Cuando el parte meteorológico predice temperaturas cercanas a cero grados, no conviene ir a la pista de patinaje: el hielo se derretirá. La temperatura de fusión del hielo se considera cero grados Celsius, la escala de temperatura más común.
Estamos muy familiarizados con la escala negativa de grados Celsius: grados<ниже
нуля>, grados de frío. La temperatura más baja de la Tierra se registró en la Antártida: -88,3°C. Fuera de la Tierra son posibles temperaturas aún más bajas: en la superficie de la Luna, a la medianoche lunar, pueden alcanzar los -160°C.
Pero las temperaturas arbitrariamente bajas no pueden existir en ninguna parte.
La temperatura extremadamente baja, el cero absoluto, corresponde a -273,16° en la escala Celsius.
La escala de temperatura absoluta, la escala Kelvin, parte del cero absoluto. El hielo se derrite a 273,16° Kelvin y el agua hierve a 373,16° K. Por tanto, el grado K es igual al grado C. Pero en la escala Kelvin, todas las temperaturas son positivas.
¿Por qué 0°K es el límite de frío?<пляска>El calor es el movimiento caótico de átomos y moléculas de una sustancia. Cuando una sustancia se enfría, se le elimina energía térmica y se debilita el movimiento aleatorio de las partículas. Finalmente, con un fuerte enfriamiento, la temperatura
las partículas se detiene casi por completo. Los átomos y las moléculas se congelarían por completo a una temperatura que se considera cero absoluto.<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Según los principios de la mecánica cuántica, en el cero absoluto cesaría el movimiento térmico de las partículas, pero las partículas mismas no se congelarían, ya que no pueden estar en completo reposo. Por tanto, en el cero absoluto, las partículas aún deben conservar algún tipo de movimiento, lo que se denomina movimiento cero.
Sin embargo, enfriar una sustancia a una temperatura inferior al cero absoluto es una idea tan carente de sentido como, digamos, la intención
Además, incluso alcanzar el cero absoluto exacto es casi imposible. Sólo puedes acercarte a él. Porque de ninguna manera se puede quitar absolutamente toda la energía térmica de una sustancia. Parte de la energía térmica permanece en el enfriamiento más profundo.
En la mayoría de los refrigeradores domésticos e industriales, el calor se elimina mediante la evaporación de un líquido especial: el freón, que circula a través de tubos metálicos. El secreto es que el freón puede permanecer en estado líquido sólo a una temperatura suficientemente baja. En el compartimento frigorífico, debido al calor de la cámara, se calienta y hierve, convirtiéndose en vapor. Pero el vapor es comprimido por el compresor, se licua y entra al evaporador, reponiendo la pérdida de freón evaporado. Se consume energía para operar el compresor.
En los dispositivos de enfriamiento profundo, el portador frío es un líquido ultrafrío: el helio líquido. Incoloro, ligero (8 veces más ligero que el agua), hierve a presión atmosférica a 4,2°K y al vacío a 0,7°K. Una temperatura aún más baja la proporciona el isótopo ligero del helio: 0,3°K.
Instalar un refrigerador de helio permanente es bastante complicado.
La investigación se lleva a cabo simplemente en baños con helio líquido. Y para licuar este gas, los físicos utilizan diferentes técnicas. Por ejemplo, el helio preenfriado y comprimido se expande y se libera a través de un orificio delgado hacia una cámara de vacío. Al mismo tiempo, la temperatura disminuye aún más y una parte del gas se convierte en líquido. Es más eficiente no solo expandir el gas enfriado, sino también obligarlo a realizar un trabajo: mover el pistón.
El helio líquido resultante se almacena en termos especiales: matraces Dewar.
El coste de este líquido tan frío (el único que no se congela en el cero absoluto) resulta bastante elevado. Sin embargo, hoy en día el helio líquido se utiliza cada vez más, no sólo en la ciencia, sino también en diversos dispositivos técnicos.
Las temperaturas más bajas se alcanzaron de otra manera. Resulta que las moléculas de algunas sales, por ejemplo el alumbre de potasio y cromo, pueden girar a lo largo de líneas de fuerza magnética. Esta sal se enfría previamente con helio líquido a 1°K y se coloca en un fuerte campo magnético. En este caso, las moléculas giran a lo largo de las líneas de fuerza y el helio líquido elimina el calor liberado. Luego, el campo magnético se elimina abruptamente, las moléculas vuelven a girar en diferentes direcciones y el gas consumido
Una sustancia congelada a temperaturas ultrabajas en baños de helio líquido cambia notablemente. El caucho se vuelve quebradizo, el plomo se vuelve duro como el acero y elástico, muchas aleaciones aumentan la resistencia.
El propio helio líquido se comporta de una manera peculiar. A temperaturas inferiores a 2,2° K, adquiere una propiedad sin precedentes en los líquidos comunes: la superfluidez: una parte pierde completamente su viscosidad y fluye a través de las grietas más estrechas sin fricción.
Este fenómeno fue descubierto en 1937 por el físico académico soviético P. JI.
Kapitsa, explicó a continuación el académico JI. D. Landau.
Resulta que a temperaturas ultrabajas las leyes cuánticas del comportamiento de la materia comienzan a tener un efecto notable. Como exige una de estas leyes, la energía puede transferirse de un cuerpo a otro sólo en porciones bien definidas: los cuantos. Hay tan pocos cuantos de calor en el helio líquido que no hay suficientes para todos los átomos. La parte del líquido, desprovista de cuantos de calor, permanece como a temperatura cero absoluto; sus átomos no participan en absoluto en el movimiento térmico aleatorio y no interactúan de ninguna manera con las paredes del recipiente; Esta parte (se llamó helio-H) tiene superfluidez. A medida que la temperatura disminuye, el helio-P se vuelve cada vez más abundante, y en el cero absoluto todo el helio se convertiría en helio-H. La superfluidez ahora se ha estudiado con gran detalle e incluso se ha encontrado útil aplicación práctica
: con su ayuda es posible separar isótopos de helio.
Superconductividad
Cerca del cero absoluto se producen cambios extremadamente interesantes en las propiedades eléctricas de algunos materiales.
En 1911, el físico holandés Kamerlingh Onnes hizo un descubrimiento inesperado: resultó que a una temperatura de 4,12 ° K, la resistencia eléctrica del mercurio desaparece por completo. Mercurio se convierte en un superconductor.<гроб Магомета>La corriente eléctrica inducida en un anillo superconductor no se extingue y puede fluir casi para siempre.
Sobre dicho anillo, una bola superconductora flotará en el aire y no caerá, como en un cuento de hadas.
Las temperaturas a las que aparece la superconductividad (temperaturas críticas) cubren un rango bastante amplio: desde 0,35° K (hafnio) hasta 18° K (aleación de niobio y estaño).
El fenómeno de la superconductividad, como la superconductividad,
La fluidez ha sido estudiada en detalle. Se encontraron dependencias de las temperaturas críticas de la estructura interna de los materiales y del campo magnético externo.
Se desarrolló una teoría profunda de la superconductividad (el académico científico soviético N. N. Bogolyubov hizo una contribución importante).
La esencia de este fenómeno paradójico es también puramente cuántica. A temperaturas ultrabajas, los electrones en<танцуя>Los superconductores forman un sistema de partículas unidas por pares que no pueden dar energía a la red cristalina ni desperdiciar cuantos de energía al calentarla. Los pares de electrones se mueven como si<прутьями решетки>, entre
- iones y evitarlos sin colisiones ni transferencia de energía.
La superconductividad se utiliza cada vez más en la tecnología.
Por ejemplo, en la práctica se utilizan solenoides superconductores: bobinas de superconductor sumergidas en helio líquido. Una vez inducida la corriente y, en consecuencia, el campo magnético, se puede almacenar en ellos durante el tiempo que se desee. Puede alcanzar un tamaño gigantesco: más de 100.000 personas. En el futuro, sin duda aparecerán potentes dispositivos superconductores industriales: motores eléctricos, electroimanes, etc. En la radioelectrónica, los amplificadores y generadores ultrasensibles están empezando a desempeñar un papel importante.<шумы>ondas electromagnéticas<Пути электроники>).
, que funcionan especialmente bien en baños con helio líquido: allí el interior equipo. En la tecnología de computación electrónica, se promete un futuro brillante para los interruptores superconductores de baja potencia: los criotrones (ver art. No es difícil imaginar lo tentador que sería llevar el funcionamiento de tales dispositivos a la región de temperaturas más altas y accesibles. EN
Se abre la esperanza de crear superconductores de películas poliméricas. La naturaleza peculiar de la conductividad eléctrica en tales materiales promete una brillante oportunidad para mantener la superconductividad incluso a temperatura ambiente. Los científicos buscan persistentemente formas de hacer realidad esta esperanza.
En las profundidades de las estrellas
Por tanto, una sustancia tan caliente no puede ser ni sólida, ni líquida, ni gaseosa. Se encuentra en estado de plasma, es decir, una mezcla de sustancias cargadas eléctricamente.<осколков>Átomos: núcleos atómicos y electrones.
El plasma es un estado único de la materia. Como sus partículas están cargadas eléctricamente, son sensibles a las fuerzas eléctricas y magnéticas. Por tanto, la proximidad de dos núcleos atómicos (llevan una carga positiva) es un fenómeno raro. Sólo a altas densidades y temperaturas enormes los núcleos atómicos que chocan entre sí pueden acercarse. Entonces tienen lugar reacciones termonucleares, la fuente de energía de las estrellas.
La estrella más cercana a nosotros, el Sol, se compone principalmente de plasma de hidrógeno, que se calienta en las entrañas de la estrella a 10 millones de grados. En tales condiciones, aunque son raros, se producen encuentros cercanos entre núcleos rápidos de hidrógeno y protones. A veces, los protones que se acercan interactúan: una vez superada la repulsión eléctrica, caen en el poder de gigantescas fuerzas nucleares de atracción, que rápidamente<падают>uno encima del otro y fusionarse. Aquí se produce una reestructuración instantánea: en lugar de dos protones, aparecen un deuterón (el núcleo de un isótopo de hidrógeno pesado), un positrón y un neutrino. La energía liberada es de 0,46 millones de electronvoltios (MeV).
Cada protón solar individual puede participar en una reacción de este tipo en promedio una vez cada 14 mil millones de años. Pero hay tantos protones en las profundidades de la luz que aquí y allá se produce este improbable evento y nuestra estrella arde con su llama uniforme y deslumbrante.
La síntesis de deuterones es sólo el primer paso de las transformaciones termonucleares solares. El deuterón recién nacido muy pronto (en promedio después de 5,7 segundos) se combina con otro protón. Aparecen un núcleo ligero de helio y un rayo gamma. radiación electromagnética
. Se liberan 5,48 MeV de energía.
Finalmente, en promedio, una vez cada millón de años, dos núcleos ligeros de helio pueden converger y combinarse. Luego se forma un núcleo de helio ordinario (partícula alfa) y se escinden dos protones. Se liberan 12,85 MeV de energía.<конвейер>Esta tres etapas<сгорает>Las reacciones termonucleares no son las únicas.<золу>Hay otra cadena de transformaciones nucleares, más rápidas. En él participan (sin consumirse) los núcleos atómicos de carbono y nitrógeno. Pero en ambas opciones, las partículas alfa se sintetizan a partir de núcleos de hidrógeno. En sentido figurado, el plasma de hidrógeno del Sol. , convirtiéndose en!
Cada segundo el Sol emite 4.1033 ergios de energía, perdiendo 4.1012 g (4 millones de toneladas) de materia en peso. Pero la masa total del Sol es de 2.1027 toneladas. Esto significa que en un millón de años, gracias a la radiación, el Sol.<худеет>sólo una diezmillonésima parte de su masa. Estas cifras ilustran elocuentemente la eficacia de las reacciones termonucleares y el gigantesco poder calorífico de la energía solar.<горючего>- hidrógeno.
La fusión termonuclear es aparentemente la principal fuente de energía de todas las estrellas.<зола>A diferentes temperaturas y densidades de los interiores estelares se producen diferentes tipos de reacciones. En particular, solares<горючим>-núcleos de helio - a 100 millones de grados se vuelve termonuclear
. Entonces se pueden sintetizar núcleos atómicos aún más pesados (carbono e incluso oxígeno) a partir de partículas alfa.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Hacia el sol artificial<горючего>Extraordinario poder calorífico de la termonuclear.
<Горючего>impulsó a los científicos a lograr la implementación artificial de reacciones de fusión nuclear.
- Hay muchos isótopos de hidrógeno en nuestro planeta. Por ejemplo, el tritio, hidrógeno superpesado, se puede producir a partir del metal litio en reactores nucleares. Y el hidrógeno pesado: el deuterio es parte del agua pesada, que se puede extraer del agua corriente.
El hidrógeno pesado extraído de dos vasos de agua corriente proporcionaría en un reactor termonuclear tanta energía como la que se produce actualmente quemando un barril de gasolina premium.<горючее>La dificultad es precalentar.
a temperaturas a las que puede encenderse con un potente fuego termonuclear. Este problema se resolvió por primera vez con la bomba de hidrógeno. Los isótopos de hidrógeno se encienden por explosión bomba atómica<воспламеняясь>, que va acompañado de un calentamiento de la sustancia a muchas decenas de millones de grados. En una de las versiones de la bomba de hidrógeno, el combustible termonuclear es un compuesto químico de hidrógeno pesado con litio ligero: deuteruro de litio ligero. Este polvo blanco, similar a la sal de mesa,<спички>de
, que es una bomba atómica, explota instantáneamente y crea una temperatura de cientos de millones de grados.
Ya hemos dicho que es el movimiento caótico de las partículas lo que crea el calentamiento de los cuerpos, y la energía media de su movimiento aleatorio corresponde a la temperatura. Calentar un cuerpo frío significa crear este desorden de cualquier manera.
Imagínese dos grupos de corredores corriendo uno hacia el otro. Entonces chocaron, se mezclaron, se enamoraron y comenzó la confusión.
¡Gran desastre!
De la misma manera, los físicos inicialmente intentaron obtener altas temperaturas, haciendo chocar chorros de gas a alta presión. El gas se calentó hasta 10 mil grados. Hubo un tiempo en que esto fue un récord: la temperatura era más alta que en la superficie del Sol.
Pero con este método es imposible un calentamiento posterior del gas, bastante lento y no explosivo, ya que el desorden térmico se propaga instantáneamente en todas direcciones, calentando las paredes de la cámara experimental y el medio ambiente. El calor resultante abandona rápidamente el sistema y es imposible aislarlo.
Si los chorros de gas se sustituyen por flujos de plasma, el problema del aislamiento térmico sigue siendo muy difícil, pero también hay esperanzas de solucionarlo.
Es cierto que el plasma no puede protegerse de la pérdida de calor mediante recipientes fabricados ni siquiera con la sustancia más refractaria. En contacto con paredes sólidas, el plasma caliente se enfría inmediatamente. Pero puedes intentar retener y calentar el plasma creando su acumulación en el vacío para que no toque las paredes de la cámara, sino que cuelgue en el vacío, sin tocar nada. Aquí deberíamos aprovechar el hecho de que las partículas de plasma no son neutras, como los átomos de un gas, sino que están cargadas eléctricamente. Por tanto, cuando se mueven, están expuestos a fuerzas magnéticas. La tarea que se plantea es crear un campo magnético de configuración especial en el que el plasma caliente cuelgue como si estuviera dentro de una bolsa con paredes invisibles. La forma más simple Este tipo de energía se crea automáticamente cuando pasan fuertes pulsos a través del plasma. corriente eléctrica
. En este caso, se inducen fuerzas magnéticas alrededor del cordón de plasma, que tienden a comprimir el cordón.
Otra dirección de los experimentos es el uso de una botella magnética, propuesta en 1952 por el físico soviético G.I. Budker, ahora académico. La botella magnética se coloca en una cámara de corcho, una cámara de vacío cilíndrica equipada con un devanado externo, que se condensa en los extremos de la cámara. La corriente que fluye a través del devanado crea un campo magnético en la cámara. Sus líneas de campo en la parte media son paralelas a las generatrices del cilindro, y en los extremos se comprimen y forman tapones magnéticos. Las partículas de plasma inyectadas en una botella magnética se enrollan alrededor de las líneas de campo y se reflejan en los tapones. Como resultado, el plasma queda retenido dentro de la botella durante algún tiempo. Si la energía de las partículas de plasma introducidas en la botella es lo suficientemente alta y hay muchas, entran en interacciones de fuerza complejas, su movimiento inicialmente ordenado se confunde, se vuelve desordenado: la temperatura de los núcleos de hidrógeno aumenta a decenas de millones. de grados.
El calentamiento adicional se logra mediante electromagnética.<ударами>por plasma, compresión del campo magnético, etc. Ahora el plasma de núcleos de hidrógeno pesados se calienta a cientos de millones de grados. Es cierto que esto se puede hacer mediante poco tiempo, o con baja densidad plasmática.
Para iniciar una reacción autosostenida, es necesario aumentar aún más la temperatura y la densidad del plasma. Esto es difícil de lograr. Sin embargo, el problema, como están convencidos los científicos, sin duda tiene solución.
GB Anfílov
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¿Alguna vez has pensado en lo baja que puede ser la temperatura? ¿Qué es el cero absoluto? ¿Podrá la humanidad lograrlo algún día y qué oportunidades se abrirán después de tal descubrimiento? Estas y otras preguntas similares han ocupado durante mucho tiempo las mentes de muchos físicos y personas simplemente curiosas.
¿Qué es el cero absoluto?
Incluso si no te gustó la física desde pequeño, probablemente estés familiarizado con el concepto de temperatura. Gracias a la teoría cinética molecular, ahora sabemos que existe una cierta conexión estática entre ésta y los movimientos de las moléculas y los átomos: cuanto mayor es la temperatura de cualquier cuerpo físico, más rápido se mueven sus átomos, y viceversa. Surge la pregunta: "¿Existe un límite inferior en el que las partículas elementales se congelarán en su lugar?" Los científicos creen que esto es teóricamente posible; el termómetro estará a -273,15 grados centígrados. Este valor se llama cero absoluto. En otras palabras, este es el límite mínimo posible hasta el cual se puede enfriar un cuerpo físico. Incluso existe una escala de temperatura absoluta (escala Kelvin), en la que el cero absoluto es el punto de referencia y una división de la escala equivale a un grado. Los científicos de todo el mundo continúan trabajando para lograr valor dado, ya que esto promete grandes perspectivas para la humanidad.
¿Por qué es esto tan importante?
Las temperaturas extremadamente bajas y extremadamente altas están estrechamente relacionadas con los conceptos de superfluidez y superconductividad. La desaparición de la resistencia eléctrica en los superconductores permitirá alcanzar valores de eficiencia inimaginables y eliminar cualquier pérdida de energía. Si pudiéramos encontrar una manera que nos permitiera alcanzar libremente el valor del “cero absoluto”, muchos de los problemas de la humanidad se resolverían. Trenes flotando sobre los rieles, motores más ligeros y pequeños, transformadores y generadores, magnetoencefalografía de alta precisión, relojes de alta precisión: estos son sólo algunos ejemplos de lo que la superconductividad puede aportar a nuestras vidas.
Últimos avances científicos
En septiembre de 2003, investigadores del MIT y la NASA lograron enfriar el gas sodio a un nivel récord. Durante el experimento, sólo les faltaba media billonésima de grado para alcanzar la marca final (cero absoluto). Durante las pruebas, el sodio estuvo constantemente en un campo magnético, lo que le impedía tocar las paredes del recipiente. Si fuera posible superar la barrera de la temperatura, el movimiento molecular en el gas se detendría por completo, porque dicho enfriamiento extraería toda la energía del sodio. Los investigadores utilizaron una técnica cuyo autor (Wolfgang Ketterle) recibió en 2001 premio nobel en física. El punto clave de las pruebas fueron los procesos de gas de condensación de Bose-Einstein. Mientras tanto, nadie ha anulado todavía la tercera ley de la termodinámica, según la cual el cero absoluto no sólo es un valor insuperable, sino también inalcanzable. Además, se aplica el principio de incertidumbre de Heisenberg y los átomos simplemente no pueden detenerse en seco. Así, por ahora, la temperatura del cero absoluto sigue siendo inalcanzable para la ciencia, aunque los científicos han podido aproximarse a ella a una distancia insignificante.
cero absoluto temperaturas
Temperatura cero absoluta- este es el límite mínimo de temperatura que puede tener un cuerpo físico. El cero absoluto sirve como origen de una escala de temperatura absoluta, como la escala Kelvin. En la escala Celsius, el cero absoluto corresponde a una temperatura de -273,15 °C.
Se cree que el cero absoluto es inalcanzable en la práctica. Su existencia y posición en la escala de temperatura se deriva de la extrapolación de los fenómenos físicos observados, y dicha extrapolación muestra que en el cero absoluto la energía del movimiento térmico de las moléculas y átomos de una sustancia debe ser igual a cero, es decir, el movimiento caótico de las partículas. se detiene, y forman una estructura ordenada, ocupando una posición clara en los nodos de la red cristalina. Sin embargo, de hecho, incluso a una temperatura del cero absoluto, los movimientos regulares de las partículas que componen la materia permanecerán. El resto de oscilaciones, como las oscilaciones del punto cero, se deben a las propiedades cuánticas de las partículas y al vacío físico que las rodea.
Actualmente, en los laboratorios físicos se han podido obtener temperaturas que superan el cero absoluto sólo en unas millonésimas de grado; lograrlo por sí solo, según las leyes de la termodinámica, es imposible.
Notas
Literatura
- G. Burmin. Asalto al cero absoluto. - M.: “Literatura infantil”, 1983.
Ver también
Fundación Wikimedia.
- 2010.
- Temperatura cero absoluta
Temperaturas cero absoluto
Vea qué es “temperatura cero absoluta” en otros diccionarios: Temperaturas cero absoluto
- La temperatura cero absoluta es el límite mínimo de temperatura que puede tener un cuerpo físico. El cero absoluto sirve como punto de partida para una escala de temperatura absoluta, como la escala Kelvin. En la escala Celsius, el cero absoluto corresponde a... ... Wikipedia- CERO ABSOLUTO, la temperatura a la cual todos los componentes del sistema tienen la menor cantidad de energía permitida por las leyes de la MECÁNICA CUÁNTICA; cero en la escala de temperatura Kelvin, o 273,15°C (459,67° Fahrenheit). A esta temperatura... Diccionario enciclopédico científico y técnico.
Escala de temperatura absoluta
Temperatura termodinámica absoluta- Movimiento térmico caótico en el plano de partículas de gas como átomos y moléculas. Hay dos definiciones de temperatura. Uno desde el punto de vista cinético molecular, el otro desde el punto de vista termodinámico. Temperatura (del latín temperatura propiamente dicha ... ... Wikipedia
Escala de temperatura absoluta- Movimiento térmico caótico en el plano de partículas de gas como átomos y moléculas. Hay dos definiciones de temperatura. Uno desde el punto de vista cinético molecular, el otro desde el punto de vista termodinámico. Temperatura (del latín temperatura propiamente dicha ... ... Wikipedia
Temperatura cero absoluta
La temperatura límite a la cual el volumen de un gas ideal se vuelve igual a cero se toma como temperatura cero absoluto.
Encontremos el valor del cero absoluto en la escala Celsius.
Igualar el volumen V en la fórmula (3.1) cero y teniendo en cuenta que
.
Por tanto, la temperatura del cero absoluto es
t= –273°C. 2
Esta es la temperatura extrema y más baja de la naturaleza, ese "mayor o último grado de frío", cuya existencia predijo Lomonosov.
Las temperaturas más altas de la Tierra (cientos de millones de grados) se obtuvieron durante explosiones bombas termonucleares. Temperaturas aún más altas son típicas de las regiones internas de algunas estrellas.
2Más valor exacto cero absoluto: –273,15 °C.
escala kelvin
El científico inglés W. Kelvin presentó escala absoluta temperaturas La temperatura cero en la escala Kelvin corresponde al cero absoluto y la unidad de temperatura en esta escala es igual a un grado en la escala Celsius, por lo que la temperatura absoluta t está relacionado con la temperatura en la escala Celsius mediante la fórmula
t = t + 273. (3.2)
En la figura. 3.2 muestra la escala absoluta y la escala Celsius para comparar.
La unidad SI de temperatura absoluta se llama kelvin(abreviado como K). Por lo tanto, un grado en la escala Celsius es igual a un grado en la escala Kelvin:
Por tanto, la temperatura absoluta, según la definición dada por la fórmula (3.2), es una cantidad derivada que depende de la temperatura Celsius y del valor de a determinado experimentalmente.
Lector:¿Qué significado físico tiene la temperatura absoluta?
Escribamos la expresión (3.1) en la forma
.
Considerando que la temperatura en la escala Kelvin está relacionada con la temperatura en la escala Celsius por la relación t = t + 273, obtenemos
Dónde t 0 = 273 K, o
Dado que esta relación es válida para temperatura arbitraria t, entonces la ley de Gay-Lussac se puede formular de la siguiente manera:
Para una masa dada de gas en p = const, se cumple la siguiente relación:
Tarea 3.1. a temperatura t 1 = volumen de gas de 300 K V 1 = 5,0 litros. Determinar el volumen de gas a la misma presión y temperatura. t= 400K.
¡DETENER! Decide tú mismo: A1, B6, C2.
Problema 3.2. Durante el calentamiento isobárico, el volumen de aire aumentó un 1%. ¿En qué porcentaje aumentó la temperatura absoluta?
= 0,01.
Respuesta: 1 %.
Recordemos la fórmula resultante.
¡DETENER! Decide tú mismo: A2, A3, B1, B5.
ley de charles
El científico francés Charles estableció experimentalmente que si se calienta un gas de manera que su volumen permanezca constante, la presión del gas aumentará. La dependencia de la presión de la temperatura tiene la forma:
r(t) = pag 0 (1 + segundo t), (3.6)
Dónde r(t) – presión a temperatura t°C; r 0 – presión a 0 °C; b es el coeficiente de temperatura de presión, que es el mismo para todos los gases: 1/K.
Lector: Sorprendentemente, el coeficiente de temperatura de la presión b es exactamente igual al coeficiente de temperatura de la expansión volumétrica a.
Tomemos una cierta masa de gas con un volumen V 0 a temperatura t 0 y presión r 0. Por primera vez, manteniendo constante la presión del gas, lo calentamos a una temperatura t 1. Entonces el gas tendrá un volumen V 1 = V 0 (1 + un t) y presión r 0 .
La segunda vez, manteniendo constante el volumen del gas, lo calentamos a la misma temperatura. t 1. Entonces el gas tendrá presión. r 1 = r 0 (1 + segundo t) y volumen V 0 .
Como en ambos casos la temperatura del gas es la misma, la ley de Boyle-Mariotte es válida:
pag 0 V 1 = pag 1 V 0 Þ r 0 V 0 (1 + un t) = r 0 (1 + segundo t)V 0 Þ
Þ 1 + un t = 1 + b tÞ a = b.
Entonces no es sorprendente que a = b, ¡no!
Reescribamos la ley de Charles en la forma
.
considerando que t = t°С + 273 °С, t 0 = 273 °C, obtenemos
La elección de los puntos de fusión del hielo y de ebullición del agua como puntos principales de la escala de temperatura es completamente arbitraria. La escala de temperatura así obtenida resultó inconveniente para los estudios teóricos.
Basándose en las leyes de la termodinámica, Kelvin logró construir la llamada escala de temperatura absoluta (actualmente se llama escala de temperatura termodinámica o escala Kelvin), completamente independiente de la naturaleza del cuerpo termométrico o del parámetro termométrico seleccionado. Sin embargo, el principio de construcción de dicha escala va más allá del plan de estudios escolar. Examinaremos este tema utilizando otras consideraciones.
La fórmula (2) implica dos formas posibles establecer una escala de temperatura: utilizar un cambio de presión de una determinada cantidad de gas a un volumen constante o un cambio de volumen a una presión constante. Esta escala se llama escala de temperatura ideal del gas.
La temperatura determinada por la igualdad (2) se llama temperatura absoluta. temperatura absoluta Τ no puede ser negativo, ya que obviamente hay cantidades positivas en el lado izquierdo de la igualdad (2) (más precisamente, no puede tener signos diferentes; puede ser positivo o negativo. Esto depende de la elección del signo de la constante k. Dado que se acordó que la temperatura del punto triple debe considerarse positiva, la temperatura absoluta sólo puede ser positiva). Por lo tanto, el valor de temperatura más bajo posible t= 0 es la temperatura cuando la presión o el volumen es cero.
La temperatura límite a la cual la presión de un gas ideal desaparece en un volumen fijo o el volumen de un gas ideal tiende a cero (es decir, el gas debe comprimirse en un "punto") a una presión constante se llama cero absoluto. Esta es la temperatura más baja de la naturaleza.
De la igualdad (3), teniendo en cuenta que \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) , se sigue el significado físico del cero absoluto: cero absoluto: la temperatura a la que debería cesar el movimiento de traslación térmica de las moléculas. El cero absoluto es inalcanzable.
El Sistema Internacional de Unidades (SI) utiliza una escala de temperatura termodinámica absoluta. El cero absoluto se toma como temperatura cero en esta escala. La temperatura a la que se encuentran en el equilibrio dinámico agua, hielo y vapor saturado, el llamado punto triple (en la escala Celsius, la temperatura del punto triple es 0,01 ° C). Cada unidad de temperatura absoluta, llamada Kelvin (simbolizada por 1 K), es igual a un grado Celsius.
Al sumergir el matraz de un termómetro de gas en hielo derretido y luego en agua hirviendo a presión atmosférica normal, descubrieron que la presión del gas en el segundo caso era 1,3661 veces mayor que en el primero. Teniendo esto en cuenta y utilizando la fórmula (2), podemos determinar que la temperatura de fusión del hielo t 0 = 273,15 K.
De hecho, escribamos la ecuación (2) para la temperatura. t 0 temperatura de derretimiento del hielo y ebullición del agua ( t 0 + 100):
\(~\frac(p_1V)(N) = kT_0 ;\) \(~\frac(p_2V)(N) = k(T_0 + 100) .\)
Dividiendo la segunda ecuación por la primera, obtenemos:
\(~\frac(p_2)(p_1) = \frac(T_0 + 100)(T_0).\)
\(~T_0 = \frac(100)(\frac(p_2)(p_1) - 1) = \frac(100)(1.3661 - 1) = 273.15 K.\)
La figura 2 muestra un diagrama esquemático de la escala Celsius y la escala termodinámica.