Graniczną temperaturę, w której objętość gazu doskonałego staje się zerowa, przyjmuje się jako temperaturę zera absolutnego. Jednak objętość rzeczywistych gazów w temperaturze zera bezwzględnego nie może zniknąć. Czy w takim razie ta granica temperatur ma sens?

Temperatura graniczna, której istnienie wynika z prawa Gay-Lussaca, ma sens, ponieważ praktycznie możliwe jest przybliżenie właściwości gazu rzeczywistego do właściwości gazu doskonałego. Aby to zrobić, konieczne jest przyjęcie coraz bardziej rozrzedzonego gazu, aby jego gęstość dążyła do zera. Rzeczywiście, wraz ze spadkiem temperatury objętość takiego gazu będzie dążyć do granicy, bliskiej zeru.

Znajdźmy wartość zera bezwzględnego w skali Celsjusza. Zrównanie objętości VV wzór (3.6.4) na zero i biorąc to pod uwagę

Stąd temperatura zera bezwzględnego

* Dokładniejsza wartość dla zera absolutnego: -273,15 °C.

Jest to graniczna, najniższa temperatura w przyrodzie, ów „największy lub ostatni stopień zimna”, którego istnienie przewidział Łomonosow.

Skala Kelvina

Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) – wybitny angielski fizyk, jeden z twórców termodynamiki i molekularno-kinetycznej teorii gazów.

Kelvin wprowadził bezwzględną skalę temperatur i podał jedno ze sformułowań drugiej zasady termodynamiki w postaci niemożności całkowitej zamiany ciepła na pracę. Obliczył wielkość cząsteczek na podstawie pomiaru energii powierzchniowej cieczy. W związku z układaniem transatlantyckiego kabla telegraficznego Kelvin rozwinął teorię oscylacji elektromagnetycznych i wyprowadził wzór na okres swobodnych oscylacji w obwodzie. Za zasługi naukowe W. Thomson otrzymał tytuł Lorda Kelvina.

Angielski naukowiec W. Kelvin wprowadził bezwzględną skalę temperatury. Temperatura zerowa na skali Kelvina odpowiada zeru bezwzględnemu, a jednostką temperatury na tej skali są stopnie Celsjusza, więc temperatura bezwzględna T jest powiązany z temperaturą w skali Celsjusza za pomocą wzoru

(3.7.6)

Rysunek 3.11 przedstawia skalę bezwzględną i skalę Celsjusza dla porównania.

Jednostką temperatury bezwzględnej w układzie SI jest kelwin (w skrócie K). Dlatego jeden stopień Celsjusza jest równy jednemu stopniowi Kelvina: 1 °C = 1 K.

Zatem temperatura bezwzględna, z definicji wyrażona wzorem (3.7.6), jest wielkością pochodną zależną od temperatury Celsjusza i wyznaczonej doświadczalnie wartości a. Ma to jednak fundamentalne znaczenie.

Z punktu widzenia molekularnej teorii kinetyki temperatura bezwzględna jest związana ze średnią energią kinetyczną losowego ruchu atomów lub cząsteczek. Na T = O Do zatrzymuje się ruch termiczny cząsteczek. Zostanie to omówione bardziej szczegółowo w rozdziale 4.

Objętość a temperatura bezwzględna

Korzystając ze skali Kelvina, prawo Gay-Lussaca (3.6.4) można zapisać w prostszej formie. Ponieważ

(3.7.7)

Objętość gazu o danej masie przy stałym ciśnieniu jest wprost proporcjonalna do temperatury bezwzględnej.

Wynika z tego, że stosunek objętości gazu o tej samej masie w różnych stanach pod tym samym ciśnieniem jest równy stosunkowi temperatur bezwzględnych:

(3.7.8)

Istnieje minimalna możliwa temperatura, przy której objętość (i ciśnienie) gazu doskonałego zanika. To jest temperatura zera absolutnego:-273 °С. Wygodnie jest mierzyć temperaturę od zera bezwzględnego. Tak zbudowana jest bezwzględna skala temperatury.

Zero absolutne (zero absolutne) - początek temperatury bezwzględnej, począwszy od 273,16 K poniżej punktu potrójnego wody (punkt równowagi trzech faz - lodu, wody i pary wodnej); przy zera absolutnym ruch cząsteczek zatrzymuje się i znajdują się one w stanie „zerowych” ruchów. Lub: najniższa temperatura, w której substancja nie zawiera energii cieplnej.

Zero absolutne Początek odczyt temperatury bezwzględnej. Odpowiada -273,16°C. Obecnie laboratoriom fizycznym udało się uzyskać temperaturę przekraczającą zero absolutne zaledwie o kilka milionowych stopnia, ale zgodnie z prawami termodynamiki jest to niemożliwe do osiągnięcia. W stanie zera absolutnego układ znajdowałby się w stanie o najniższej możliwej energii (w tym stanie atomy i cząsteczki wykonywałyby „zerowe” wibracje) i miałby zerową entropię (zero nieład). Objętość gazu doskonałego w punkcie zera absolutnego musi być równa zeru, a aby wyznaczyć ten punkt, mierzy się objętość rzeczywistego helu gazowego w spójny obniżając temperaturę, aż skrapla się pod niskim ciśnieniem (-268,9 ° C) i ekstrapoluje do temperatury, w której objętość gazu spadłaby do zera w przypadku braku skraplania. Temperatura absolutna termodynamiczny Skala mierzona jest w kelwinach, oznaczonych symbolem K. Absolutny termodynamiczny skala i skala Celsjusza są po prostu przesunięte względem siebie i są powiązane relacją K = ° C + 273,16 °.

Fabuła

Słowo „temperatura” powstało w czasach, gdy wierzono, że cieplejsze ciała zawierają większą ilość specjalnej substancji – kalorycznej niż te mniej rozgrzane. Dlatego temperatura była postrzegana jako siła mieszaniny substancji ciała i kalorii. Z tego powodu jednostki miary mocy napojów alkoholowych i temperatury nazywane są tymi samymi - stopniami.

Z faktu, że temperatura jest energią kinetyczną cząsteczek, wynika, że ​​najbardziej naturalne jest mierzenie jej w jednostkach energii (czyli w układzie SI w dżulach). Pomiar temperatury rozpoczął się jednak na długo przed powstaniem molekularnej teorii kinetyki, dlatego praktyczne wagi mierzą temperaturę w konwencjonalnych jednostkach – stopniach.

Skala Kelvina

W termodynamice stosuje się skalę Kelvina, w której temperaturę mierzy się od zera absolutnego (stanu odpowiadającego minimalnej teoretycznie możliwej energii wewnętrznej ciała), a jeden kelwin jest równy 1/273,16 odległości od zera absolutnego do punkt potrójny wody (stan, w którym pary lodu, wody i wody są w równowadze. Stała Boltzmanna służy do przeliczania kelwinów na jednostki energii. Stosowane są również jednostki pochodne: kilokelwin, megakelwin, milikelwin itp.

Celsjusz

W życiu codziennym stosuje się skalę Celsjusza, w której punkt zamarzania wody przyjmuje się jako 0, a punkt wrzenia wody pod ciśnieniem atmosferycznym jako 100 °. Ponieważ punkty zamarzania i wrzenia wody nie są dobrze określone, skala Celsjusza jest obecnie definiowana w skali Kelvina: stopnie Celsjusza równają się Kelvinowi, przyjmuje się, że zero bezwzględne wynosi -273,15 ° C. Skala Celsjusza jest praktycznie bardzo wygodna, ponieważ woda jest bardzo powszechna na naszej planecie i opiera się na niej nasze życie. Zero Celsjusza to szczególny punkt dla meteorologii, ponieważ zamarzanie wody atmosferycznej zmienia wszystko znacząco.

Fahrenheita

W Anglii, a zwłaszcza w USA, używana jest skala Fahrenheita. Ta skala jest podzielona o 100 stopni od temperatury najmroźniejszej zimy w mieście, w którym mieszkał Fahrenheit, do temperatury ludzkiego ciała. Zero stopni Celsjusza to 32 stopnie Fahrenheita, a stopień Fahrenheita to 5/9 stopni Celsjusza.

Obecna definicja skali Fahrenheita jest następująca: jest to skala temperatury, której 1 stopień (1 °F) jest równy 1/180 różnicy między temperaturą wrzenia wody a temperaturą topnienia lodu pod ciśnieniem atmosferycznym, a temperatura topnienia lodu wynosi +32 ° F. Temperatura w skali Fahrenheita jest powiązana z temperaturą w skali Celsjusza (t ° C) przez stosunek t ° C = 5/9 (t ° F - 32), 1 ° F = 5/9 ° C. Zaproponowany przez G. Fahrenheita w 1724 r.

Skala Reaumura

Zaproponowany w 1730 roku przez RA Reaumura, który opisał wynaleziony przez siebie termometr alkoholowy.

Jednostka - stopień Réaumur (°R), 1°R jest równy 1/80 przedziału temperatur między punktami odniesienia - temperaturą topnienia lodu (0°R) i wrzącej wody (80°R)

1°R = 1,25°C.

Obecnie skala wyszła z użycia, najdłużej zachowała się we Francji, w ojczyźnie autora.

Porównanie skal temperatur

Normalna temperatura ciała człowieka wynosi 36,6°C ±0,7°C lub 98,2°F ±1,3°F. Powszechnie podawana wartość 98,6 ° F to dokładna konwersja Fahrenheita dziewiętnastowiecznej niemieckiej wartości 37 ° C. Ponieważ wartość ta nie mieści się w zakresie normalnej temperatury według nowoczesnych koncepcji, możemy powiedzieć, że zawiera nadmierną (nieprawidłową) dokładność. Niektóre wartości w tej tabeli zostały zaokrąglone.

Porównanie skali Fahrenheita i Celsjusza

(z- Skala Fahrenheita, o C- skala Celsjusza)

Aby przeliczyć stopnie Celsjusza na kelwiny, użyj wzoru T=t+T0 gdzie T jest temperaturą w kelwinach, t jest temperaturą w stopniach Celsjusza, T 0 = 273,15 kelwinów. Stopień Celsjusza ma wielkość równą kelwinowi.

Każde ciało fizyczne, w tym wszystkie obiekty we Wszechświecie, ma minimalny wskaźnik temperatury lub jego granicę. Jako punkt odniesienia dowolnej skali temperatur zwykle bierze się pod uwagę wartość temperatur zera bezwzględnego. Ale to tylko w teorii. Chaotyczny ruch atomów i cząsteczek, które wydzielają w tym czasie swoją energię, w praktyce nie został jeszcze zatrzymany.

Jest to główny powód, dla którego nie można osiągnąć temperatury zera absolutnego. Wciąż toczą się spory o konsekwencje tego procesu. Z punktu widzenia termodynamiki granica ta jest nieosiągalna, ponieważ ruch termiczny atomów i cząsteczek zostaje całkowicie zatrzymany i powstaje sieć krystaliczna.

Przedstawiciele fizyki kwantowej przewidują obecność minimalnych oscylacji punktu zerowego w temperaturach zera absolutnego.

Jaka jest wartość temperatury zera bezwzględnego i dlaczego nie można jej osiągnąć

Na Konferencji Generalnej Miar i Wag po raz pierwszy ustanowiono odniesienie lub punkt odniesienia dla przyrządów pomiarowych wyznaczających wskaźniki temperatury.

Obecnie w Międzynarodowym Układzie Miar punktem odniesienia dla skali Celsjusza jest 0°C podczas zamrażania i 100°C podczas procesu wrzenia, wartość temperatur zera bezwzględnego wynosi −273,15°C.

Używając wartości temperatury w skali Kelvina zgodnie z tym samym Międzynarodowym Układem Jednostek, wrząca woda wystąpi przy wartości odniesienia 99,975 ° C, zero bezwzględne odpowiada 0. Fahrenheit na skali odpowiada -459,67 stopni.

Ale jeśli te dane zostaną uzyskane, dlaczego w praktyce niemożliwe jest osiągnięcie absolutnych temperatur zerowych. Dla porównania możemy przyjąć znaną wszystkim prędkość światła, która jest równa stałej fizycznej wartości 1 079 252 848,8 km/h.

Jednak tej wartości nie da się osiągnąć w praktyce. Zależy to zarówno od długości fali transmisji, jak i warunków oraz koniecznej absorpcji dużej ilości energii przez cząstki. Aby uzyskać wartość temperatury zera absolutnego, konieczny jest duży zwrot energii i brak jej źródeł uniemożliwiający jej wnikanie do atomów i cząsteczek.

Ale nawet w warunkach całkowitej próżni naukowcy nie uzyskali ani prędkości światła, ani absolutnego zera temperatur.

Dlaczego możliwe jest osiągnięcie temperatur zbliżonych do zera, ale nie absolutnych

Co się stanie, gdy nauka zbliży się do osiągnięcia ekstremalnie niskiej temperatury zera absolutnego, pozostaje na razie tylko w teorii termodynamiki i fizyce kwantowej. Z jakiego powodu w praktyce nie można osiągnąć temperatury zera bezwzględnego?

Wszystkie znane próby schłodzenia substancji do najniższej granicy ze względu na maksymalną utratę energii doprowadziły do ​​tego, że wartość pojemności cieplnej substancji również osiągnęła wartość minimalną. Cząsteczki po prostu nie były w stanie oddać reszty energii. W rezultacie proces chłodzenia został zatrzymany przed osiągnięciem zera bezwzględnego.

Badając zachowanie się metali w warunkach zbliżonych do temperatury zera absolutnego, naukowcy stwierdzili, że maksymalny spadek temperatury powinien spowodować utratę odporności.

Ale ustanie ruchu atomów i cząsteczek doprowadziło jedynie do powstania sieci krystalicznej, przez którą przechodzące elektrony przekazywały część swojej energii nieruchomym atomom. Nie udało się ponownie osiągnąć zera absolutnego.

W 2003 roku do zera absolutnego brakowało tylko pół miliardowej części 1°C. Naukowcy z NASA wykorzystali cząsteczkę Na do przeprowadzania eksperymentów, która zawsze znajdowała się w polu magnetycznym i wydzielała swoją energię.

Najbliższe było osiągnięcie naukowców z Yale University, którzy w 2014 roku osiągnęli wskaźnik 0,0025 kelwina. Powstały związek fluorku strontu (SrF) istniał tylko przez 2,5 sekundy. I na koniec nadal rozpadał się na atomy.

Jak myślisz, gdzie znajduje się najzimniejsze miejsce w naszym wszechświecie? Dziś jest to Ziemia. Na przykład temperatura powierzchni Księżyca wynosi -227 stopni Celsjusza, a temperatura otaczającej nas próżni wynosi 265 stopni poniżej zera. Jednak w laboratorium na Ziemi człowiek może osiągnąć temperatury znacznie niższe, aby badać właściwości materiałów w ultra-niskich temperaturach. Materiały, pojedyncze atomy, a nawet światło poddane ekstremalnemu ochłodzeniu zaczynają wykazywać niezwykłe właściwości.

Pierwszy tego rodzaju eksperyment przeprowadzili na początku XX wieku fizycy badający właściwości elektryczne rtęci w ultraniskich temperaturach. W temperaturze -262 stopni Celsjusza rtęć zaczyna wykazywać właściwości nadprzewodnictwa, zmniejszając oporność na prąd elektryczny niemal do zera. Dalsze eksperymenty ujawniły także inne interesujące właściwości chłodzonych materiałów, w tym nadciekłość, która wyraża się w „wyciekaniu” materii przez przegrody stałe iz zamkniętych pojemników.

Nauka ustaliła najniższą możliwą do osiągnięcia temperaturę - minus 273,15 stopni Celsjusza, ale praktycznie taka temperatura jest nieosiągalna. W praktyce temperatura jest przybliżoną miarą energii zawartej w obiekcie, więc zero absolutne wskazuje, że ciało niczego nie promieniuje i nie można z tego obiektu wydobyć żadnej energii. Ale mimo to naukowcy starają się zbliżyć jak najbardziej do temperatury zera absolutnego, obecny rekord został ustanowiony w 2003 roku w laboratorium Massachusetts Institute of Technology. Naukowcom brakowało zaledwie 810 miliardowych części stopnia do zera absolutnego. Schłodzili chmurę atomów sodu utrzymywaną w miejscu przez silne pole magnetyczne.

Wydawałoby się - jakie jest stosowane znaczenie takich eksperymentów? Okazuje się, że badaczy interesuje takie pojęcie jak kondensat Bosego-Einsteina, czyli szczególny stan materii - nie gaz, ciało stałe czy ciecz, a po prostu chmura atomów o tym samym stanie kwantowym. Ta forma materii została przewidziana przez Einsteina i indyjskiego fizyka Satyendrę Bose w 1925 roku i została uzyskana dopiero 70 lat później. Jednym z naukowców, którym udało się osiągnąć taki stan materii, jest Wolfgang Ketterle, który za swoje odkrycie otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Jedną z niezwykłych właściwości kondensatu Bosego-Einsteina (BEC) jest zdolność kontrolowania ruchu promieni świetlnych. W próżni światło porusza się z prędkością 300 000 km na sekundę, co jest największą prędkością możliwą do osiągnięcia we wszechświecie. Ale światło może rozchodzić się wolniej, jeśli nie rozchodzi się w próżni, ale w materii. Z pomocą BEC możliwe jest spowolnienie ruchu światła do niskich prędkości, a nawet jego zatrzymanie. Ze względu na temperaturę i gęstość kondensatu emisja światła zwalnia i może zostać „przechwycona” i przekształcona bezpośrednio w prąd elektryczny. Prąd ten może zostać przeniesiony do innej chmury BEC i ponownie przekształcony w promieniowanie świetlne. Ta funkcja jest bardzo pożądana w telekomunikacji i komputerach. Tutaj trochę nie rozumiem – w końcu istnieją JUŻ urządzenia, które zamieniają fale świetlne na prąd i odwrotnie… Najwyraźniej zastosowanie BEC pozwala na szybsze i dokładniejsze przeprowadzenie tej konwersji.

Jednym z powodów, dla których naukowcom tak bardzo zależy na uzyskaniu zera absolutnego, jest próba zrozumienia, co się dzieje i działo z naszym Wszechświatem, jakie prawa termodynamiki w nim działają. Jednocześnie naukowcy rozumieją, że wydobycie z atomu całej energii do ostatniej jest praktycznie nieosiągalne.

Kiedy prognoza pogody przewiduje temperaturę około zera, nie należy chodzić na lodowisko: lód się stopi. Temperaturę topnienia lodu przyjmuje się jako zero stopni Celsjusza – najbardziej powszechną skalę temperatur.
Doskonale znamy ujemne stopnie skali Celsjusza - stopnie<ниже нуля>, stopnie zimna. Najniższą temperaturę na Ziemi zanotowano na Antarktydzie: -88,3°C. Poza Ziemią możliwe są jeszcze niższe temperatury: na powierzchni Księżyca o północy księżycowej może dochodzić do -160°C.
Ale nigdzie nie może być arbitralnie niskich temperatur. Ekstremalnie niska temperatura – zero absolutne – w skali Celsjusza odpowiada – 273,16°.
Bezwzględna skala temperatury, skala Kelvina, pochodzi od zera bezwzględnego. Lód topi się w temperaturze 273,16°K, a woda wrze w temperaturze 373,16°K. Zatem stopień K jest równy stopniowi C. Ale w skali Kelvina wszystkie temperatury są dodatnie.
Dlaczego 0°K jest granicą zimna?
Ciepło to chaotyczny ruch atomów i cząsteczek materii. Kiedy substancja jest schładzana, energia cieplna jest z niej odbierana iw tym przypadku losowy ruch cząstek słabnie. W końcu przy mocnym chłodzeniu termicznym<пляска>cząsteczki prawie całkowicie się zatrzymują. Atomy i cząsteczki zamarzałyby całkowicie w temperaturze, którą przyjmuje się za zero absolutne. Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, w temperaturze zera bezwzględnego zatrzymuje się właśnie ruch termiczny cząstek, ale same cząstki nie zamarzają, ponieważ nie mogą być całkowicie w spoczynku. Tak więc przy zera absolutnym cząstki muszą nadal zachowywać pewien rodzaj ruchu, który nazywa się zerem.

Jednak schłodzenie substancji do temperatury poniżej zera absolutnego jest pomysłem równie bezsensownym, jak, powiedzmy, intencja<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Co więcej, nawet osiągnięcie dokładnego zera absolutnego jest również prawie niemożliwe. Możesz się tylko do niego zbliżyć. Ponieważ absolutnie całej jej energii cieplnej nie można w żaden sposób odebrać substancji. Część energii cieplnej pozostaje podczas najgłębszego chłodzenia.
Jak osiągają bardzo niskie temperatury?
Zamrażanie substancji jest trudniejsze niż jej podgrzewanie. Widać to przynajmniej z porównania konstrukcji kuchenki i lodówki.
W większości lodówek domowych i przemysłowych ciepło jest usuwane w wyniku odparowania specjalnej cieczy - freonu, który krąży w metalowych rurkach. Sekret polega na tym, że freon może pozostać w stanie ciekłym tylko w wystarczająco niskiej temperaturze. W komorze chłodniczej pod wpływem ciepła komory nagrzewa się i wrze, zamieniając się w parę. Ale para jest sprężana przez sprężarkę, skraplana i wchodzi do parownika, rekompensując utratę parującego freonu. Energia jest wykorzystywana do pracy sprężarki.
W urządzeniach głębokiego chłodzenia nośnikiem zimna jest superzimna ciecz - ciekły hel. Bezbarwny, lekki (8 razy lżejszy od wody), wrze pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 4,2°K, aw próżni w temperaturze 0,7°K. Jeszcze niższą temperaturę daje lekki izotop helu: 0,3°K.
Zaaranżowanie stałej lodówki helowej jest dość trudne. Badania przeprowadza się po prostu w kąpielach z ciekłym helem. Aby skroplić ten gaz, fizycy stosują różne techniki. Na przykład wstępnie schłodzony i sprężony hel jest rozprężany przez wypuszczanie go przez cienki otwór do komory próżniowej. Jednocześnie temperatura nadal spada, a część gazu zamienia się w ciecz. Bardziej wydajne jest nie tylko rozprężanie schłodzonego gazu, ale także sprawienie, by działał - poruszał tłokiem.
Powstały ciekły hel jest przechowywany w specjalnych termosach - naczyniach Dewara. Koszt tej najzimniejszej cieczy (jedynej, która nie zamarza w temperaturze zera bezwzględnego) jest dość wysoki. Niemniej jednak ciekły hel jest obecnie coraz szerzej stosowany nie tylko w nauce, ale także w różnych urządzeniach technicznych.
Najniższe temperatury osiągnięto w inny sposób. Okazuje się, że cząsteczki niektórych soli, takich jak ałun potasowo-chromowy, mogą obracać się wzdłuż magnetycznych linii sił. Sól ta jest wstępnie schładzana ciekłym helem do 1°K i umieszczana w silnym polu magnetycznym. W tym przypadku cząsteczki obracają się wzdłuż linii sił, a uwolnione ciepło jest odbierane przez ciekły hel. Następnie pole magnetyczne jest gwałtownie usuwane, cząsteczki ponownie obracają się w różnych kierunkach i zużywają się

praca ta prowadzi do dalszego schładzania soli. W ten sposób uzyskano temperaturę 0,001 ° K. W zasadzie podobną metodą, stosując inne substancje, można uzyskać jeszcze niższą temperaturę.
Najniższa temperatura uzyskana do tej pory na Ziemi to 0,00001°K.

Nadpłynność

Substancja zamrożona do ultra niskich temperatur w kąpielach z ciekłym helem ulega znacznym zmianom. Guma staje się krucha, ołów staje się twardy jak stal i sprężysty, wiele stopów zwiększa wytrzymałość.

Sam ciekły hel zachowuje się w szczególny sposób. W temperaturach poniżej 2,2 °K uzyskuje właściwość niespotykaną dla zwykłych cieczy - nadciekłość: część z nich całkowicie traci lepkość i przepływa bez tarcia przez najwęższe szczeliny.
Zjawisko to, odkryte w 1937 r. przez radzieckiego fizyka akademika P. JI. Kapitsa, został następnie wyjaśniony przez akademika JI. D. Landaua.
Okazuje się, że w ultraniskich temperaturach kwantowe prawa zachowania materii zaczynają zauważalnie wpływać. Jak wymaga jedno z tych praw, energia może być przenoszona z ciała do ciała tylko w ściśle określonych porcjach-kwantach. Kwantów ciepła w ciekłym helu jest tak mało, że nie starcza ich dla wszystkich atomów. Część cieczy, pozbawiona kwantów ciepła, pozostaje w temperaturze zera bezwzględnego, jej atomy w ogóle nie uczestniczą w przypadkowych ruchach termicznych i nie oddziałują w żaden sposób ze ścianami naczynia. Ta część (nazywano ją helem-H) ma nadciekłość. Wraz ze spadkiem temperatury hel-II staje się coraz większy, a przy zera absolutnym cały hel zamieniłby się w hel-H.
Nadciekłość została obecnie bardzo szczegółowo zbadana i znalazła nawet przydatne praktyczne zastosowanie: za jej pomocą możliwe jest oddzielenie izotopów helu.

Nadprzewodnictwo

W pobliżu zera bezwzględnego zachodzą niezwykle ciekawe zmiany we właściwościach elektrycznych niektórych materiałów.
W 1911 roku holenderski fizyk Kamerling-Onnes dokonał nieoczekiwanego odkrycia: okazało się, że w temperaturze 4,12 ° K opór elektryczny całkowicie zanika w rtęci. Rtęć staje się nadprzewodnikiem. Prąd elektryczny indukowany w pierścieniu nadprzewodzącym nie zanika i może płynąć prawie w nieskończoność.
Nad takim pierścieniem nadprzewodząca kulka uniesie się w powietrzu i nie spadnie jak z bajki.<гроб Магомета>, ponieważ jego ciężar jest kompensowany przez odpychanie magnetyczne między pierścieniem a kulką. W końcu nietłumiony prąd w pierścieniu wytworzy pole magnetyczne, a ono z kolei zaindukuje w kuli prąd elektryczny, a wraz z nim przeciwne pole magnetyczne.
Oprócz rtęci, cyna, ołów, cynk i aluminium mają nadprzewodnictwo bliskie zeru absolutnemu. Właściwość tę stwierdzono w 23 pierwiastkach i ponad stu różnych stopach i innych związkach chemicznych.
Temperatury, w których pojawia się nadprzewodnictwo (temperatury krytyczne) mieszczą się w dość szerokim zakresie, od 0,35°K (hafn) do 18°K (stop niobowo-cynowy).
Zjawisko nadprzewodnictwa, a także nad-
płynność, szczegółowo zbadane. Wyznaczono zależności temperatur krytycznych od wewnętrznej struktury materiałów i zewnętrznego pola magnetycznego. Opracowano głęboką teorię nadprzewodnictwa (ważny wkład wniósł radziecki naukowiec akademik N. N. Bogolyubov).
Istota tego paradoksalnego zjawiska jest znów czysto kwantowa. W ultraniskich temperaturach elektrony w

nadprzewodniki tworzą układ połączonych parami cząstek, które nie mogą oddać energii sieci krystalicznej, zużywają kwanty energii na jej podgrzanie. Pary elektronów poruszają się podobnie<танцуя>, między<прутьями решетки>- jony i ominąć je bez kolizji i przenoszenia energii.
Nadprzewodnictwo jest coraz częściej wykorzystywane w technice.
Na przykład solenoidy nadprzewodzące wchodzą w życie - cewki nadprzewodnikowe zanurzone w ciekłym helu. Raz zaindukowany prąd, a co za tym idzie pole magnetyczne, może być w nich przechowywany przez dowolnie długi czas. Może osiągnąć gigantyczną wartość - ponad 100 000 oersted. W przyszłości niewątpliwie pojawią się potężne przemysłowe urządzenia nadprzewodzące - silniki elektryczne, elektromagnesy itp.
W radioelektronice znaczącą rolę zaczynają odgrywać ultraczułe wzmacniacze i generatory fal elektromagnetycznych, które szczególnie dobrze sprawdzają się w kąpielach z ciekłym helem - tam wewnętrzny<шумы>sprzęt. W elektronicznej technologii komputerowej obiecana jest świetlana przyszłość nadprzewodnikowym przełącznikom małej mocy - kriotronom (patrz art.<Пути электроники>).
Nietrudno sobie wyobrazić, jak kuszące byłoby przesunięcie działania takich urządzeń do wyższych, bardziej przystępnych temperatur. Ostatnio pojawiła się nadzieja na stworzenie nadprzewodników z folii polimerowej. Specyficzny charakter przewodnictwa elektrycznego w takich materiałach obiecuje znakomitą okazję do utrzymania nadprzewodnictwa nawet w temperaturach pokojowych. Naukowcy wytrwale szukają sposobów na urzeczywistnienie tej nadziei.

W głębi gwiazd

A teraz zajrzyjmy do królestwa najgorętszej rzeczy na świecie - do wnętrzności gwiazd. Gdzie temperatury sięgają milionów stopni.
Chaotyczny ruch termiczny w gwiazdach jest tak intensywny, że nie mogą tam istnieć całe atomy: są one niszczone w niezliczonych zderzeniach.
Dlatego substancja tak silnie podgrzana nie może być ani stała, ani ciekła, ani gazowa. Jest w stanie plazmy, czyli mieszaniny naładowanej elektrycznie<осколков>atomy - jądra atomowe i elektrony.
Plazma jest rodzajem stanu skupienia. Ponieważ jego cząstki są naładowane elektrycznie, wrażliwie reagują na siły elektryczne i magnetyczne. Dlatego bliskie sąsiedztwo dwóch jąder atomowych (mają ładunek dodatni) jest zjawiskiem rzadkim. Tylko przy dużych gęstościach i ogromnych temperaturach zderzające się ze sobą jądra atomowe są w stanie zbliżyć się do siebie. Zachodzą wtedy reakcje termojądrowe - źródło energii dla gwiazd.
Najbliższa nam gwiazda - Słońce składa się głównie z plazmy wodorowej, która jest podgrzewana w trzewiach gwiazdy do 10 milionów stopni. W takich warunkach bliskie spotkania szybkich jąder wodoru - protonów zdarzają się, choć rzadko. Czasami zbliżające się protony wchodzą w interakcje: przezwyciężywszy odpychanie elektryczne, szybko wpadają w moc gigantycznych jądrowych sił przyciągania<падают>wzajemnie i łączą się. Tutaj następuje natychmiastowe przegrupowanie: zamiast dwóch protonów pojawia się deuteron (jądro ciężkiego izotopu wodoru), pozyton i neutrino. Uwolniona energia wynosi 0,46 miliona elektronowoltów (Mev).
Każdy pojedynczy proton słoneczny może wejść w taką reakcję średnio raz na 14 miliardów lat. Ale w trzewiach luminarza jest tyle protonów, że tu i ówdzie zachodzi to nieprawdopodobne zdarzenie - a nasza gwiazda płonie równym, oślepiającym płomieniem.
Synteza deuteronów to dopiero pierwszy krok w przemianach termojądrowych Słońca. Nowo narodzony deuteron bardzo szybko (średnio po 5,7 sekundy) łączy się z jeszcze jednym protonem. Jest rdzeń z lekkiego helu i kwant gamma promieniowania elektromagnetycznego. Uwolniono energię 5,48 MeV.
Wreszcie średnio raz na milion lat dwa jądra lekkiego helu mogą się zbiegać i łączyć. Następnie powstaje zwykłe jądro helu (cząstka alfa) i odszczepiają się dwa protony. Uwolniono energię 12,85 MeV.
Ten trzyetapowy<конвейер>reakcje termojądrowe nie są jedyne. Istnieje inny łańcuch przemian jądrowych, szybszych. Uczestniczą w nim (bez zużywania się) jądra atomowe węgla i azotu. Ale w obu przypadkach cząstki alfa są syntetyzowane z jąder wodoru. Mówiąc obrazowo, słoneczna plazma wodorowa<сгорает>, zamieniając się w<золу>- plazma helowa. A w procesie syntezy każdego grama plazmy helu uwalnia się 175 tysięcy kWh energii. Świetna kwota!
W każdej sekundzie Słońce emituje 41033 ergów energii, tracąc 41012 g (4 miliony ton) masy materii. Ale całkowita masa Słońca wynosi 2 1027 t. Oznacza to, że za milion lat, w wyniku emisji promieniowania, Słońce<худеет>zaledwie jedną dziesięciomilionową swojej masy. Liczby te wymownie ilustrują skuteczność reakcji termojądrowych i gigantyczną kaloryczność energii słonecznej.<горючего>- wodór.
Fuzja termojądrowa wydaje się być głównym źródłem energii dla wszystkich gwiazd. W różnych temperaturach i gęstościach wnętrz gwiazd zachodzą różne typy reakcji. W szczególności słoneczne<зола>- jądra helu - przy 100 milionach stopni sam staje się termojądrowy<горючим>. Wtedy nawet cięższe jądra atomowe - węgiel, a nawet tlen - mogą być syntetyzowane z cząstek alfa.
Według wielu naukowców cała nasza Metagalaktyka jako całość jest również owocem fuzji termojądrowej, która miała miejsce w temperaturze miliarda stopni (patrz art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Do sztucznego słońca

Niezwykła zawartość kalorii termojądrowych<горючего>skłoniło naukowców do poszukiwania sztucznej implementacji reakcji syntezy jądrowej.
<Горючего>Na naszej planecie występuje wiele izotopów wodoru. Na przykład superciężki tryt wodoru można uzyskać z metalicznego litu w reaktorach jądrowych. A ciężki wodór - deuter jest częścią ciężkiej wody, którą można wydobyć ze zwykłej wody.
Ciężki wodór wyekstrahowany z dwóch szklanek zwykłej wody dostarczyłby w reaktorze termojądrowym tyle energii, ile obecnie dostarcza spalanie beczki benzyny premium.
Trudność polega na podgrzaniu<горючее>do temperatur, w których może zapalić się potężnym ogniem termojądrowym.
Problem ten został po raz pierwszy rozwiązany w bombie wodorowej. Izotopy wodoru zapalają się tam w wyniku eksplozji bomby atomowej, czemu towarzyszy podgrzanie substancji do kilkudziesięciu milionów stopni. W jednej wersji bomby wodorowej paliwem termojądrowym jest związek chemiczny ciężkiego wodoru z lekkim litem - deuterkiem lekkich l i t oraz i. Ten biały proszek, podobny do soli kuchennej,<воспламеняясь>z<спички>, czyli bomba atomowa, natychmiast eksploduje i wytwarza temperaturę setek milionów stopni.
Aby zapoczątkować pokojową reakcję termojądrową, trzeba przede wszystkim nauczyć się, jak bez pomocy bomby atomowej podgrzewać małe dawki wystarczająco gęstej plazmy izotopów wodoru do temperatur rzędu setek milionów stopni. Problem ten jest jednym z najtrudniejszych we współczesnej fizyce stosowanej. Naukowcy z całego świata pracują nad tym od wielu lat.
Powiedzieliśmy już, że to chaotyczny ruch cząstek powoduje ogrzewanie ciał, a średnia energia ich przypadkowego ruchu odpowiada temperaturze. Ogrzanie zimnego ciała oznacza wywołanie tego zaburzenia w jakikolwiek sposób.
Wyobraź sobie, że dwie grupy biegaczy szybko pędzą ku sobie. Więc zderzyli się, pomieszali, zaczął się tłum, zamieszanie. Wielki bałagan!
W przybliżeniu w ten sam sposób fizycy początkowo próbowali uzyskać wysoką temperaturę - popychając strumienie gazu pod wysokim ciśnieniem. Gaz podgrzano do 10 tysięcy stopni. Swego czasu był to rekord: temperatura jest wyższa niż na powierzchni Słońca.
Ale przy tej metodzie dalsze, raczej powolne, niewybuchowe ogrzewanie gazu jest niemożliwe, ponieważ zaburzenie termiczne natychmiast rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach, ogrzewając ściany komory eksperymentalnej i otoczenie. Powstałe ciepło szybko opuszcza układ i nie jest możliwe jego odizolowanie.
Jeśli strumienie gazu zostaną zastąpione przepływami plazmy, problem izolacji termicznej pozostaje bardzo trudny, ale jest też nadzieja na jego rozwiązanie.
To prawda, że ​​\u200b\u200bplazma nie może być chroniona przed utratą ciepła przez naczynia wykonane nawet z najbardziej ogniotrwałej substancji. W kontakcie z litymi ścianami gorąca plazma natychmiast się ochładza. Z drugiej strony można próbować utrzymać i podgrzać plazmę, tworząc jej akumulację w próżni, tak aby nie dotykała ścian komory, ale wisiała w pustce, nie dotykając niczego. Tutaj warto skorzystać z faktu, że cząstki plazmy nie są obojętne, jak atomy gazu, ale naładowane elektrycznie. Dlatego w ruchu podlegają działaniu sił magnetycznych. Powstaje problem: zorganizować pole magnetyczne o specjalnej konfiguracji, w której gorąca plazma wisiłaby jak w torbie z niewidzialnymi ścianami.
Najprostsza forma takiego pola elektrycznego powstaje automatycznie, gdy przez plazmę przechodzą silne impulsy prądu elektrycznego. W tym przypadku wokół włókna plazmowego indukowane są siły magnetyczne, które mają tendencję do ściskania włókna. Plazma oddziela się od ścianek rury wyładowczej, a temperatura wzrasta do 2 milionów stopni w pobliżu osi włókna w pośpiechu cząstek.
W naszym kraju takie eksperymenty przeprowadzono już w 1950 roku pod kierunkiem akademików JI. A. Artsimowicz i MA Leontowicz.
Innym kierunkiem eksperymentów jest użycie butelki magnetycznej, zaproponowane w 1952 roku przez radzieckiego fizyka G. I. Budkera, obecnie akademika. Butelka magnetyczna umieszczona jest w korktronie - cylindrycznej komorze próżniowej wyposażonej w zewnętrzne uzwojenie, które pogrubia się na końcach komory. Prąd przepływający przez uzwojenie wytwarza pole magnetyczne w komorze. Jego linie sił w części środkowej są równoległe do tworzących cylindra, a na końcach są ściśnięte i tworzą korki magnetyczne. Cząsteczki plazmy wstrzyknięte do magnetycznej butelki zawijają się wokół linii sił i odbijają się od korków. W rezultacie osocze pozostaje przez pewien czas w butelce. Jeśli energia cząstek plazmy wprowadzonych do butelki jest wystarczająco wysoka i jest ich wystarczająco dużo, wchodzą one w złożone oddziaływania siłowe, ich początkowo uporządkowany ruch ulega splątaniu, staje się nieuporządkowany - temperatura jąder wodoru wzrasta do kilkudziesięciu milionów stopni .
Dodatkowe ogrzewanie uzyskuje się za pomocą elektromagnetycznego<ударами>przez plazmę, kompresję pola magnetycznego itp. Teraz plazma ciężkich jąder wodoru jest podgrzewana do setek milionów stopni. To prawda, że ​​\u200b\u200bmożna to zrobić albo przez krótki czas, albo przy niskiej gęstości plazmy.
Aby wzbudzić samopodtrzymującą się reakcję, konieczne jest dalsze zwiększenie temperatury i gęstości plazmy. Jest to trudne do osiągnięcia. Jednak problem, jak są przekonani naukowcy, jest niezaprzeczalnie rozwiązywalny.

GB Anfiłow

Zamieszczanie zdjęć i cytowanie artykułów z naszej strony w innych zasobach jest dozwolone pod warunkiem podania linku do źródła i zdjęć.