Граничната температура, при която обемът на идеален газ става нула, се приема за абсолютна нулева температура. Въпреки това, обемът на реалните газове при абсолютна нулева температура не може да изчезне. Тогава има ли смисъл тази температурна граница?

Ограничителната температура, чието съществуване следва от закона на Гей-Лусак, има смисъл, тъй като е практически възможно свойствата на реалния газ да се приближат до свойствата на идеалния. За да направите това, е необходимо да вземете все по-разреден газ, така че неговата плътност да клони към нула. Наистина, с намаляване на температурата, обемът на такъв газ ще се стреми към границата, близо до нулата.

Нека намерим стойността на абсолютната нула по скалата на Целзий. Изравняване на обема VVформула (3.6.4) до нула и като се вземе предвид това

Следователно температурата на абсолютната нула е

* По-точна стойност за абсолютната нула: -273,15 °C.

Това е пределната, най-ниската температура в природата, онази „най-голяма или последна степен на студ“, чието съществуване предсказа Ломоносов.

Скала на Келвин

Келвин Уилям (Томсън У.) (1824-1907) - изключителен английски физик, един от основателите на термодинамиката и молекулярно-кинетичната теория на газовете.

Келвин въвежда абсолютната температурна скала и дава една от формулировките на втория закон на термодинамиката под формата на невъзможността за пълно превръщане на топлината в работа. Той изчислява размера на молекулите въз основа на измерването на повърхностната енергия на течност. Във връзка с полагането на трансатлантическия телеграфен кабел Келвин развива теорията за електромагнитните трептения и извежда формула за периода на свободните трептения във веригата. За научни заслуги У. Томсън получава титлата лорд Келвин.

Английският учен У. Келвин въвежда абсолютната температурна скала. Нулевата температура по скалата на Келвин съответства на абсолютната нула, а единицата за температура по тази скала е равна на градуси по Целзий, така че абсолютната температура Tе свързано с температурата по скалата на Целзий с формулата

(3.7.6)

Фигура 3.11 показва абсолютната скала и скалата на Целзий за сравнение.

Единицата SI за абсолютна температура се нарича келвин (съкратено K). Следователно един градус по Целзий е равен на един градус по Келвин: 1 °C = 1 K.

По този начин абсолютната температура, по дефиниция, дадена с формула (3.7.6), е производна величина, зависеща от температурата по Целзий и от експериментално определената стойност на a. Въпреки това е от основно значение.

От гледна точка на молекулярно-кинетичната теория абсолютната температура е свързана със средната кинетична енергия на хаотичното движение на атомите или молекулите. При Т =За Топлинното движение на молекулите спира. Това ще бъде обсъдено по-подробно в глава 4.

Обем спрямо абсолютна температура

Използвайки скалата на Келвин, законът на Гей-Лусак (3.6.4) може да бъде написан в по-проста форма. защото

(3.7.7)

Обемът на газ с дадена маса при постоянно налягане е право пропорционален на абсолютната температура.

От това следва, че съотношението на газовите обеми с еднаква маса в различни състояния при едно и също налягане е равно на съотношението на абсолютните температури:

(3.7.8)

Има минимална възможна температура, при която обемът (и налягането) на идеален газ изчезва. Това е абсолютна нулева температура:-273 °С. Удобно е да измервате температурата от абсолютната нула. Така се изгражда абсолютната температурна скала.

Абсолютна нула (абсолютна нула) - началото на абсолютната температура, започваща от 273,16 K под тройната точка на водата (точката на равновесие на три фази - лед, вода и водна пара); при абсолютна нула движението на молекулите спира и те са в състояние на "нулеви" движения. Или: най-ниската температура, при която веществото не съдържа топлинна енергия.

Абсолютна нула Започнетеотчитане на абсолютна температура. Съответства на -273,16 °C. В момента физическите лаборатории са успели да получат температура, надвишаваща абсолютната нула само с няколко милионни от градуса, но според законите на термодинамиката е невъзможно да се постигне. При абсолютна нула системата ще бъде в състояние с възможно най-ниска енергия (в това състояние атомите и молекулите ще правят „нулеви“ вибрации) и ще има нулева ентропия (нула разстройство). Обемът на идеален газ в точката на абсолютната нула трябва да бъде равен на нула и за да се определи тази точка, обемът на реалния газ хелий се измерва при последователенпонижаване на температурата, докато се втечни при ниско налягане (-268,9 ° C) и екстраполира до температурата, при която обемът на газа би стигнал до нула при липса на втечняване. Абсолютна температура термодинамикаСкалата се измерва в келвини, обозначени със символа K. Абсолютно термодинамикаскалата и скалата на Целзий просто се изместват една спрямо друга и са свързани с отношението K = °C + 273,16 °.

История

Думата "температура" възниква във време, когато хората вярват, че по-горещите тела съдържат по-голямо количество специално вещество - калорично, отколкото по-малко нагрятите. Следователно температурата се възприема като силата на смес от телесна субстанция и калории. Поради тази причина мерните единици за силата на алкохолните напитки и температурата се наричат ​​еднакви - градуси.

От факта, че температурата е кинетичната енергия на молекулите, става ясно, че е най-естествено тя да се измерва в енергийни единици (т.е. в системата SI в джаули). Измерването на температурата обаче започва много преди създаването на молекулярно-кинетичната теория, така че практическите везни измерват температурата в конвенционални единици - градуси.

Скала на Келвин

В термодинамиката се използва скалата на Келвин, при която температурата се измерва от абсолютната нула (състоянието, съответстващо на минималната теоретично възможна вътрешна енергия на тялото), а един келвин е равен на 1/273,16 от разстоянието от абсолютната нула до тройната точка на водата (състоянието, в което ледът, водата и водните двойки са в равновесие. Константата на Болцман се използва за преобразуване на келвини в енергийни единици. Използват се и производни единици: килокелвин, мегакелвин, миликелвин и др.

Целзий

В ежедневието се използва скалата на Целзий, при която точката на замръзване на водата се приема за 0, а точката на кипене на водата при атмосферно налягане се приема за 100 °. Тъй като точките на замръзване и кипене на водата не са добре дефинирани, скалата на Целзий в момента се определя по скалата на Келвин: градуси по Целзий са равни на Келвин, абсолютната нула се приема за -273,15 °C. Скалата по Целзий е практически много удобна, тъй като водата е много разпространена на нашата планета и животът ни се основава на нея. Нула по Целзий е специална точка за метеорологията, тъй като замръзването на атмосферната вода променя всичко значително.

Фаренхайт

В Англия и особено в САЩ се използва скалата на Фаренхайт. Тази скала е разделена на 100 градуса от температурата на най-студената зима в града, където е живял Фаренхайт, до температурата на човешкото тяло. Нула градуса по Целзий е 32 градуса по Фаренхайт, а градус по Фаренхайт е 5/9 градуса по Целзий.

Текущата дефиниция на скалата на Фаренхайт е следната: това е температурна скала, 1 градус (1 °F) от която е равен на 1/180 от разликата между точката на кипене на водата и топенето на леда при атмосферно налягане, и точката на топене на леда е +32 °F. Температурата по скалата на Фаренхайт е свързана с температурата по скалата на Целзий (t ° C) чрез съотношението t ° C = 5/9 (t ° F - 32), 1 ° F = 5/9 ° C. Предложен от Г. Фаренхайт през 1724г.

Скала на Реомюр

Предложен през 1730 г. от R. A. Reaumur, който описва изобретения от него алкохолен термометър.

Единица - градус Réaumur (°R), 1 °R е равен на 1/80 от температурния интервал между референтните точки - температурата на топящ се лед (0 °R) и вряща вода (80 °R)

1°R = 1,25°C.

В момента мащабът е излязъл от употреба, най-дълго време се е запазил във Франция, в родината на автора.

Сравнение на температурни скали

Нормалната температура на човешкото тяло е 36,6 °C ±0,7 °C, или 98,2 °F ±1,3 °F. Обикновено даваната стойност от 98,6 °F е точно преобразуване по Фаренхайт на немската стойност от 19-ти век от 37 °C. Тъй като тази стойност не попада в обхвата на нормалната температура според съвременните концепции, можем да кажем, че съдържа прекомерна (неправилна) точност. Някои стойности в тази таблица са закръглени.

Сравнение на скалите на Фаренхайт и Целзий

(на- скала на Фаренхайт, o C- скала по Целзий)

За да конвертирате градуси по Целзий в келвини, използвайте формулата T=t+T0където T е температурата в келвини, t е температурата в градуси по Целзий, T 0 =273,15 келвина. Градус по Целзий е равен по размер на келвин.

Всяко физическо тяло, включително всички обекти във Вселената, има минимален температурен индекс или неговата граница. За отправна точка на всяка температурна скала е обичайно да се разглежда стойността на абсолютните нулеви температури. Но това е само на теория. Хаотичното движение на атомите и молекулите, които отдават енергията си в този момент, все още не е спряно на практика.

Това е основната причина да не могат да се достигнат абсолютни нулеви температури. Все още има спорове за последствията от този процес. От гледна точка на термодинамиката тази граница е недостижима, тъй като топлинното движение на атомите и молекулите спира напълно и се образува кристална решетка.

Представителите на квантовата физика предвиждат наличието на минимални нулеви колебания при абсолютни нулеви температури.

Каква е стойността на абсолютната нулева температура и защо тя не може да бъде достигната

На Генералната конференция по теглилки и мерки за първи път беше установена референтна или референтна точка за измервателни уреди, които определят температурни индикатори.

Понастоящем в Международната система от единици референтната точка за скалата на Целзий е 0 ° C при замръзване и 100 ° C по време на процеса на кипене, стойността на абсолютните нулеви температури е равна на −273,15 ° C.

Използвайки температурни стойности в скалата на Келвин съгласно същата международна система от единици, кипящата вода ще настъпи при референтна стойност от 99,975 ° C, абсолютната нула се равнява на 0. Фаренхайт по скалата съответства на -459,67 градуса.

Но ако се получат тези данни, защо тогава е невъзможно да се постигнат абсолютни нулеви температури на практика. За сравнение можем да вземем известната на всички скорост на светлината, която е равна на постоянна физическа стойност от 1 079 252 848,8 km/h.

Тази стойност обаче не може да бъде постигната на практика. Зависи както от дължината на вълната на предаване, така и от условията и необходимото поглъщане на голямо количество енергия от частиците. За да се получи стойността на абсолютните нулеви температури, е необходимо голямо връщане на енергия и липсата на нейни източници, за да се предотврати навлизането й в атомите и молекулите.

Но дори в условия на пълен вакуум учените не са получили нито скоростта на светлината, нито абсолютните нулеви температури.

Защо е възможно да се достигнат приблизителни нулеви температури, но не и абсолютни

Какво ще се случи, когато науката може да се доближи до постигането на изключително ниската температура от абсолютната нула, засега остава само в теорията на термодинамиката и квантовата физика. Каква е причината да е невъзможно на практика да се достигнат абсолютни нулеви температури.

Всички известни опити за охлаждане на веществото до най-ниската граница поради максималната загуба на енергия доведоха до факта, че стойността на топлинния капацитет на веществото също достигна минимална стойност. Молекулите просто не са били в състояние да дадат останалата част от енергията. В резултат на това процесът на охлаждане спря, преди да достигне абсолютната нула.

Когато изучават поведението на металите в условия, близки до стойността на абсолютната нула, учените са установили, че максималното понижение на температурата трябва да предизвика загуба на устойчивост.

Но спирането на движението на атомите и молекулите води само до образуването на кристална решетка, през която преминаващите електрони предават част от енергията си на неподвижните атоми. Не успя отново да достигне абсолютната нула.

През 2003 г. само половин милиард от 1°C липсваше от абсолютната нула. Изследователите на НАСА използваха молекулата на Na за провеждане на експерименти, която винаги беше в магнитно поле и излъчваше своята енергия.

Най-близко е постижението на учените от Йейлския университет, които през 2014 г. постигат показател от 0,0025 келвина. Полученото съединение стронциев монофлуорид (SrF) съществува само 2,5 секунди. И накрая пак се разпадна на атоми.

Къде според вас се намира най-студеното място в нашата вселена? Днес това е Земята. Например температурата на повърхността на Луната е -227 градуса по Целзий, а температурата на заобикалящия ни вакуум е 265 градуса под нулата. Но в лаборатория на Земята човек може да постигне много по-ниски температури, за да изследва свойствата на материалите при ултраниски температури. Материали, отделни атоми и дори светлина, подложени на екстремно охлаждане, започват да проявяват необичайни свойства.

Първият експеримент от този вид е извършен в началото на 20 век от физици, които изучават електрическите свойства на живака при свръхниски температури. При -262 градуса по Целзий живакът започва да проявява свойствата на свръхпроводимост, намалявайки съпротивлението на електрически ток почти до нула. Допълнителни експерименти разкриха и други интересни свойства на охладените материали, включително свръхфлуидност, която се изразява в "изтичане" на материя през твърди прегради и извън затворени контейнери.

Науката е определила най-ниската достижима температура - минус 273,15 градуса по Целзий, но на практика такава температура е недостижима. На практика температурата е приблизителна мярка за енергията, съдържаща се в даден обект, така че абсолютната нула показва, че тялото не излъчва нищо и от този обект не може да бъде извлечена енергия. Но въпреки това учените се опитват да се доближат възможно най-близо до абсолютната нула температура, настоящият рекорд е поставен през 2003 г. в лабораторията на Масачузетския технологичен институт. На учените им липсваха само 810 милиардни от градуса до абсолютната нула. Те охладиха облак от натриеви атоми, задържани на място от мощно магнитно поле.

Изглежда - какво е приложното значение на такива експерименти? Оказва се, че изследователите се интересуват от такова понятие като кондензата на Бозе-Айнщайн, което е специално състояние на материята - не газ, твърдо или течно, а просто облак от атоми с едно и също квантово състояние. Тази форма на материя е предсказана от Айнщайн и индийския физик Сатиендра Бозе през 1925 г. и е получена едва 70 години по-късно. Един от учените, постигнали това състояние на материята, е Волфганг Кетерле, който получава Нобелова награда за физика за своето откритие.

Едно от забележителните свойства на Бозе-Айнщайн кондензата (BEC) е способността да контролира движението на светлинните лъчи. Във вакуум светлината се движи с 300 000 км в секунда, което е най-бързата скорост, постижима във Вселената. Но светлината може да се разпространява по-бавно, ако се разпространява не във вакуум, а в материя. С помощта на BEC е възможно да се забави движението на светлината до ниски скорости и дори да се спре. Поради температурата и плътността на кондензата, излъчването на светлина се забавя и може да бъде "уловено" и преобразувано директно в електрически ток. Този ток може да бъде прехвърлен към друг BEC облак и преобразуван обратно в светлинно лъчение. Тази функция е много търсена за телекомуникациите и компютрите. Тук малко не разбирам - в крайна сметка ВЕЧЕ има устройства, които преобразуват светлинните вълни в електричество и обратно ... Очевидно използването на BEC позволява това преобразуване да се извършва по-бързо и по-точно.

Една от причините, поради които учените са толкова нетърпеливи да получат абсолютна нула, е опитът да се разбере какво се случва и се е случило с нашата Вселена, какви термодинамични закони действат в нея. В същото време изследователите разбират, че извличането на цялата енергия от атома е практически непостижимо.

Когато прогнозата за времето прогнозира температури около нулата, не трябва да ходите на пързалката: ледът ще се стопи. Температурата на топене на леда се приема за нула градуса по Целзий - най-често срещаната температурна скала.
Ние добре познаваме отрицателните градуси по скалата на Целзий – градуси<ниже нуля>, градуси студ. Най-ниската температура на Земята е регистрирана в Антарктида: -88,3°C. Извън Земята са възможни още по-ниски температури: на повърхността на Луната в лунна полунощ може да достигне -160°C.
Но никъде не може да има произволно ниски температури. Изключително ниска температура - абсолютна нула - по скалата на Целзий съответства на - 273,16 °.
Абсолютната температурна скала, скалата на Келвин, произхожда от абсолютната нула. Ледът се топи при 273,16° Келвин, а водата кипи при 373,16° К. Така градус К е равен на градус С. Но по скалата на Келвин всички температури са положителни.
Защо 0°K е границата на студа?
Топлината е хаотичното движение на атомите и молекулите на материята. Когато дадено вещество се охлажда, от него се отнема топлинна енергия и в този случай произволното движение на частиците отслабва. В крайна сметка със силно охлаждане термично<пляска>частици почти напълно спира. Атомите и молекулите биха замръзнали напълно при температура, която се приема за абсолютна нула. Според принципите на квантовата механика при абсолютната нула точно топлинното движение на частиците би спряло, но самите частици няма да замръзнат, тъй като не могат да бъдат напълно в покой. По този начин, при абсолютна нула, частиците все още трябва да поддържат някакъв вид движение, което се нарича нула.

Да се ​​охлади вещество до температура под абсолютната нула обаче е толкова безсмислена идея, колкото, да речем, намерението<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Освен това дори достигането на точна абсолютна нула също е почти невъзможно. Можете само да се доближите до него. Защото абсолютно цялата му топлинна енергия не може да бъде отнета от дадено вещество по никакъв начин. Част от топлинната енергия остава по време на най-дълбокото охлаждане.
Как достигат ултраниски температури?
Замразяването на вещество е по-трудно от нагряването му. Това може да се види поне от сравнение на дизайна на печката и хладилника.
В повечето битови и промишлени хладилници топлината се отстранява поради изпарението на специална течност - фреон, който циркулира през метални тръби. Тайната е, че фреонът може да остане в течно състояние само при достатъчно ниска температура. В хладилната камера, поради топлината на камерата, тя се нагрява и кипи, превръщайки се в пара. Но парата се компресира от компресора, втечнява се и влиза в изпарителя, компенсирайки загубата на изпаряващ се фреон. Енергията се използва за работа на компресора.
В устройствата за дълбоко охлаждане носителят на студа е свръхстудена течност - течен хелий. Безцветен, лек (8 пъти по-лек от водата), кипи при атмосферно налягане при 4,2°К, а във вакуум при 0,7°К. Още по-ниска температура дава лекият изотоп на хелия: 0,3°K.
Доста трудно е да се организира постоянен хелиев хладилник. Изследванията се извършват просто във вани с течен хелий. И за да втечнят този газ, физиците използват различни техники. Например, предварително охладен и компресиран хелий се разширява чрез освобождаването му през тънък отвор във вакуумна камера. В същото време температурата все още намалява и част от газа се превръща в течност. По-ефективно е не само да разширите охладения газ, но и да го накарате да върши работа - да движи буталото.
Полученият течен хелий се съхранява в специални термоси - съдове на Дюар. Цената на тази най-студена течност (единствената, която не замръзва при абсолютната нула) е доста висока. Въпреки това течният хелий се използва все по-широко не само в науката, но и в различни технически устройства.
Най-ниските температури са постигнати по различен начин. Оказва се, че молекулите на някои соли, като например калиево-хромовата стипца, могат да се въртят по магнитните силови линии. Тази сол се охлажда предварително с течен хелий до 1°K и се поставя в силно магнитно поле. В този случай молекулите се въртят по силовите линии, а освободената топлина се отнема от течен хелий. След това магнитното поле рязко се отстранява, молекулите отново се обръщат в различни посоки и изразходваните

тази работа води до допълнително охлаждане на солта. По този начин се получава температура от 0,001 ° К. По подобен принципен метод, използвайки други вещества, може да се получи още по-ниска температура.
Най-ниската температура, получена досега на Земята, е 0,00001°K.

Свръхфлуидност

Веществото, замразено до ултраниски температури във вани с течен хелий, се променя значително. Каучукът става крехък, оловото става твърдо като стомана и еластично, много сплави увеличават здравината.

Самият течен хелий се държи по особен начин. При температури под 2,2 °K той придобива безпрецедентно за обикновените течности свойство - свръхтечливост: част от него напълно губи вискозитет и тече без никакво триене през най-тесните процепи.
Това явление, открито през 1937 г. от съветския физик академик П. JI. Капица, обясни тогава акад. JI. Д. Ландау.
Оказва се, че при свръхниски температури квантовите закони на поведението на материята започват да се отразяват осезаемо. Както изисква един от тези закони, енергията може да се предава от тяло на тяло само в съвсем определени порции - кванти. В течния хелий има толкова малко топлинни кванти, че няма достатъчно за всички атоми. Част от течността, лишена от топлинни кванти, остава при абсолютна нулева температура, нейните атоми изобщо не участват в произволно топлинно движение и по никакъв начин не взаимодействат със стените на съда. Тази част (тя се наричаше хелий-Н) притежава свръхтечност. С намаляването на температурата хелий-II става все повече и повече и при абсолютна нула целият хелий ще се превърне в хелий-H.
Свръхфлуидността вече е изследвана много подробно и дори е намерила полезно практическо приложение: с нейна помощ е възможно да се разделят изотопи на хелий.

Свръхпроводимост

Близо до абсолютната нула настъпват изключително любопитни промени в електрическите свойства на определени материали.
През 1911 г. холандският физик Kamerling-Onnes направи неочаквано откритие: оказа се, че при температура от 4,12 ° K електрическото съпротивление напълно изчезва в живака. Меркурий става свръхпроводник. Електрическият ток, индуциран в свръхпроводящия пръстен, не се разпада и може да тече почти вечно.
Над такъв пръстен свръхпроводяща топка ще се носи във въздуха и няма да падне, сякаш от приказка.<гроб Магомета>, тъй като тежестта му се компенсира от магнитното отблъскване между пръстена и топката. В края на краищата незатихващият ток в пръстена ще създаде магнитно поле, а то от своя страна ще индуцира електрически ток в топката и заедно с него противоположно насочено магнитно поле.
В допълнение към живака, калай, олово, цинк и алуминий имат свръхпроводимост близо до абсолютната нула. Това свойство е открито в 23 елемента и над сто различни сплави и други химични съединения.
Температурите, при които се появява свръхпроводимост (критични температури), са в доста широк диапазон от 0,35°K (хафний) до 18°K (ниобиево-калаена сплав).
Явлението свръхпроводимост, както и свръх-
течливост, проучена в детайли. Намерени са зависимостите на критичните температури от вътрешната структура на материалите и външното магнитно поле. Създадена е дълбока теория на свръхпроводимостта (важен принос на съветския учен акад. Н. Н. Боголюбов).
Същността на това парадоксално явление отново е чисто квантова. При свръхниски температури електроните влизат

свръхпроводник образуват система от свързани по двойки частици, които не могат да дадат енергия на кристалната решетка, изразходват енергийни кванти, за да я нагреят. Двойките електрони се движат като<танцуя>, между<прутьями решетки>- йони и ги заобикаля без сблъсъци и пренос на енергия.
Свръхпроводимостта се използва все повече в технологиите.
Например навлизат в практиката свръхпроводящи соленоиди - свръхпроводящи бобини, потопени в течен хелий. Веднъж индуцираният ток и, следователно, магнитното поле могат да се съхраняват в тях за произволно дълго време. Може да достигне гигантска стойност - над 100 000 ерстеда. В бъдеще несъмнено ще се появят мощни индустриални свръхпроводящи устройства - електродвигатели, електромагнити и др.
В радиоелектрониката започват да играят важна роля ултрачувствителните усилватели и генератори на електромагнитни вълни, които работят особено добре във вани с течен хелий - там вътрешният<шумы>оборудване. В електронно-изчислителната технология се обещава светло бъдеще за свръхпроводящи ключове с ниска мощност - криотрони (вижте чл.<Пути электроники>).
Не е трудно да си представим колко изкушаващо би било да се повиши работата на такива устройства до по-високи, по-достъпни температури. Наскоро се появи надежда за създаване на свръхпроводници от полимерен филм. Особеното естество на електрическата проводимост в такива материали обещава брилянтна възможност за поддържане на свръхпроводимост дори при стайна температура. Учените упорито търсят начини да реализират тази надежда.

В дълбините на звездите

А сега нека надникнем в царството на най-горещото нещо на света – в недрата на звездите. Където температурите достигат милиони градуси.
Хаотичното топлинно движение в звездите е толкова интензивно, че цели атоми не могат да съществуват там: те се унищожават при безброй сблъсъци.
Следователно толкова силно нагрято вещество не може да бъде нито твърдо, нито течно, нито газообразно. Той е в състояние на плазма, т.е. смес от електрически заредени<осколков>атоми - атомни ядра и електрони.
Плазмата е вид състояние на материята. Тъй като неговите частици са електрически заредени, те чувствително се подчиняват на електрически и магнитни сили. Следователно непосредствената близост на две атомни ядра (те носят положителен заряд) е рядко явление. Само при високи плътности и огромни температури атомните ядра, които се сблъскват едно с друго, могат да се доближат. Тогава протичат термоядрени реакции – източникът на енергия за звездите.
Най-близката до нас звезда - Слънцето се състои основно от водородна плазма, която се нагрява в недрата на звездата до 10 милиона градуса. При такива условия, макар и рядко, се случват близки срещи на бързи водородни ядра - протони. Понякога приближаващите протони си взаимодействат: преодолявайки електрическото отблъскване, те бързо попадат във властта на гигантски ядрени сили на привличане<падают>един друг и се сливат. Тук се случва мигновено пренареждане: вместо два протона се появяват деутерон (ядрото на тежък изотоп на водорода), позитрон и неутрино. Освободената енергия е 0,46 милиона електронволта (Mev).
Всеки отделен слънчев протон може да влезе в такава реакция средно веднъж на 14 милиарда години. Но в недрата на светилото има толкова много протони, че тук и там се случва това малко вероятно събитие - и нашата звезда гори с равномерния си, ослепителен пламък.
Синтезът на дейтрони е само първата стъпка в слънчевите термоядрени трансформации. Новороденият дейтрон много скоро (средно след 5,7 секунди) се комбинира с още един протон. Има ядро ​​от лек хелий и гама квант от електромагнитно излъчване. Отделя се 5,48 MeV енергия.
И накрая, средно веднъж на милион години две ядра от лек хелий могат да се сближат и слеят. Тогава се образува обикновено хелиево ядро ​​(алфа частица) и два протона се отделят. Отделя се 12,85 MeV енергия.
Този тристепенен<конвейер>термоядрените реакции не са единствените. Има друга верига от ядрени трансформации, по-бързи. В него участват (без да се изразходват) атомните ядра на въглерода и азота. Но и в двата случая алфа частиците се синтезират от водородни ядра. Образно казано слънчевата водородна плазма<сгорает>, превръща се в<золу>- хелиева плазма. А в процеса на синтез на всеки грам хелиева плазма се отделят 175 хиляди kWh енергия. Страхотна сума!
Всяка секунда Слънцето излъчва 41033 ерг енергия, губейки 41012 g (4 милиона тона) материя в теглото си. Но общата маса на Слънцето е 2 1027 тона.Това означава, че след милион години, поради излъчването на радиация, Слънцето<худеет>само една десет милионна от масата си. Тези цифри красноречиво илюстрират ефективността на термоядрените реакции и гигантската калоричност на слънчевата енергия.<горючего>- водород.
Термоядреният синтез изглежда е основният източник на енергия за всички звезди. При различни температури и плътности на звездните вътрешности протичат различни видове реакции. По-специално, слънчева<зола>- хелиеви ядра - при 100 милиона градуса то самото става термоядрено<горючим>. Тогава дори по-тежки атомни ядра - въглерод и дори кислород - могат да бъдат синтезирани от алфа частици.
Според много учени цялата ни Метагалактика като цяло също е плод на термоядрен синтез, който се е състоял при температура от един милиард градуса (виж чл.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Към изкуственото слънце

Изключителното калорично съдържание на термоядрените<горючего>накара учените да търсят изкуствено прилагане на реакции на ядрен синтез.
<Горючего>На нашата планета има много изотопи на водорода. Например, свръхтежкият водороден тритий може да бъде получен от метален литий в ядрени реактори. А тежкият водород - деутерият е част от тежката вода, която може да се извлече от обикновена вода.
Тежкият водород, извлечен от две чаши обикновена вода, би осигурил толкова енергия в термоядрения реактор, колкото сега осигурява изгарянето на варел висококачествен бензин.
Трудността е в предварителното загряване<горючее>до температури, при които може да се запали с мощен термоядрен огън.
Този проблем е решен за първи път във водородната бомба. Водородните изотопи там се подпалват от експлозията на атомна бомба, която е придружена от нагряване на веществото до много десетки милиони градуси. В една от версиите на водородната бомба термоядреното гориво е химическо съединение на тежък водород с лек литий - деутерид на леките l и t и i. Този бял прах, подобен на готварска сол,<воспламеняясь>от<спички>, което е атомната бомба, моментално избухва и създава температура от стотици милиони градуси.
За да започне мирна термоядрена реакция, човек трябва преди всичко да се научи как без помощта на атомна бомба да нагрява малки дози от достатъчно плътна плазма от водородни изотопи до температури от стотици милиони градуси. Този проблем е един от най-трудните в съвременната приложна физика. Учени от цял ​​свят работят върху него от много години.
Вече казахме, че хаотичното движение на частиците създава нагряване на телата, а средната енергия на тяхното произволно движение съответства на температурата. Да загрееш студено тяло означава да създадеш това разстройство по какъвто и да е начин.
Представете си, че две групи бегачи бързо се втурват една към друга. Така се сблъскаха, смесиха, започна тълпа, объркване. Голяма бъркотия!
Приблизително по същия начин физиците първо се опитаха да получат висока температура - чрез изтласкване на газови струи под високо налягане. Газът се нагрява до 10 хиляди градуса. По едно време беше рекорд: температурата е по-висока, отколкото на повърхността на Слънцето.
Но с този метод по-нататъшното, доста бавно, неексплозивно нагряване на газа е невъзможно, тъй като топлинното разстройство моментално се разпространява във всички посоки, затопляйки стените на експерименталната камера и околната среда. Получената топлина бързо напуска системата и е невъзможно да се изолира.
Ако газовите струи се заменят с плазмени потоци, проблемът с топлоизолацията остава много труден, но има и надежда за неговото решение.
Вярно е, че плазмата не може да бъде защитена от загуба на топлина от съдове, направени дори от най-огнеупорното вещество. При контакт с твърдите стени горещата плазма веднага се охлажда. От друга страна, човек може да се опита да задържи и нагрее плазмата, като създаде нейното натрупване във вакуум, така че да не докосва стените на камерата, а да виси в празнотата, без да докосва нищо. Тук трябва да се възползваме от факта, че плазмените частици не са неутрални, като газовите атоми, а електрически заредени. Следователно в движение те са подложени на действието на магнитни сили. Възниква проблемът: да се създаде магнитно поле със специална конфигурация, в което горещата плазма да виси като в торба с невидими стени.
Най-простата форма на такова електрическо поле се създава автоматично, когато през плазмата преминават силни електрически импулси. В този случай около плазмената нишка се индуцират магнитни сили, които се стремят да компресират нишката. Плазмата се отделя от стените на разрядната тръба и температурата се повишава до 2 милиона градуса близо до оста на нишката в поток от частици.
У нас такива опити са извършени още през 1950 г. под ръководството на академиците JI. А. Арцимович и М. А. Леонтович.
Друга посока на експерименти е използването на магнитна бутилка, предложена през 1952 г. от съветския физик Г. И. Будкер, сега академик. Магнитната бутилка се поставя в корктрон - цилиндрична вакуумна камера, оборудвана с външна намотка, която се удебелява в краищата на камерата. Токът, протичащ през намотката, създава магнитно поле в камерата. Силовите му линии в средната част са успоредни на образуващите на цилиндъра, а в краищата са компресирани и образуват магнитни тапи. Плазмените частици, инжектирани в магнитна бутилка, се навиват около силовите линии и се отразяват от тапите. В резултат на това плазмата се задържа известно време вътре в бутилката. Ако енергията на плазмените частици, въведени в бутилката, е достатъчно висока и те са достатъчно, те влизат в сложни силови взаимодействия, тяхното първоначално подредено движение се заплита, става неподредено - температурата на водородните ядра се повишава до десетки милиони градуси. .
Допълнителното отопление се постига чрез електромагнитно<ударами>чрез плазма, компресия на магнитно поле и т.н. Сега плазмата от тежки водородни ядра се нагрява до стотици милиони градуси. Вярно е, че това може да се направи или за кратко време, или при ниска плътност на плазмата.
За да се възбуди самоподдържаща се реакция, е необходимо допълнително да се повиши температурата и плътността на плазмата. Това е трудно постижимо. Въпреки това, както са убедени учените, проблемът е безспорно разрешим.

G.B. Анфилов

Публикуването на снимки и цитирането на статии от нашия сайт на други ресурси е разрешено, при условие че е предоставена връзка към източника и снимките.