Ko vremensko poročilo napoveduje temperature blizu ničle, ne hodite na drsališče: led se bo stopil. Temperatura taljenja ledu je najpogostejša temperaturna lestvica nič stopinj Celzija.
Zelo dobro poznamo lestvico negativnih stopinj Celzija – stopinj<ниже
нуля>, stopinje mraza. Najnižjo temperaturo na Zemlji so izmerili na Antarktiki: -88,3°C. Zunaj Zemlje so možne še nižje temperature: na površju Lune ob lunini polnoči lahko dosežejo -160°C.
A poljubno nizke temperature ne morejo biti nikjer.
Izjemno nizka temperatura - absolutna ničla - ustreza -273,16° na Celzijevi lestvici.
Absolutna temperaturna lestvica, Kelvinova lestvica, izvira iz absolutne ničle. Led se tali pri 273,16° Kelvina, voda pa vre pri 373,16° K. Tako je stopinja K enaka stopinji C. Toda na Kelvinovi lestvici so vse temperature pozitivne.
Zakaj je 0°K meja mraza?<пляска>Toplota je kaotično gibanje atomov in molekul snovi. Ko se snov ohladi, se ji odvzame toplotna energija, naključno gibanje delcev pa oslabi. Sčasoma, z močnim hlajenjem, termično
delcev se skoraj popolnoma ustavi. Atomi in molekule bi popolnoma zmrznili pri temperaturi, ki velja za absolutno ničlo.<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Po načelih kvantne mehanike bi pri absolutni ničli toplotno gibanje delcev prenehalo, sami delci pa ne bi zamrznili, saj ne morejo popolnoma mirovati. Tako morajo pri absolutni ničli delci še vedno ohraniti nekakšno gibanje, ki se imenuje ničelno gibanje.
Toda ohladiti snov na temperaturo pod absolutno ničlo je ideja tako nesmiselna kot na primer namen
Poleg tega je skoraj nemogoče doseči natančno absolutno ničlo. Lahko se mu samo približaš. Ker snovi nikakor ne morete odvzeti absolutno vse toplotne energije. Nekaj toplotne energije ostane pri najglobljem ohlajanju.
V večini gospodinjskih in industrijskih hladilnikov se toplota odvaja zaradi izhlapevanja posebne tekočine - freona, ki kroži skozi kovinske cevi. Skrivnost je v tem, da lahko freon ostane v tekočem stanju le pri dovolj nizki temperaturi. V hladilnem delu se zaradi toplote komore segreje in vre ter se spremeni v paro. Toda kompresor stisne paro, jo utekočini in vstopi v uparjalnik, s čimer dopolnjuje izgubo izhlapelega freona. Za delovanje kompresorja se porabi energija.
V napravah za globoko hlajenje je nosilec hladu ultra hladna tekočina - tekoči helij. Brezbarvna, lahka (8-krat lažja od vode), vre pod atmosferskim tlakom pri 4,2°K, v vakuumu pa pri 0,7°K. Še nižjo temperaturo daje lahki izotop helija: 0,3°K.
Postavitev stalnega hladilnika s helijem je precej težka.
Raziskave potekajo preprosto v kopeli s tekočim helijem. Za utekočinjenje tega plina fiziki uporabljajo različne tehnike. Na primer, ekspandirajo predhodno ohlajen in stisnjen helij in ga spustijo skozi tanko luknjo v vakuumsko komoro. Hkrati se temperatura še zniža in del plina se spremeni v tekočino. Učinkoviteje je ne samo razširiti ohlajen plin, temveč ga tudi prisiliti k delu - premakniti bat.
Nastali tekoči helij je shranjen v posebnih termozah - Dewarovih bučkah.
Stroški te zelo hladne tekočine (edina, ki ne zmrzne pri absolutni ničli) se izkažejo za precej visoke. Kljub temu se tekoči helij dandanes vedno bolj uporablja, ne le v znanosti, ampak tudi v različnih tehničnih napravah.
Najnižje temperature so bile dosežene na drugačen način. Izkazalo se je, da se lahko molekule nekaterih soli, na primer kalijevega kromovega galuna, vrtijo vzdolž magnetnih silnic. To sol predhodno ohladimo s tekočim helijem na 1°K in postavimo v močno magnetno polje. V tem primeru se molekule vrtijo vzdolž silnic, sproščeno toploto pa odvzame tekoči helij. Nato se magnetno polje nenadoma odstrani, molekule se spet obrnejo v različne smeri in
Snov, zamrznjena na ultranizkih temperaturah v kopeli s tekočim helijem, se opazno spremeni. Guma postane krhka, svinec postane trd kot jeklo in elastičen, mnoge zlitine povečajo trdnost.
Sam tekoči helij se obnaša na nenavaden način. Pri temperaturah pod 2,2 ° K pridobi lastnost brez primere za navadne tekočine - superfluidnost: nekaj popolnoma izgubi viskoznost in teče skozi najožje razpoke brez kakršnega koli trenja.
Ta pojav je leta 1937 odkril sovjetski fizik akademik P. JI.
Kapitsa, je nato pojasnil akademik JI. D. Landau.
Izkazalo se je, da pri ultra nizkih temperaturah začnejo opazno vplivati kvantni zakoni obnašanja snovi. Kot zahteva eden od teh zakonov, se lahko energija prenaša iz telesa v telo le v točno določenih delih - kvantih. V tekočem heliju je toplotnih kvantov tako malo, da jih ni dovolj za vse atome. Del tekočine brez toplotnih kvantov ostane tako rekoč pri absolutni ničelni temperaturi; njeni atomi sploh ne sodelujejo pri naključnem toplotnem gibanju in na noben način ne vplivajo na stene posode. Ta del (imenovali so ga helij-H) ima superfluidnost. Ko se temperatura znižuje, postaja helij-P vedno bolj bogat in pri absolutni ničli bi se ves helij spremenil v helij-H. Superfluidnost je bila zdaj zelo podrobno raziskana in celo uporabna praktična uporaba
: z njegovo pomočjo je mogoče ločiti izotope helija.
Superprevodnost
V bližini absolutne ničle pride do izjemno zanimivih sprememb v električnih lastnostih nekaterih materialov.
Leta 1911 je nizozemski fizik Kamerlingh Onnes naredil nepričakovano odkritje: izkazalo se je, da pri temperaturi 4,12 ° K električni upor v živem srebru popolnoma izgine. Živo srebro postane superprevodnik.<гроб Магомета>Električni tok, induciran v superprevodnem obroču, ne zbledi in lahko teče skoraj vedno.
Nad takim obročem bo superprevodna krogla lebdela v zraku in ne padla, kot iz pravljice
Temperature, pri katerih se pojavi superprevodnost (kritične temperature), pokrivajo precej širok razpon - od 0,35° K (hafnij) do 18° K (niobij-kositrna zlitina).
Pojav superprevodnosti, kot je super-
pretočnost je bila podrobno raziskana. Ugotovljene so bile odvisnosti kritičnih temperatur od notranje strukture materialov in zunanjega magnetnega polja.
Razvita je bila globoka teorija superprevodnosti (pomemben prispevek je prispeval sovjetski znanstvenik akademik N. N. Bogolyubov).
Bistvo tega paradoksalnega pojava je spet čisto kvantno. Pri ultranizkih temperaturah elektroni v<танцуя>superprevodniki tvorijo sistem po parih vezanih delcev, ki ne morejo dati energije kristalni mreži ali zapravljajo kvantov energije za njeno segrevanje. Pari elektronov se gibljejo, kot bi<прутьями решетки>, med
- ione in jih obide brez trkov in prenosa energije.
Superprevodnost se vedno bolj uporablja v tehnologiji.
V praksi se na primer uporabljajo superprevodni solenoidi - tuljave superprevodnika, potopljene v tekoči helij. Enkrat induciran tok in posledično magnetno polje se lahko v njih hrani poljubno dolgo. Lahko doseže velikansko velikost - več kot 100.000 oersted. V prihodnosti se bodo nedvomno pojavile močne industrijske superprevodne naprave - elektromotorji, elektromagneti itd. V radijski elektroniki začenjajo igrati pomembno vlogo ultra občutljivi ojačevalniki in generatorji.<шумы>elektromagnetni valovi<Пути электроники>).
, ki se še posebej dobro obnesejo v kopeli s tekočim helijem – tam notranji opremo. V elektronski računalniški tehnologiji se obeta sijajna prihodnost za superprevodna stikala majhne moči - kriotrone (glej čl. Ni si težko predstavljati, kako mamljivo bi bilo delovanje tovrstnih naprav pomakniti v območje višjih, dostopnejših temperatur. IN
odpira se upanje na ustvarjanje superprevodnikov iz polimernega filma. Posebna narava električne prevodnosti v takih materialih obljublja odlično priložnost za ohranitev superprevodnosti tudi pri sobnih temperaturah. Znanstveniki vztrajno iščejo načine za uresničitev tega upanja.
V globinah zvezd
Tako vroča snov torej ne more biti ne trdna, ne tekoča, ne plinasta. Je v stanju plazme, torej mešanice električno nabitih<осколков>atomi – atomska jedra in elektroni.
Plazma je edinstveno agregatno stanje. Ker so njegovi delci električno nabiti, so občutljivi na električne in magnetne sile. Zato je neposredna bližina dveh atomskih jeder (nosita pozitiven naboj) redek pojav. Samo pri visokih gostotah in ogromnih temperaturah se atomska jedra, ki trčijo med seboj, lahko približajo. Nato se pojavijo termonuklearne reakcije - vir energije za zvezde.
Nam najbližja zvezda, Sonce, je sestavljena predvsem iz vodikove plazme, ki se v črevesju zvezde segreje na 10 milijonov stopinj. V takih razmerah prihaja do bližnjih srečanj hitrih vodikovih jeder – protonov, čeprav redko. Včasih protoni, ki se približajo, medsebojno delujejo: ko premagajo električni odboj, hitro padejo v oblast velikanskih jedrskih sil privlačnosti.<падают>drug na drugega in se združita. Tu pride do trenutnega prestrukturiranja: namesto dveh protonov se pojavijo devteron (jedro težkega vodikovega izotopa), pozitron in nevtrino. Sproščena energija je 0,46 milijona elektronvoltov (MeV).
Vsak posamezen sončni proton lahko vstopi v takšno reakcijo povprečno enkrat na 14 milijard let. Toda v globinah svetlobe je toliko protonov, da se tu in tam zgodi ta malo verjeten dogodek - in naša zvezda gori s svojim enakomernim, bleščečim plamenom.
Sinteza devteronov je le prvi korak solarnih termonuklearnih transformacij. Novorojeni devteron se zelo kmalu (povprečno po 5,7 sekunde) združi z drugim protonom. Pojavi se svetlo jedro helija in žarek gama elektromagnetno sevanje
. Pri tem se sprosti 5,48 MeV energije.
Končno se lahko v povprečju enkrat na milijon let dve lahki jedri helija zbližata in združita. Nato nastane jedro navadnega helija (alfa delec) in odcepita se dva protona. Pri tem se sprosti 12,85 MeV energije.<конвейер>Ta tristopenjski<сгорает>termonuklearne reakcije niso edine.<золу>Obstaja še ena veriga jedrskih transformacij, hitrejša. Pri tem sodelujeta (brez porabe) atomski jedri ogljika in dušika. Toda v obeh možnostih se alfa delci sintetizirajo iz vodikovih jeder. Slikovito rečeno vodikova plazma Sonca , spreminjanje v!
Vsako sekundo Sonce odda 41033 ergov energije in pri tem izgubi 41012 g (4 milijone ton) snovi na teži. Toda skupna masa Sonca je 2.1027 ton To pomeni, da v milijonih let, zahvaljujoč sevanju, Sonce<худеет>le eno desetmilijonko svoje mase. Te številke zgovorno ponazarjajo učinkovitost termonuklearnih reakcij in velikansko kurilno vrednost sončne energije.<горючего>- vodik.
Termonuklearna fuzija je očitno glavni vir energije za vse zvezde.<зола>Pri različnih temperaturah in gostotah zvezdnih notranjosti pride do različnih vrst reakcij. Še posebej sončna<горючим>-helijeva jedra - pri 100 milijonih stopinjah sam postane termonuklearen
. Potem je mogoče iz alfa delcev sintetizirati še težja atomska jedra – ogljik in celo kisik.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Proti umetnemu soncu<горючего>Izredna kurilna vrednost termonuklearnega
<Горючего>znanstvenike spodbudilo k umetnemu izvajanju reakcij jedrske fuzije.
- Na našem planetu je veliko vodikovih izotopov. Na primer, super težki vodikov tritij je mogoče proizvesti iz kovinskega litija v jedrskih reaktorjih. In težki vodik - devterij je del težke vode, ki jo lahko pridobimo iz navadne vode.
Težki vodik, pridobljen iz dveh kozarcev navadne vode, bi v termonuklearnem reaktorju zagotovil toliko energije, kot je trenutno proizvedeno s sežiganjem soda prvovrstnega bencina.<горючее>Težava je predgretje
do temperatur, pri katerih se lahko vname z močnim termonuklearnim ognjem. Ta problem je bil prvič rešen v vodikovi bombi. Tam se izotopi vodika vžgejo z eksplozijo atomska bomba<воспламеняясь>, ki ga spremlja segrevanje snovi na več deset milijonov stopinj. V eni različici vodikove bombe je termonuklearno gorivo kemična spojina težkega vodika z lahkim litijem - lahki litijev devterid. Ta bel prah, podoben kuhinjski soli,<спички>od
, ki je atomska bomba, takoj eksplodira in ustvari temperaturo več sto milijonov stopinj.
Rekli smo že, da je kaotično gibanje delcev tisto, ki ustvarja segrevanje teles, povprečna energija njihovega naključnega gibanja pa ustreza temperaturi. Ogrevati hladno telo pomeni na kakršen koli način ustvarjati to motnjo.
Predstavljajte si dve skupini tekačev, ki hitita ena proti drugi. Tako sta trčila, se pomešala, začela se je gneča in zmeda.
Velika zmešnjava!
Na skoraj enak način so fiziki sprva poskušali doseči visoke temperature – s trkanjem visokotlačnih plinskih curkov. Plin se je segrel do 10 tisoč stopinj. Nekoč je bil to rekord: temperatura je bila višja kot na površini Sonca.
Toda s to metodo je nadaljnje, precej počasno, neeksplozivno segrevanje plina nemogoče, saj se toplotna motnja takoj razširi v vse smeri, segreje stene eksperimentalne komore in okolico. Nastala toplota hitro zapusti sistem in je ni mogoče izolirati.
Če plinske curke nadomestimo s tokovi plazme, ostaja problem toplotne izolacije zelo težaven, a obstaja tudi upanje za njegovo rešitev.
Res je, da plazme ne morejo zaščititi pred izgubo toplote s posodami, izdelanimi iz celo najbolj ognjevzdržne snovi. V stiku s trdnimi stenami se vroča plazma takoj ohladi. Lahko pa poskusite zadržati in segreti plazmo tako, da ustvarite njeno kopičenje v vakuumu, tako da se ne dotika sten komore, ampak visi v praznini in se ne dotika ničesar. Pri tem moramo izkoristiti dejstvo, da delci plazme niso nevtralni, kot atomi plina, ampak električno nabiti. Zato so pri premikanju izpostavljeni magnetnim silam. Pojavi se naloga: ustvariti magnetno polje posebne konfiguracije, v katerem bi vroča plazma visela kot v vreči z nevidnimi stenami. Najenostavnejša oblika Ta vrsta energije se ustvari samodejno, ko gredo močni impulzi skozi plazmo električni tok
. V tem primeru se okoli plazemske vrvice inducirajo magnetne sile, ki težijo k stiskanju vrvice.
Druga smer poskusov je uporaba magnetne steklenice, ki jo je leta 1952 predlagal sovjetski fizik G.I. Budker, zdaj akademik. Magnetna steklenica je nameščena v plutovinasto komoro - cilindrično vakuumsko komoro, opremljeno z zunanjim navitjem, ki je kondenzirano na koncih komore. Tok, ki teče skozi navitje, ustvarja magnetno polje v komori. Njegove poljske črte v srednjem delu se nahajajo vzporedno z generatorji valja, na koncih pa so stisnjene in tvorijo magnetne čepe. Delci plazme, vbrizgani v magnetno steklenico, se zvijajo okoli silnic polja in se odbijajo od čepov. Zaradi tega se plazma nekaj časa zadrži v steklenici. Če je energija plazemskih delcev, vnesenih v steklenico, dovolj visoka in jih je veliko, vstopijo v zapletene interakcije sil, njihovo prvotno urejeno gibanje postane zmedeno, neurejeno - temperatura vodikovih jeder se dvigne na desetine milijonov. stopinj.
Dodatno ogrevanje je doseženo z elektromagnetom<ударами>s plazmo, stiskanjem magnetnega polja itd. Sedaj se plazma težkih vodikovih jeder segreje na stotine milijonov stopinj. Res je, da je to mogoče storiti bodisi z kratek čas, ali pri nizki gostoti plazme.
Za sprožitev samozadostne reakcije je treba temperaturo in gostoto plazme še povečati. To je težko doseči. Vendar pa je problem, kot so prepričani znanstveniki, nedvomno rešljiv.
G.B. Anfilov
Objavljanje fotografij in citiranje člankov z naše spletne strani na drugih virih je dovoljeno pod pogojem, da je navedena povezava do vira in fotografij.
Ste kdaj pomislili, kako nizke so lahko temperature? Kaj je absolutna ničla? Jo bo človeštvu kdaj uspelo in kakšne priložnosti se bodo odprle po takšnem odkritju? Ta in druga podobna vprašanja že dolgo zasedajo misli mnogih fizikov in preprosto radovednih ljudi.
Kaj je absolutna ničla
Tudi če od otroštva niste marali fizike, verjetno poznate koncept temperature. Zahvaljujoč molekularni kinetični teoriji zdaj vemo, da obstaja določena statična povezava med njo in gibanjem molekul in atomov: višja kot je temperatura katerega koli fizičnega telesa, hitreje se gibljejo njegovi atomi in obratno. Postavlja se vprašanje: "Ali obstaja tako spodnja meja, pri kateri bodo osnovni delci zamrznili na mestu?" Znanstveniki verjamejo, da je to teoretično mogoče; termometer bo znašal -273,15 stopinje Celzija. Ta vrednost se imenuje absolutna ničla. Z drugimi besedami, to je najmanjša možna meja, do katere se fizično telo lahko ohladi. Obstaja celo absolutna temperaturna lestvica (Kelvinova lestvica), pri kateri je referenčna točka absolutna ničla, en razdelek lestvice pa je enak eni stopinji. Znanstveniki po vsem svetu si še naprej prizadevajo doseči dano vrednost, saj to obljublja velike možnosti za človeštvo.
Zakaj je to tako pomembno
Ekstremno nizke in ekstremno visoke temperature so tesno povezane s konceptoma superfluidnosti in superprevodnosti. Izginotje električnega upora v superprevodnikih bo omogočilo doseganje nepredstavljivih vrednosti učinkovitosti in odpravo morebitnih izgub energije. Če bi našli način, ki bi nam omogočil prosto doseganje vrednosti »absolutne ničle«, bi bili številni problemi človeštva rešeni. Vlaki, ki lebdijo nad tirnicami, lažji in manjši motorji, transformatorji in generatorji, visokonatančna magnetoencefalografija, visokonatančne ure – to je le nekaj primerov, kaj lahko superprevodnost prinese v naša življenja.
Najnovejši znanstveni napredek
Septembra 2003 je raziskovalcem iz MIT in NASA uspelo ohladiti natrijev plin na rekordno nizko vrednost. Med poskusom jim je do ciljne črte (absolutne ničle) manjkala le pol milijarde stopinje. Med preizkusi je bil natrij ves čas v magnetnem polju, zaradi česar se ni dotaknil sten posode. Če bi bilo možno premagati temperaturno oviro, bi se molekularno gibanje v plinu popolnoma ustavilo, saj bi tako ohlajanje natriju odvzelo vso energijo. Raziskovalci so uporabili tehniko, katere avtor (Wolfgang Ketterle) je prejel leta 2001 Nobelova nagrada v fiziki. Ključna točka v testih so bili plinski procesi Bose-Einsteinove kondenzacije. Medtem še nihče ni preklical tretjega zakona termodinamike, po katerem absolutna ničla ni le nepremostljiva, ampak tudi nedosegljiva vrednost. Poleg tega velja Heisenbergovo načelo negotovosti in atomi preprosto ne morejo obstati mrtvi na svojih tirih. Tako absolutna ničelna temperatura za zdaj ostaja nedosegljiva za znanost, čeprav se ji je znanstvenikom uspelo približati na zanemarljivo razdaljo.
Absolutna ničla temperature
Temperatura absolutne ničle- to je najnižja temperaturna meja, ki jo lahko ima fizično telo. Absolutna ničla služi kot izvor absolutne temperaturne lestvice, kot je Kelvinova lestvica. Na Celzijevi lestvici absolutna ničla ustreza temperaturi −273,15 °C.
Menijo, da je absolutna ničla v praksi nedosegljiva. Njegov obstoj in položaj na temperaturni lestvici izhaja iz ekstrapolacije opazovanih fizikalnih pojavov, taka ekstrapolacija pa pokaže, da bi morala biti pri absolutni ničli energija toplotnega gibanja molekul in atomov snovi enaka nič, to je kaotično gibanje delcev. se ustavijo in tvorijo urejeno strukturo, ki zaseda jasen položaj v vozliščih kristalne mreže. Vendar pa bodo v resnici tudi pri temperaturi absolutne ničle pravilna gibanja delcev, ki sestavljajo snov, ostala. Preostala nihanja, kot so nihanja ničelne točke, so posledica kvantnih lastnosti delcev in fizičnega vakuuma, ki jih obdaja.
Trenutno je v fizikalnih laboratorijih mogoče doseči temperature, ki presegajo absolutno ničlo le za nekaj milijonink stopinje; doseči to sam, po zakonih termodinamike, je nemogoče.
Opombe
Literatura
- G. Burmin. Napad na absolutno ničlo. - M.: "Otroška književnost", 1983.
Glej tudi
Fundacija Wikimedia.
- 2010.
- Temperatura absolutne ničle
Temperatura absolutne ničle
Oglejte si, kaj je "temperatura absolutne ničle" v drugih slovarjih: Temperatura absolutne ničle
- Temperatura absolutne ničle je najnižja temperaturna meja, ki jo lahko ima fizično telo. Absolutna ničla služi kot izhodišče za absolutno temperaturno lestvico, kot je Kelvinova lestvica. Na Celzijevi lestvici absolutna ničla ustreza... ... Wikipediji- ABSOLUTNA NIČLA, temperatura, pri kateri imajo vse komponente sistema najmanjšo količino energije, ki jo dovoljujejo zakoni KVANTNE MEHANIKE; nič na Kelvinovi temperaturni lestvici ali 273,15 °C (459,67 °F). Pri tej temperaturi ... Znanstveni in tehnični enciklopedični slovar
Absolutna temperaturna lestvica
Absolutna termodinamična temperatura- Kaotično toplotno gibanje na ravnini delcev plina, kot so atomi in molekule. Obstajata dve definiciji temperature. Eno z vidika molekularne kinetike, drugo s termodinamičnega vidika. Temperatura (iz latinske temperature pravilno ... ... Wikipedia
Absolutna temperaturna lestvica- Kaotično toplotno gibanje na ravnini delcev plina, kot so atomi in molekule. Obstajata dve definiciji temperature. Eno z vidika molekularne kinetike, drugo s termodinamičnega vidika. Temperatura (iz latinske temperature pravilno ... ... Wikipedia
Temperatura absolutne ničle
Za mejno temperaturo, pri kateri prostornina idealnega plina postane enaka nič, se vzame temperatura absolutne ničle.
Poiščimo vrednost absolutne ničle na Celzijevi lestvici.
Izenačevanje glasnosti V v formuli (3.1) nič in ob upoštevanju tega
.
Zato je temperatura absolutna ničla
t= –273 °C. 2
To je skrajna, najnižja temperatura v naravi, tista »največja ali zadnja stopnja mraza«, katere obstoj je napovedal Lomonosov.
Med eksplozijami so bile dosežene najvišje temperature na Zemlji - na stotine milijonov stopinj termonuklearne bombe. Še višje temperature so značilne za notranje predele nekaterih zvezd.
2Več natančna vrednost absolutna ničla: –273,15 °C.
Kelvinova lestvica
Angleški znanstvenik W. Kelvin je predstavil absolutna lestvica temperature Ničelna temperatura na Kelvinovi lestvici ustreza absolutni ničli, enota temperature na tej lestvici pa je enaka stopinji na Celzijevi lestvici, torej absolutna temperatura T je povezana s temperaturo na Celzijevi lestvici s formulo
T = t + 273. (3.2)
Na sl. 3.2 prikazuje absolutno lestvico in Celzijevo lestvico za primerjavo.
Enota SI za absolutno temperaturo se imenuje kelvin(skrajšano K). Zato je ena stopinja na Celzijevi lestvici enaka eni stopinji na Kelvinovi lestvici:
Tako je absolutna temperatura po definiciji, podani s formulo (3.2), izpeljana količina, ki je odvisna od temperature Celzija in od eksperimentalno ugotovljene vrednosti a.
Bralec: Kakšen fizikalni pomen ima absolutna temperatura?
Zapišimo izraz (3.1) v obliki
.
Glede na to, da je temperatura na Kelvinovi lestvici povezana s temperaturo na Celzijevi lestvici z razmerjem T = t + 273, dobimo
kje T 0 = 273 K, oz
Ker ta zveza velja za poljubno temperaturo T, potem lahko Gay-Lussacov zakon formuliramo na naslednji način:
Za dano maso plina pri p = const velja naslednje razmerje:
Naloga 3.1. Pri temperaturi T 1 = prostornina plina 300 K V 1 = 5,0 l. Določite prostornino plina pri istem tlaku in temperaturi T= 400 K.
STOP! Odločite se sami: A1, B6, C2.
Problem 3.2. Pri izobaričnem segrevanju se je prostornina zraka povečala za 1 %. Za koliko odstotkov se je povečala absolutna temperatura?
= 0,01.
Odgovori: 1 %.
Spomnimo se nastale formule
STOP! Odločite se sami: A2, A3, B1, B5.
Charlesov zakon
Francoski znanstvenik Charles je eksperimentalno ugotovil, da če se plin segreje tako, da njegova prostornina ostane konstantna, se tlak plina poveča. Odvisnost tlaka od temperature ima obliko:
r(t) = str 0 (1 + b t), (3.6)
kje r(t) – tlak pri temperaturi t°C; r 0 – tlak pri 0 °C; b je temperaturni koeficient tlaka, ki je enak za vse pline: 1/K.
Bralec: Presenetljivo je, da je temperaturni koeficient tlaka b popolnoma enak temperaturnemu koeficientu prostorninskega raztezanja a!
Vzemimo določeno maso plina z volumnom V 0 pri temperaturi T 0 in tlak r 0 . Prvič, ko vzdržujemo konstanten tlak plina, ga segrejemo na temperaturo T 1. Potem bo plin imel prostornino V 1 = V 0 (1 + a t) in tlak r 0 .
Drugič, ohranjamo prostornino plina konstantno, ga segrejemo na isto temperaturo T 1. Potem bo plin imel pritisk r 1 = r 0 (1 + b t) in glasnost V 0 .
Ker je v obeh primerih temperatura plina enaka, velja Boyle-Mariottov zakon:
str 0 V 1 = str 1 V 0 Þ r 0 V 0 (1 + a t) = r 0 (1 + b t)V 0 Þ
Þ 1 + a t = 1 + b tÞ a = b.
Torej ni presenetljivo, da je a = b, ne!
Prepišimo Charlesov zakon v obliki
.
Glede na to T = t°C + 273 °C, T 0 = 273 °C, dobimo
Izbira točk taljenja ledu in vrele vode kot glavnih točk temperaturne lestvice je povsem poljubna. Tako pridobljena temperaturna lestvica se je izkazala za neprimerno za teoretične študije.
Kelvinu je na podlagi zakonov termodinamike uspelo zgraditi tako imenovano absolutno temperaturno lestvico (danes jo imenujemo termodinamična temperaturna lestvica ali Kelvinova lestvica), popolnoma neodvisno bodisi od narave termometričnega telesa bodisi od izbranega termometričnega parametra. Vendar načelo izdelave takšne lestvice presega šolski kurikulum. To težavo bomo preučili z drugimi premisleki.
Formula (2) pomeni dvoje možne načine vzpostavitev temperaturne lestvice: z uporabo spremembe tlaka določene količine plina pri stalni prostornini ali spremembe prostornine pri konstantnem tlaku. Ta lestvica se imenuje skala idealne temperature plina.
Temperatura, določena z enačbo (2), se imenuje absolutna temperatura. Absolutna temperatura Τ ne more biti negativen, saj so na levi strani enačbe (2) očitno pozitivne količine (natančneje, ne more imeti različnih predznakov; lahko je pozitiven ali negativen. To je odvisno od izbire predznaka konstante k. Ker je bilo dogovorjeno, da se temperatura trojne točke šteje za pozitivno, je lahko absolutna temperatura samo pozitivna). Zato najnižja možna vrednost temperature T= 0 je temperatura, ko je tlak ali prostornina nič.
Mejna temperatura, pri kateri tlak idealnega plina izgine pri fiksni prostornini ali pa se prostornina idealnega plina nagiba k ničli (tj. plin bi moral biti stisnjen v "točko") pri konstantnem tlaku, se imenuje absolutna ničla. To je najnižja temperatura v naravi.
Iz enakosti (3) ob upoštevanju, da \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\), sledi fizični pomen absolutne ničle: absolutna ničla - temperatura, pri kateri naj bi prenehalo toplotno translacijsko gibanje molekul. Absolutna ničla je nedosegljiva.
Mednarodni sistem enot (SI) uporablja absolutno termodinamično temperaturno lestvico. Absolutna ničla se na tej lestvici šteje za temperaturo nič. Temperatura, pri kateri so v dinamično ravnotežje voda, led in nasičena para, tako imenovana trojna točka (na Celzijevi lestvici je temperatura trojne točke 0,01 °C). Vsaka enota za absolutno temperaturo, imenovana Kelvin (simbolizirana z 1 K), je enaka stopinji Celzija.
S potopitvijo bučke plinskega termometra v taleči se led in nato v vrelo vodo pri normalnem atmosferskem tlaku so ugotovili, da je bil tlak plina v drugem primeru 1,3661-krat večji kot v prvem. Ob upoštevanju tega in z uporabo formule (2) lahko ugotovimo, da je temperatura taljenja ledu T 0 = 273,15 K.
Res, zapišimo enačbo (2) za temperaturo T 0 temperatura taljenja ledu in vrelišča vode ( T 0 + 100):
\(~\frac(p_1V)(N) = kT_0 ;\) \(~\frac(p_2V)(N) = k(T_0 + 100) .\)
Če drugo enačbo delimo s prvo, dobimo:
\(~\frac(p_2)(p_1) = \frac(T_0 + 100)(T_0) .\)
\(~T_0 = \frac(100)(\frac(p_2)(p_1) - 1) = \frac(100)(1,3661 - 1) = 273,15 K.\)
Slika 2 prikazuje shematski diagram Celzijeve lestvice in termodinamične lestvice.