возможность сохранить сверхпроводимость даже при комнатных температурах. Ученые настойчиво ищут пути осуществления этой надежды.

В недрах звезд

А теперь заглянем в царство самого горячего, что есть на свете, - в недра звезд. Туда, где температуры достигают миллионов градусов.
Беспорядочное тепловое движение в звездах настолько интенсивно, что целые атомы там существовать не могут: они разрушаются в бесчисленных столкновениях.
Столь сильно раскаленное вещество поэтому не может быть ни твердым, ни жидким, ни газообразным. Оно пребывает в состоянии плазмы, т. е. смеси электрически заряженных <осколков> атомов - атомных ядер и электронов.
Плазма - своеобразное состояние вещества. Поскольку ее частицы электрически заряжены, они чутко повинуются электрическим и магнитным силам. Поэтому близкое соседство двух атомных ядер (они несут положительный заряд) - явление редкое. Лишь при высоких плотностях и огромных температурах налетающие друг на друга атомные ядра способны сблизиться вплотную. Тогда совершаются термоядерные реакции - источник энергии звезд.
Ближайшая к нам звезда - Солнце состоит главным образом из водородной плазмы, которая раскалена в недрах светила до 10 млн. градусов. При таких условиях тесные сближения быстрых водородных ядер - протонов хоть и редко, но случаются. Иногда сблизившиеся протоны вступают во взаимодействие: преодолев электрическое отталкивание, они попадают во власть гигантских ядерных сил притяжения, стремительно <падают> друг на друга и сливаются. Тут происходит мгновенная перестройка: вместо двух протонов возникают дейтрон (ядро тяжелого изотопа водорода), позитрон и нейтрино. Освобождается энергия 0,46 млн. электрон-вольт (Мэв).
Каждый отдельно взятый солнечный протон может вступить в такую реакцию в среднем один раз за 14 млрд. лет. Но протонов в недрах светила так много, что то тут, то там совершается это маловероятное событие, - и горит наша звезда своим ровным, ослепительным пламенем.
Синтез дейтронов лишь первый шаг солнечных термоядерных превращений. Новорожденный дейтрон очень скоро (в среднем через 5,7 сек) соединяется еще с одним протоном. Возникает ядро легкого гелия и гамма-квант электромагнитного излучения. Освобождается 5,48 Мэв энергии.
Наконец, в среднем раз в миллион лет могут сойтись и соединиться два ядра легкого гелия. Тогда образуется ядро обычного гелия (альфа-частица) и отщепляются два протона. Выделяется 12,85 Мэв энергии.
Этот трехступенчатый <конвейер> термоядерных реакций не единственный. Существует и другая цепочка ядерных превращений, более быстрых. В ней участвуют (не расходуясь) атомные ядра углерода и азота. Но в обоих вариантах из водородных ядер синтезируются альфа-частицы. Фигурально выражаясь, водородная плазма Солнца <сгорает>, превращаясь в <золу> - плазму гелия. И в процессе синтеза каждого грамма гелиевой плазмы выделяется 175 тыс. квт-ч энергии. Огромное количество!
Ежесекундно Солнце излучает 4 1033 эргов энергии, теряя в весе 4 1012 г (4 млн. т) вещества. Но полная масса Солнца 2 1027 т. Значит, за миллион лет благодаря лучеиспусканию Солнце <худеет> всего лишь на одну десятимиллионную часть своей массы. Эти цифры красноречиво иллюстрируют эффективность термоядерных реакций и гигантскую калорийность солнечного <горючего> - водорода.
Термоядерный синтез, по-видимому, главный источник энергии всех звезд. При разных температурах и плотностях звездных недр осуществляются разные типы реакций. В частности, солнечная <зола>-ядра гелия - при 100 млн. градусов сама становится термоядерным <горючим>. Тогда из альфа-частиц могут синтезироваться еще более тяжелые атомные ядра - углерода и даже кислорода.
Как считают многие ученые, вся наша Метагалактика в целом тоже плод термоядерного синтеза, который проходил при температуре в миллиард градусов (см. ст. <Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

К искусственному солнцу

Необычайная калорийность термоядерного <горючего> побудила ученых добиваться искусственного осуществления реакций ядерного синтеза.
<Горючего> - изотопов водорода на нашей планете немало. Например, сверхтяжелый водород тритий можно получить из металла лития в ядерных реакторах. А тяжелый водород - дейтерий входит в состав тяжелой воды, которую можно добыть из обычной воды.
Тяжелый водород, извлеченный из двух стаканов обычной воды, дал бы в термоядерном реакторе столько энергии, сколько сейчас дает сжигание бочки первосортного бензина.
Трудность заключается в том, чтобы предварительно нагреть <горючее> до температур, при которых оно способно воспламениться могучим термоядерным огнем.
Впервые эта задача была решена в водородной бомбе. Изотопы водорода там поджигаются взрывом атомной бомбы, что сопровождается нагревом вещества до многих десятков миллионов градусов. В одном из вариантов водородной бомбы термоядерным горючим служит химическое соединение тяжелого водорода с легким литием - дейтерид легкого л и т и я. Этот белый порошок, похожий на столовую соль, <воспламеняясь> от <спички>, которой служит атомная бомба, мгновенно взрывается и создает температуру в сотни миллионов градусов.
Чтобы возбудить мирную термоядерную реакцию, надо прежде всего научиться без услуг атомной бомбы разогревать малые дозы достаточно плотной плазмы изотопов водорода до температур в сотни миллионов градусов. Эта проблема - одна из труднейших в современной прикладной физике. Над ней уже много лет работают ученые всего мира.
Мы уже говорили, что именно хаотическое движение частиц создает нагретость тел, причем средняя энергия их беспорядочного движения и соответствует температуре. Нагреть холодное тело - значит любым способом создать этот беспорядок.
Вообразите, что две группы бегунов стремительно несутся навстречу друг другу. Вот они столкнулись, перемешались, началась толчея, неразбериха. Отличный беспорядок!
Примерно так же физики на первых порах пытались получить высокую температуру - путем сталкивания газовых струй высокого давления. Газ нагревался до 10 тыс. градусов. В свое время это был рекорд: температура выше, чем на поверхности Солнца.
Но при этом способе дальнейший, достаточно медленный, не взрывной нагрев газа невозможен, так как тепловой беспорядок мгновенно распространяется во все стороны, согревая стенки экспериментальной камеры и окружающую среду. Полученное тепло быстро покидает систему, и изолировать ее невозможно.
Если струи газа заменить потоками плазмы, проблема теплоизоляции остается очень трудной, но открывается и надежда на ее решение.
Правда, и плазму нельзя оградить от потерь тепла сосудами, изготовленными из вещества пусть даже самого тугоплавкого. Соприкасаясь с твердыми стенками, горячая плазма немедленно остывает. Зато можно попытаться удержать и разогреть плазму, создав ее скопление в вакууме так, чтобы она не касалась стенок камеры, а висела в пустоте, ни до чего не дотрагиваясь. Тут следует воспользоваться тем, что частицы плазмы не нейтральные, как атомы газа, а электрически заряженные. Поэтому в движении они подвергаются действию магнитных сил. Возникает задача: устроить магнитное поле особой конфигурации, в котором горячая плазма висела бы как в мешке с невидимыми стенками.
Простейший вид такого п.эля создается автоматически, когда через плазму пропускают сильные импульсы электрического тока. Вокруг плазменного шнура при этом наводятся магнитные силы, которые стремятся сжать шнур. Плазма отделяется от стенок разрядной трубки, и у оси шнура в толчее частиц температура поднимается до 2 млн. градусов.
У нас в стране такие эксперименты были исполнены еще в 1950 г. под руководством академиков JI. А. Арцимовича и М. А. Леонтовича.
Другое направление опытов - использование магнитной бутылки, предложенной в 1952 г. советским физиком Г. И. Буд-кером, ныне академиком. Магнитная бутылка устраивается в пробкотроне - цилиндрической вакуумной камере, снабженной наружной обмоткой, которая сгущается у концов камеры. Ток, протекающий по обмотке, создает в камере магнитное поле. Его силовые линии в средней части располагаются параллельно образующим цилиндра, а у концов сжимаются и образуют магнитные пробки. Частицы плазмы, впрыснутой в магнитную бутылку, вьются вокруг силовых линий, отражаются от пробок. В результате плазма некоторое время удерживается внутри бутылки. Если энергия введенных в бутылку плазменных частиц достаточно велика и их достаточно много, они вступают в сложные силовые взаимодействия, их поначалу упорядоченное движение запутывается, становится беспорядочным - температура водородных ядер поднимается до десятков миллионов градусов.
Дополнительный нагрев достигается электромагнитными <ударами> по плазме, сжатием магнитного поля и т. д. Сейчас плазму ядер тяжелого водорода раскаляют до сотен миллионов градусов. Правда, это удается сделать либо на короткое время, либо при малой плотности плазмы.
Чтобы возбудить самоподдерживающуюся реакцию, предстоит дальше поднять температуру и плотность плазмы. Добиться этого трудно. Однако проблема, как убеждены ученые, бесспорно разрешима.

Г.Б. Анфилов

Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.

Задумывались ли вы над тем, насколько низкой может быть температура? Что представляет собой абсолютный ноль? Удастся ли человечеству когда-нибудь его достичь и какие возможности откроются после такого открытия? Эти и другие подобные вопросы издавна занимали умы многих физиков да и просто любознательных людей.

Что есть абсолютный ноль

Даже если с детства не любили физику, вам наверняка знакомо понятие температуры. Благодаря молекулярно-кинетической теории теперь мы знаем, что между ней и движениями молекул и атомов существует определенная статическая связь: чем больше температура любого физического тела, тем быстрее движутся его атомы, и наоборот. Возникает вопрос: «Существует ли такая нижняя граница, при которой элементарные частицы застынут на месте?». Ученые считают, что это теоритически возможно, столбик термометра окажется на отметке -273,15 градуса по шкале Цельсия. Данное значение получило название абсолютный ноль. Другими словами, это минимально возможный предел, до которого может быть охлаждено физическое тело. Есть даже абсолютная температурная шкала (шкала Кельвина), в которой абсолютный ноль является точкой отсчета, а единичное деление шкалы равно одному градусу. Ученые по всему миру не прекращают работы по достижению данного значения, так как это сулит человечеству огромные перспективы.

Почему это так важно

Предельно низкие и предельно высокие температуры тесно связаны с понятием сверхтекучести и сверхпроводимости. Исчезновение электрического сопротивления в сверхпроводниках позволит достичь немыслимых значений КПД и исключить любые потери энергии. Если бы удалось найти способ, который позволит свободно достичь значения "абсолютный нуль", многие проблемы человечества были бы решены. Поезда, парящие над рельсами, более легкие и менее объемные двигатели, трансформаторы и генераторы, высокоточная магнитоэнцефалография, высокоточные часы - вот лишь несколько примеров того, что может принести сверхпроводимость в нашу жизнь.

Последние научные достижения

В сентябре 2003 года исследователи из MIT и NASA сумели охладить газ натрий до рекордно низкого значения. В ходе эксперимента до финишной отметки (абсолютный ноль) им не хватило всего половины миллиардной доли градуса. В процессе тестов натрий все время находился в магнитном поле, которое удерживало его от прикосновения к стенкам контейнера. Если бы удалось преодолеть температурный барьер, молекулярное движение в газе полностью бы остановилось, ведь такое охлаждение извлекло бы всю энергию из натрия. Исследователи применили методику, автор которой (Вольфганг Кеттерле) получил в 2001 году Нобелевскую премию по физике. Ключевым моментом в проводимых тестах были газовые процессы конденсации Бозе-Эйнштейна. Меж тем, никто еще не отменял третье начало термодинамики, согласно которому абсолютный ноль - это не только непреодолимая, но и недостижимая величина. К тому же действует принцип неопределенности Гейзенберга, и атомы просто не могут остановиться как вкопанные. Таким образом, пока что абсолютный нуль температуры для науки остается недостижимым, хоть ученые и смогли приблизиться к нему на ничтожно маленькое расстояние.

Термин «температура» появился во времена, когда ученые-физики думали, что теплые тела состоят из большего количества специфической субстанции - теплорода, - чем такие же тела, но холодные. А температура трактовалась как величина, соответствующая количеству теплорода в теле. С тех пор температуру любых тел измеряют в градусах. Но на самом деле это мера кинетической энергии движущихся молекул, и, исходя из этого, ее следует измерять в Джоулях, в соответствии с Системой единиц Си.

Понятие «абсолютный ноль температуры» исходит из второго начала термодинамики. По нему процесс перехода тепла от холодного тела к горячему невозможен. Это понятие введено английским физиком У. Томсоном. Ему за достижения в физике было даровано дворянское звание «лорд» и титул «барон Кельвин». В 1848 г. У.Томсон (Кельвин) предложил использовать температурную шкалу, в которой за начальную точку принял абсолютный ноль температуры, соответствующий предельному холоду, а ценой деления взял градус Цельсия. Единицей Кельвина является 1/27316 доля температуры тройной точки воды (около 0 град. С), т.е. температуры, при которой чистая вода сразу находится в трех видах: лед, жидкая вода и пар. температуры - это минимально возможная низкая температура, при которой движение молекул останавливается, и из вещества уже невозможно извлечь тепловую энергию. С тех пор шкала абсолютных температур стала называться его именем.

Температура измеряется по разным шкалам

Наиболее употребляемая шкала температуры носит название «шкала Цельсия». Она построена на двух точках: на температуре фазового перехода воды из жидкости в пар и воды в лед. А. Цельсий в 1742 г. предложил расстояние между опорными точками разделить на 100 промежутков, а воды принять за ноль, при этом точку замерзания за 100 градусов. Но швед К. Линней предложил сделать наоборот. С тех пор вода замерзает при ноле градусов А. Цельсия. Хотя точно по Цельсию она должна кипеть. Абсолютный ноль по Цельсию соответствует минус 273,16 градусов Цельсия.

Есть еще несколько температурных шкал: Фаренгейта, Реомюра, Ранкина, Ньютона, Рёмера. Они имеют разные и цену деления. Например шкала Реомюра тоже построена на реперах кипения и замерзания воды, но она имеет 80 делений. Шкала Фаренгейта, появившаяся в 1724 г., используется в быту только в некоторых странах мира, в т. ч. США; одна - температура смеси водяной лед - нашатырь и другая - человеческого тела. Шкала делится на сто делений. Ноль Цельсия соответствует 32 Перевод градусов в фаренгейты можно сделать по формуле: F = 1,8 C + 32. Обратный перевод: С = (F - 32)/1,8, где: F - градусы Фаренгейта, С - градусы Цельсия. Если вам лень считать, сходите в онлайн-сервис по переводу Цельсия в Фаренгейты. В рамочке наберите число градусов Цельсия, нажмите «Рассчитать», выберите «Фаренгейт» и нажмите «Пуск». Результат появится сразу.

Названа в честь английского (точнее шотландского) физика Уильяма Дж. Ранкина, бывшего современником Кельвина и одним из создателей технической термодинамики. В его шкале важных точек три: начало - абсолютный ноль, точки замерзания воды 491,67 градус Ранкина и закипания воды 671,67 град. Число делений между замерзанием воды и ее закипанием и у Ранкина, и у Фаренгейта равно 180.

Большинством этих шкал пользуются исключительно физики. А 40% опрошенных в наши дни американских школьников выпускных классов сказали, что они не знают, что такое абсолютный ноль температуры.

Абсолютный ноль (absolute zero) – начало отсчета абсолютной температуры, начинающей отчет от 273.16 К ниже тройной точки воды (точка равновесия трех фаз – льда, воды и водяного пара); при абсолютном ноле движение молекул прекращается, и они находятся в состоянии «нулевых» движений. Или: самая низкая температура, при которой вещество не содержит тепловой энергии.

Абсолютный ноль начало отсчета абсолютной температуры . Соответствует -273 ,16 ° С . В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру , превышающую абсолютный ноль всего на несколько миллионных долей градуса , достичь же его , согласно законам термодинамики , невозможно . При абсолютном ноле система находилась бы в состоянии с наименьшей возможной энергией (в этом состоянии атомы и молекулы совершали бы "нулевые " колебания ) и обладала нулевой энтропией (нулевой неупорядоченностью ). Объем идеального газа в точке абсолютного ноля должен быть равен нолю , и чтобы определить эту точку , измеряют объем реального газа гелия при последовательном понижении температуры вплоть до его ожижения при низком давлении (-268 ,9 ° С ) и проводят экстраполяцию к температуре , при которой объем газа в отсутствие ожижения обратился бы в ноль . Температура по абсолютной термодинамической шкале измеряется в кельвинах , обозначаемых символом К . Абсолютная термодинамическая шкала и шкала Цельсия просто смещены одна относительно другой и связаны соотношением К = °C + 273 ,16 °.

История

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества - теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково - градусами.

Из того, что температура - это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах - градусах.

Шкала Кельвина

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

Шкала Цельсия

В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия - особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия - это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F - 32), 1 °F = 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

Шкала Реомюра

Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица - градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками - температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Сравнение температурных шкал

Нормальная температура человеческого тела - 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F - это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность. Некоторые значения в этой таблице были округлены.

Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия

( o F - шкала Фаренгейта, o C - шкала Цельсия)

Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T 0 где T- температура в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T 0 =273.15 кельвина. По размеру градус цельсия равен кельвину.

Абсолютный температурный нуль соответствует 273,15 градусам Цельсия ниже нуля, 459,67 ниже нуля по Фаренгейту. Для температурной шкалы Кельвина такая температура сама по себе является нулевой отметкой.

Сущность абсолютного нуля температуры

Понятие абсолютного нуля исходит из самой сущности температуры. Любое тело , которую отдает во внешнюю среду в ходе . При этом снижается температура тела, т.е. энергии остается меньше. Теоретически этот процесс может продолжаться до тех пор, пока количество энергии не достигнет такого минимума, при котором отдавать ее тело уже не сможет.
Отдаленное предвестие такой идеи можно найти уже у М.В.Ломоносова. Великий русский ученый объяснял теплоту «коловратным» движением. Следовательно, предельная степень охлаждения – это полная остановка такого движения.

По современным представлениям, абсолютный нуль температуры – , при котором молекулы наименьшим возможным уровнем энергии. При меньшем количестве энергии, т.е. при более низкой температуре ни одно физическое тело существовать не может.

Теория и практика

Абсолютный нуль температуры – понятие теоретическое, достичь его на практике невозможно в принципе, даже в условиях научных лабораторий с самой сложной аппаратурой. Но ученым удается охлаждать вещество до очень низких температур, которые близки к абсолютному нулю.

При таких температурах вещества приобретают удивительные свойства, которых они не могут иметь при обычных обстоятельствах. Ртуть, которую называют «живым серебром» из-за ее пребывания в состоянии, близком к жидкому, при такой температуре становится твердой – до такой степени, что ею можно забивать гвозди. Некоторые металлы становятся хрупкими, как стекло. Такой же твердой и становится резина. Если при температуре, близкой к абсолютному нулю, ударить молотком какой-нибудь резиновый предмет, он разобьется, как стеклянный.

Такое изменение свойств тоже связано с природой теплоты. Чем выше температура физического тела, тем интенсивнее и хаотичнее двигаются молекулы. По мере снижения температуры движение становится менее интенсивным, а структура – более упорядоченной. Так газ становится жидкостью, а жидкость твердым телом. Предельный уровень упорядоченности – кристаллическая структура. При сверхнизких температурах ее приобретают даже такие вещества, которые в обычном состоянии остаются аморфными, например, резина.

Интересные явления происходят и с металлами. Атомы кристаллической решетки колеблются с меньше амплитудой, рассеяние электронов уменьшается, поэтому падает электрическое сопротивление. Металл приобретает сверхпроводимость, практическое применение которой представляется весьма заманчивым, хотя и труднодостижимым.

Источники:

• Ливанова А. Низкие температуры, абсолютный нуль и квантовая механика

Тело – это одно из основных понятий в физике, под которым подразумевается форма существования материи или вещества. Это материальный объект, который характеризуется объемом и массой, иногда также другими параметрами. Физическое тело явно отделено от других тел границей. Существует несколько особенных видов физических тел, не следует понимать их перечисление как классификацию.

В механике под физическим телом чаще всего понимается материальная точка. Это некая абстракция, главным свойством которой является факт того, что реальными размерами тела для решения конкретной задачи можно пренебречь. Иными , материальная точка – это вполне конкретное тело, которое имеет размеры, форму и прочие подобные характеристики, но они не важны для того, чтобы решить имеющуюся задачу. К примеру, если нужно посчитать объекта на определенном участке пути, с его длиной при решении задачи можно совершенно не считаться. Еще один тип физических тел, рассматриваемый механикой – это абсолютно твердое тело. Механика такого тела точно такая же, как и механика материальной точки, но дополнительно обладает и другими свойствами. Абсолютно твердое тело состоит из точек, но ни расстояние между ними, ни распределение массы не меняются под нагрузками, которым подвергается тело. Это означает, что оно не может быть деформировано. Чтобы определить положение абсолютно твердого тела, достаточно задать привязанную к нему систему координат, обычно декартову. В большинстве случаев центр массы является также и центром системы координат. В абсолютно твердого тела не существует, но для решения многих задач такая абстракция очень удобна, хотя в релятивистской механике она не рассматривается, так как при движениях, скорость которых сравнима со скоростью света, эта модель демонстрирует внутренние противоречия. Противоположностью абсолютно твердому телу является деформируемое тело,