Limitná teplota, pri ktorej sa objem ideálneho plynu stane nulovým, sa považuje za absolútnu nulovú teplotu. Objem reálnych plynov pri absolútnej nulovej teplote však nemôže zaniknúť. Má potom tento teplotný limit zmysel?

Limitná teplota, ktorej existencia vyplýva z Gay-Lussacovho zákona, má zmysel, keďže je prakticky možné vlastnosti reálneho plynu priblížiť k vlastnostiam ideálneho. Na to je potrebné odobrať čoraz redší plyn, takže jeho hustota má tendenciu k nule. Skutočne, s klesajúcou teplotou bude objem takéhoto plynu mať tendenciu k limitu, blízko nule.

Nájdite hodnotu absolútnej nuly na stupnici Celzia. Vyrovnanie objemu Vv vzorca (3.6.4) na nulu as prihliadnutím na to

Teplota je teda absolútna nula

* Presnejšia hodnota absolútnej nuly: -273,15 °C.

Toto je hraničná, najnižšia teplota v prírode, „najväčší alebo posledný stupeň chladu“, ktorého existenciu predpovedal Lomonosov.

Kelvinova stupnica

Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - vynikajúci anglický fyzik, jeden zo zakladateľov termodynamiky a molekulárno-kinetickej teórie plynov.

Kelvin zaviedol absolútnu teplotnú škálu a dal jednu z formulácií druhého termodynamického zákona v podobe nemožnosti úplnej premeny tepla na prácu. Veľkosť molekúl vypočítal na základe merania povrchovej energie kvapaliny. V súvislosti s položením transatlantického telegrafného kábla Kelvin vyvinul teóriu elektromagnetických kmitov a odvodil vzorec pre periódu voľných kmitov v obvode. Za vedecké zásluhy získal W. Thomson titul lorda Kelvina.

Anglický vedec W. Kelvin predstavil absolútnu teplotnú stupnicu. Nulová teplota na Kelvinovej stupnici zodpovedá absolútnej nule a jednotka teploty na tejto stupnici sa rovná stupňom Celzia, takže absolútna teplota T súvisí s teplotou na stupnici Celzia podľa vzorca

(3.7.6)

Obrázok 3.11 ukazuje absolútnu stupnicu a stupnicu Celzia na porovnanie.

Jednotka SI absolútnej teploty sa nazýva kelvin (skrátene K). Preto sa jeden stupeň Celzia rovná jednému stupňu Kelvina: 1 °C = 1 K.

Absolútna teplota, podľa definície daná vzorcom (3.7.6), je teda derivačná veličina v závislosti od Celziovej teploty a od experimentálne stanovenej hodnoty a. Má však zásadný význam.

Z hľadiska molekulárnej kinetickej teórie absolútna teplota súvisí s priemernou kinetickou energiou náhodného pohybu atómov alebo molekúl. O T = Približne K sa tepelný pohyb molekúl zastaví. Toto bude podrobnejšie popísané v kapitole 4.

Objem verzus absolútna teplota

Pomocou Kelvinovej stupnice možno Gay-Lussacov zákon (3.6.4) napísať v jednoduchšej forme. Pretože

(3.7.7)

Objem plynu danej hmotnosti pri konštantnom tlaku je priamo úmerný absolútnej teplote.

Z toho vyplýva, že pomer objemov plynu rovnakej hmotnosti v rôznych stavoch pri rovnakom tlaku sa rovná pomeru absolútnych teplôt:

(3.7.8)

Existuje minimálna možná teplota, pri ktorej objem (a tlak) ideálneho plynu zaniká. Toto je teplota absolútnej nuly:-273 °С. Je vhodné merať teplotu od absolútnej nuly. Takto sa zostavuje stupnica absolútnej teploty.

Absolútna nula (absolútna nula) - začiatok absolútnej teploty od 273,16 K pod trojným bodom vody (rovnovážny bod troch fáz - ľad, voda a vodná para); pri absolútnej nule sa pohyb molekúl zastaví a sú v stave "nulových" pohybov. Alebo: najnižšia teplota, pri ktorej látka neobsahuje žiadnu tepelnú energiu.

Absolútna nula Štartúdaj absolútnej teploty. Zodpovedá -273,16 ° C. V súčasnosti sa fyzikálnym laboratóriám podarilo získať teplotu presahujúcu absolútnu nulu len o niekoľko milióntin stupňa, no podľa zákonov termodynamiky je nemožné ju dosiahnuť. Pri absolútnej nule by bol systém v stave s najnižšou možnou energiou (v tomto stave by atómy a molekuly robili „nulové“ vibrácie) a mal by nulovú entropiu (nulovú porucha). Objem ideálneho plynu v bode absolútnej nuly sa musí rovnať nule a na určenie tohto bodu sa meria objem skutočného hélia pri konzistentné znižovanie teploty, kým sa neskvapalní pri nízkom tlaku (-268,9 °C) a extrapoluje sa na teplotu, pri ktorej by objem plynu klesol na nulu bez skvapalnenia. Absolútna teplota termodynamické Stupnica sa meria v kelvinoch a označuje sa symbolom K. Absolútna termodynamické stupnica a stupnica Celzia sú jednoducho voči sebe posunuté a súvisia vzťahom K = °C + 273,16 °.

Príbeh

Slovo „teplota“ vzniklo v čase, keď ľudia verili, že horúcejšie telá obsahujú väčšie množstvo špeciálnej látky – kalorickej, ako menej zahrievané. Preto bola teplota vnímaná ako sila zmesi telesných látok a kalórií. Z tohto dôvodu sa merné jednotky pre silu alkoholických nápojov a teplotu nazývajú rovnaké - stupne.

Z toho, že teplota je kinetická energia molekúl, je zrejmé, že najprirodzenejšie je ju merať v energetických jednotkách (t. j. v sústave SI v jouloch). Meranie teploty však začalo dávno pred vytvorením molekulárnej kinetickej teórie, takže praktické váhy merajú teplotu v konvenčných jednotkách – stupňoch.

Kelvinova stupnica

V termodynamike sa používa Kelvinova stupnica, v ktorej sa teplota meria od absolútnej nuly (stav zodpovedajúci minimálnej teoreticky možnej vnútornej energii telesa) a jeden kelvin sa rovná 1/273,16 vzdialenosti od absolútnej nuly po trojitý bod vody (stav, v ktorom sú páry ľad, voda a voda v rovnováhe. Boltzmannova konštanta sa používa na premenu kelvinov na energetické jednotky. Používajú sa aj odvodené jednotky: kilokelvin, megakelvin, milikelvin atď.

Celzia

V každodennom živote sa používa stupnica Celzia, v ktorej sa bod tuhnutia vody berie ako 0 a bod varu vody pri atmosférickom tlaku sa berie ako 100 °. Keďže body tuhnutia a varu vody nie sú dobre definované, stupnica Celzia je v súčasnosti definovaná pomocou stupnice Kelvin: stupne Celzia sa rovnajú Kelvinom, za absolútnu nulu sa považuje -273,15 °C. Celziova stupnica je prakticky veľmi pohodlná, keďže voda je na našej planéte veľmi bežná a náš život je na nej založený. Nula Celzia je pre meteorológiu špeciálny bod, keďže zamrznutie atmosférickej vody všetko výrazne mení.

Fahrenheita

V Anglicku a najmä v USA sa používa stupnica Fahrenheit. Táto stupnica je delená 100 stupňami od teploty najchladnejšej zimy v meste, kde Fahrenheit žil, až po teplotu ľudského tela. Nula stupňov Celzia je 32 stupňov Fahrenheita a stupeň Fahrenheita je 5/9 stupňov Celzia.

Súčasná definícia stupnice Fahrenheit je nasledovná: je to teplotná stupnica, ktorej 1 stupeň (1 °F) sa rovná 1/180 rozdielu medzi bodom varu vody a topením ľadu pri atmosférickom tlaku, a bod topenia ľadu je +32 °F. Teplota na Fahrenheitovej stupnici súvisí s teplotou na Celziovej stupnici (t ° C) pomerom t ° C = 5/9 (t ° F - 32), 1 ° F = 5/9 ° C. Navrhol G. Fahrenheit v roku 1724.

Reaumurova stupnica

Navrhol ho v roku 1730 R. A. Reaumur, ktorý opísal liehový teplomer, ktorý vynašiel.

Jednotka - stupeň Réaumur (°R), 1°R sa rovná 1/80 teplotného intervalu medzi referenčnými bodmi - teplota topiaceho sa ľadu (0°R) a vriacej vody (80°R)

1 °R = 1,25 °C.

V súčasnosti sa stupnica prestala používať, najdlhšie sa zachovala vo Francúzsku, v domovine autora.

Porovnanie teplotných stupníc

Normálna teplota ľudského tela je 36,6 °C ±0,7 °C alebo 98,2 °F ±1,3 °F. Bežne udávaná hodnota 98,6 °F je presným prepočtom Fahrenheita nemeckej hodnoty z 19. storočia 37 °C. Keďže táto hodnota podľa moderných koncepcií nespadá do rozsahu normálnej teploty, môžeme povedať, že obsahuje nadmernú (nesprávnu) presnosť. Niektoré hodnoty v tejto tabuľke boli zaokrúhlené.

Porovnanie stupnice Fahrenheita a Celzia

(oF- stupnica Fahrenheita, oC- stupnica Celzia)

Na prevod stupňov Celzia na kelviny použite vzorec T=t+TO kde T je teplota v kelvinoch, t je teplota v stupňoch Celzia, T 0 =273,15 kelvinov. Stupeň Celzia sa veľkosťou rovná kelvinu.

Každé fyzické telo, vrátane všetkých objektov vo vesmíre, má minimálny teplotný index alebo jeho limit. Pre referenčný bod akejkoľvek teplotnej stupnice je zvykom uvažovať s hodnotou teplôt absolútnej nuly. Ale to je len teoreticky. Chaotický pohyb atómov a molekúl, ktoré v tomto čase vydávajú svoju energiu, sa v praxi zatiaľ nepodarilo zastaviť.

To je hlavný dôvod, prečo nemožno dosiahnuť teploty absolútnej nuly. O dôsledkoch tohto procesu sa stále vedú spory. Z hľadiska termodynamiky je táto hranica nedosiahnuteľná, pretože tepelný pohyb atómov a molekúl sa úplne zastaví a vytvorí sa kryštálová mriežka.

Predstavitelia kvantovej fyziky zabezpečujú prítomnosť minimálnych oscilácií nulového bodu pri teplotách absolútnej nuly.

Aká je hodnota absolútnej nulovej teploty a prečo ju nemožno dosiahnuť

Na Generálnej konferencii pre váhy a miery bol po prvýkrát stanovený referenčný alebo referenčný bod pre meracie prístroje, ktoré určujú teplotné ukazovatele.

V súčasnosti je v medzinárodnom systéme jednotiek referenčným bodom pre stupnicu Celzia 0 ° C pri mrazení a 100 ° C počas procesu varu, hodnota absolútnej nulovej teploty sa rovná −273,15 ° C.

Použitím hodnôt teploty v Kelvinovej stupnici podľa rovnakého medzinárodného systému jednotiek bude vriaca voda pri referenčnej hodnote 99,975 ° C, absolútna nula sa rovná 0. Fahrenheit na stupnici zodpovedá -459,67 stupňom.

Ale ak sa tieto údaje získajú, prečo potom nie je možné v praxi dosiahnuť absolútne nulové teploty. Pre porovnanie si môžeme vziať každému známu rýchlosť svetla, ktorá sa rovná konštantnej fyzikálnej hodnote 1 079 252 848,8 km/h.

Túto hodnotu však nie je možné v praxi dosiahnuť. Závisí jednak od vlnovej dĺžky prenosu, jednak od podmienok a jednak od potrebnej absorpcie veľkého množstva energie časticami. Na získanie hodnoty teplôt absolútnej nuly je potrebná veľká návratnosť energie a absencia jej zdrojov, aby sa zabránilo jej vstupu do atómov a molekúl.

Ale ani v podmienkach úplného vákua vedci nezískali rýchlosť svetla ani absolútne nulové teploty.

Prečo je možné dosiahnuť približné nulové teploty, ale nie absolútne

Čo sa stane, keď sa veda dokáže priblížiť k dosiahnutiu extrémne nízkej teploty absolútnej nuly, zostáva zatiaľ len v teórii termodynamiky a kvantovej fyziky. Čo je dôvodom, prečo nie je možné v praxi dosiahnuť absolútne nulové teploty.

Všetky známe pokusy o ochladenie látky na najnižšiu medznú hranicu z dôvodu maximálnej straty energie viedli k tomu, že aj hodnota tepelnej kapacity látky dosiahla minimálnu hodnotu. Molekuly jednoducho neboli schopné dať zvyšok energie. V dôsledku toho sa proces chladenia zastavil pred dosiahnutím absolútnej nuly.

Pri štúdiu správania kovov v podmienkach blízkych hodnote absolútnej nuly vedci zistili, že maximálny pokles teploty by mal vyvolať stratu odolnosti.

Ale zastavenie pohybu atómov a molekúl viedlo len k vytvoreniu kryštálovej mriežky, cez ktorú prechádzajúce elektróny odovzdávali časť svojej energie nehybným atómom. Opäť sa nepodarilo dosiahnuť absolútnu nulu.

V roku 2003 k absolútnej nule chýbala len pol miliardtina 1°C. Výskumníci z NASA použili na uskutočnenie experimentov molekulu Na, ktorá bola vždy v magnetickom poli a vydávala svoju energiu.

Najbližší bol úspech vedcov z Yale University, ktorí v roku 2014 dosiahli ukazovateľ 0,0025 Kelvina. Výsledná zlúčenina monofluorid strontnatý (SrF) existoval iba 2,5 sekundy. A nakoniec sa to aj tak rozpadlo na atómy.

Kde sa podľa vás nachádza najchladnejšie miesto v našom vesmíre? Dnes je to Zem. Napríklad povrchová teplota Mesiaca je -227 stupňov Celzia a teplota vákua, ktoré nás obklopuje, je 265 stupňov pod nulou. V laboratóriu na Zemi však človek môže dosiahnuť teploty oveľa nižšie, aby mohol študovať vlastnosti materiálov pri ultranízkych teplotách. Materiály, jednotlivé atómy a dokonca aj svetlo vystavené extrémnemu ochladzovaniu začínajú vykazovať nezvyčajné vlastnosti.

Prvý experiment tohto druhu uskutočnili na začiatku 20. storočia fyzici, ktorí skúmali elektrické vlastnosti ortuti pri ultranízkych teplotách. Pri -262 stupňoch Celzia začína ortuť vykazovať vlastnosti supravodivosti, čím sa odpor voči elektrickému prúdu znižuje takmer na nulu. Ďalšie experimenty odhalili aj ďalšie zaujímavé vlastnosti chladených materiálov, vrátane supratekutosti, ktorá sa prejavuje „únikom“ hmoty cez pevné priečky a mimo uzavretých nádob.

Veda určila najnižšiu dosiahnuteľnú teplotu – mínus 273,15 stupňov Celzia, no prakticky je takáto teplota nedosiahnuteľná. V praxi je teplota približným meradlom energie obsiahnutej v objekte, takže absolútna nula znamená, že teleso nič nevyžaruje a z tohto objektu nemožno extrahovať žiadnu energiu. No napriek tomu sa vedci snažia čo najviac priblížiť absolútnej nulovej teplote, aktuálny rekord bol stanovený v roku 2003 v laboratóriu Massachusetts Institute of Technology. K absolútnej nule chýbalo vedcom iba 810 miliardtín stupňa. Ochladili oblak sodíkových atómov držaných na mieste silným magnetickým poľom.

Zdalo by sa - aký je aplikovaný význam takýchto experimentov? Ukazuje sa, že výskumníkov zaujíma taký koncept ako Bose-Einsteinov kondenzát, čo je špeciálny stav hmoty - nie plyn, pevná látka alebo kvapalina, ale jednoducho oblak atómov s rovnakým kvantovým stavom. Túto formu hmoty predpovedali Einstein a indický fyzik Satyendra Bose v roku 1925 a získali ju až o 70 rokov neskôr. Jedným z vedcov, ktorí dosiahli tento stav hmoty, je Wolfgang Ketterle, ktorý za svoj objav dostal Nobelovu cenu za fyziku.

Jednou z pozoruhodných vlastností Bose-Einsteinovho kondenzátu (BEC) je schopnosť kontrolovať pohyb svetelných lúčov. Vo vákuu sa svetlo pohybuje rýchlosťou 300 000 km za sekundu, čo je najrýchlejšia dosiahnuteľná rýchlosť vo vesmíre. Ale svetlo sa môže šíriť pomalšie, ak sa nešíri vo vákuu, ale v hmote. Pomocou BEC je možné pohyb svetla spomaliť na nízke rýchlosti, ba dokonca ho aj zastaviť. Vplyvom teploty a hustoty kondenzátu sa vyžarovanie svetla spomaľuje a môže byť „zachytené“ a premenené priamo na elektrický prúd. Tento prúd môže byť prenesený do iného BEC oblaku a premenený späť na svetelné žiarenie. Táto funkcia je veľmi žiadaná pre telekomunikácie a výpočtovú techniku. Tu trochu nerozumiem - koniec koncov, UŽ existujú zariadenia, ktoré premieňajú svetelné vlny na elektrinu a naopak ... Zdá sa, že použitie BEC umožňuje túto konverziu vykonávať rýchlejšie a presnejšie.

Jedným z dôvodov, prečo vedci tak veľmi túžia po absolútnej nule, je snaha pochopiť, čo sa deje a stalo s naším vesmírom, aké termodynamické zákony v ňom fungujú. Vedci zároveň chápu, že vyťaženie všetkej energie do poslednej z atómu je prakticky nedosiahnuteľné.

Keď meteorologická správa predpovedá teploty okolo nuly, nemali by ste ísť na klzisko: ľad sa roztopí. Teplota topenia ľadu sa berie ako nula stupňov Celzia - najbežnejšia teplotná stupnica.
Dobre poznáme negatívne stupne Celziovej stupnice – stupne<ниже нуля>, stupne chladu. Najnižšia teplota na Zemi bola zaznamenaná v Antarktíde: -88,3°C. Mimo Zeme sú možné ešte nižšie teploty: na povrchu Mesiaca môže o lunárnej polnoci dosiahnuť -160 °C.
Ale nikde nemôžu byť svojvoľne nízke teploty. Extrémne nízka teplota - absolútna nula - na stupnici Celzia zodpovedá - 273,16 °.
Absolútna teplotná stupnica, Kelvinova stupnica, pochádza z absolútnej nuly. Ľad sa topí pri 273,16° Kelvina a voda vrie pri 373,16° K. Stupeň K sa teda rovná stupňu C. Ale na Kelvinovej stupnici sú všetky teploty kladné.
Prečo je 0°K hranicou chladu?
Teplo je chaotický pohyb atómov a molekúl hmoty. Pri ochladzovaní látky sa jej odoberá tepelná energia a v tomto prípade sa náhodný pohyb častíc oslabuje. V závere pri silnom chladení, tepelnom<пляска>častice sa takmer úplne zastaví. Atómy a molekuly by úplne zamrzli pri teplote, ktorá sa považuje za absolútnu nulu. Podľa princípov kvantovej mechaniky by sa pri absolútnej nule zastavil práve tepelný pohyb častíc, ale samotné častice by nezamrzli, keďže nemôžu byť úplne v pokoji. Pri absolútnej nule si teda častice stále musia zachovať určitý druh pohybu, ktorý sa nazýva nula.

Ochladiť látku na teplotu pod absolútnu nulu je však nápad rovnako nezmyselný ako povedzme zámer<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Navyše aj dosiahnutie presnej absolútnej nuly je takmer nemožné. Môžete sa k nemu len priblížiť. Pretože absolútne všetku jej tepelnú energiu nemožno z látky žiadnymi prostriedkami odobrať. Časť tepelnej energie zostáva pri najhlbšom ochladení.
Ako dosahujú ultranízke teploty?
Zmrazenie látky je náročnejšie ako jej zahriatie. Vidno to aspoň z porovnania dizajnu sporáka a chladničky.
Vo väčšine domácich a priemyselných chladničiek sa teplo odvádza v dôsledku vyparovania špeciálnej kvapaliny - freónu, ktorá cirkuluje cez kovové rúrky. Tajomstvo spočíva v tom, že freón môže zostať v kvapalnom stave iba pri dostatočne nízkej teplote. V chladiacej komore sa vplyvom tepla komory zahrieva a vrie, pričom sa mení na paru. Para je však stlačená kompresorom, skvapalnená a vstupuje do výparníka, čím sa vyrovnáva strata odparujúceho sa freónu. Energia sa využíva na chod kompresora.
V hlbokochladiacich zariadeniach je nosičom chladu superstudená kvapalina – tekuté hélium. Bezfarebný, ľahký (8-krát ľahší ako voda), vrie pri atmosférickom tlaku pri 4,2 °K a vo vákuu pri 0,7 °K. Ešte nižšiu teplotu dáva svetelný izotop hélia: 0,3°K.
Je dosť ťažké zariadiť stálu héliovú chladničku. Výskum sa vykonáva jednoducho v kúpeľoch s tekutým héliom. A na skvapalnenie tohto plynu fyzici používajú rôzne techniky. Napríklad predchladené a stlačené hélium sa expanduje jeho uvoľnením cez tenký otvor do vákuovej komory. Zároveň sa teplota stále znižuje a časť plynu sa mení na kvapalinu. Je efektívnejšie nielen expandovať ochladený plyn, ale aj prinútiť ho pracovať - ​​pohybovať piestom.
Vzniknuté tekuté hélium sa skladuje v špeciálnych termoskách – Dewarových nádobách. Náklady na túto najchladnejšiu kvapalinu (jedinú, ktorá nezamrzne pri absolútnej nule) sú dosť vysoké. Napriek tomu sa tekuté hélium v ​​súčasnosti používa stále viac a viac, a to nielen vo vede, ale aj v rôznych technických zariadeniach.
Najnižšie teploty boli dosiahnuté iným spôsobom. Ukazuje sa, že molekuly niektorých solí, napríklad kamenca draselného a chrómu, sa môžu otáčať pozdĺž magnetických siločiar. Táto soľ sa predbežne ochladí tekutým héliom na 1°K a umiestni sa do silného magnetického poľa. V tomto prípade sa molekuly otáčajú pozdĺž siločiar a uvoľnené teplo je odoberané kvapalným héliom. Potom sa magnetické pole prudko odstráni, molekuly sa opäť otočia rôznymi smermi a vyčerpajú sa

táto práca vedie k ďalšiemu ochladzovaniu soli. Získala sa tak teplota 0,001° K. Podobným spôsobom v princípe s použitím iných látok možno získať ešte nižšiu teplotu.
Najnižšia doteraz získaná teplota na Zemi je 0,00001°K.

Supratekutosť

Látka zmrazená na ultranízke teploty v tekutom héliovom kúpeli sa výrazne mení. Guma sa stáva krehkou, olovo sa stáva tvrdým ako oceľ a pružným, mnohé zliatiny zvyšujú pevnosť.

Samotné tekuté hélium sa správa zvláštnym spôsobom. Pri teplotách pod 2,2 °K získava pre bežné kvapaliny nevídanú vlastnosť - supratekutosť: časť úplne stráca viskozitu a preteká bez akéhokoľvek trenia najužšími štrbinami.
Tento jav, ktorý objavil v roku 1937 sovietsky fyzik akademik P. JI. Kapitsa, potom vysvetlil akademik JI. D. Landau.
Ukazuje sa, že pri ultranízkych teplotách začínajú citeľne ovplyvňovať kvantové zákony správania hmoty. Ako jeden z týchto zákonov vyžaduje, energia sa môže prenášať z tela do tela iba v celkom určitých množstvách - kvantách. V tekutom héliu je tak málo tepelných kvánt, že ich nie je dosť pre všetky atómy. Časť kvapaliny, zbavená tepelných kvánt, zostáva na absolútnej nulovej teplote, jej atómy sa vôbec nezúčastňujú náhodného tepelného pohybu a nijako neinteragujú so stenami nádoby. Táto časť (nazývaná hélium-H) má supratekutosť. S klesajúcou teplotou je hélium-II stále viac a viac a pri absolútnej nule by sa všetko hélium zmenilo na hélium-H.
Supratekutosť je teraz veľmi podrobne študovaná a dokonca našla užitočné praktické uplatnenie: s jej pomocou je možné oddeliť izotopy hélia.

Supravodivosť

V blízkosti absolútnej nuly dochádza k mimoriadne kurióznym zmenám elektrických vlastností určitých materiálov.
V roku 1911 holandský fyzik Kamerling-Onnes urobil neočakávaný objav: ukázalo sa, že pri teplote 4,12 ° K elektrický odpor úplne zmizne v ortuti. Ortuť sa stáva supravodičom. Elektrický prúd indukovaný v supravodivom prstenci sa nerozpadá a môže prúdiť takmer navždy.
Nad takýmto prstencom sa bude supravodivá guľa vznášať vo vzduchu a nespadne ako z rozprávky.<гроб Магомета>, pretože jeho ťažkosť je kompenzovaná magnetickým odpudzovaním medzi prstencom a guľôčkou. Netlmený prúd v prstenci totiž vytvorí magnetické pole a to zas vyvolá v loptičke elektrický prúd a spolu s ním aj opačne smerované magnetické pole.
Okrem ortuti majú cín, olovo, zinok a hliník supravodivosť blízku absolútnej nule. Táto vlastnosť bola zistená v 23 prvkoch a viac ako stovke rôznych zliatin a iných chemických zlúčenín.
Teploty, pri ktorých sa objavuje supravodivosť (kritické teploty), sú v pomerne širokom rozsahu, od 0,35 °K (hafnium) do 18 °K (zliatina nióbu a cínu).
Fenomén supravodivosti, ako aj supravodivosti
plynulosť, podrobne študovaná. Zisťujú sa závislosti kritických teplôt od vnútornej štruktúry materiálov a vonkajšieho magnetického poľa. Bola vyvinutá hlboká teória supravodivosti (významný príspevok priniesol sovietsky vedec akademik N. N. Bogolyubov).
Podstata tohto paradoxného javu je opäť čisto kvantová. Pri ultranízkych teplotách vstupujú elektróny

supravodič tvorí systém párovo spojených častíc, ktoré nedokážu dodať energiu kryštálovej mriežke, míňať kvantá energie na jej ohrev. Dvojice elektrónov sa pohybujú podobne<танцуя>, medzi<прутьями решетки>- ióny a obísť ich bez kolízií a prenosu energie.
V technike sa čoraz viac využíva supravodivosť.
Do praxe sa dostávajú napríklad supravodivé solenoidy – supravodivé cievky ponorené do tekutého hélia. Raz indukovaný prúd a následne aj magnetické pole v nich môže byť uložený na ľubovoľne dlhý čas. Môže dosiahnuť gigantickú hodnotu – vyše 100 000 orerstedov. V budúcnosti sa nepochybne objavia výkonné priemyselné supravodivé zariadenia - elektromotory, elektromagnety atď.
V rádioelektronike začínajú hrať významnú úlohu ultracitlivé zosilňovače a generátory elektromagnetických vĺn, ktoré fungujú obzvlášť dobre v kúpeľoch s tekutým héliom - tam sa vnútorné<шумы>zariadení. V elektronickej výpočtovej technike sa sľubuje svetlá budúcnosť pre supravodivé spínače s nízkym výkonom - kryotróny (pozri čl.<Пути электроники>).
Nie je ťažké si predstaviť, aké lákavé by bolo posunúť prevádzku takýchto zariadení na vyššie, dostupnejšie teploty. Nedávno sa otvorila nádej na vytvorenie polymérových filmových supravodičov. Zvláštna povaha elektrickej vodivosti v takýchto materiáloch sľubuje skvelú príležitosť na udržanie supravodivosti aj pri izbových teplotách. Vedci vytrvalo hľadajú spôsoby, ako túto nádej zrealizovať.

V hlbinách hviezd

A teraz sa pozrime do ríše toho najhorúcejšieho na svete – do útrob hviezd. Kde teploty dosahujú milióny stupňov.
Chaotický tepelný pohyb hviezd je taký intenzívny, že tam nemôžu existovať celé atómy: ničia sa pri nespočetných kolíziách.
Preto látka tak silne zahriata nemôže byť ani pevná, ani kvapalná, ani plynná. Je v stave plazmy, t.j. je zmesou elektricky nabitých látok<осколков>atómy – atómové jadrá a elektróny.
Plazma je druh stavu hmoty. Keďže jeho častice sú elektricky nabité, citlivo poslúchajú elektrické a magnetické sily. Preto je tesná blízkosť dvoch atómových jadier (nesú kladný náboj) zriedkavým javom. Iba pri vysokých hustotách a obrovských teplotách sa atómové jadrá môžu navzájom zraziť. Vtedy prebiehajú termonukleárne reakcie – zdroj energie pre hviezdy.
Nám najbližšia hviezda – Slnko pozostáva najmä z vodíkovej plazmy, ktorá sa v útrobách hviezdy zahrieva až na 10 miliónov stupňov. Za takýchto podmienok dochádza k blízkym stretnutiam rýchlych vodíkových jadier - protónov, hoci je to zriedkavé. Niekedy prichádzajúce protóny interagujú: po prekonaní elektrického odpudzovania sa rýchlo dostanú do sily obrovských jadrových síl príťažlivosti.<падают>navzájom a zlúčiť sa. Tu dochádza k okamžitému preskupeniu: namiesto dvoch protónov sa objaví deuterón (jadro ťažkého izotopu vodíka), pozitrón a neutríno. Uvoľnená energia je 0,46 milióna elektrónvoltov (Mev).
Každý jednotlivý slnečný protón môže vstúpiť do takejto reakcie v priemere raz za 14 miliárd rokov. Ale v útrobách svietidla je toľko protónov, že tu a tam dôjde k tejto nepravdepodobnej udalosti - a naša hviezda horí svojim rovnomerným, oslnivým plameňom.
Syntéza deuterónov je len prvým krokom k solárnym termonukleárnym transformáciám. Novonarodený deuterón sa veľmi skoro (v priemere po 5,7 sekundách) spojí s ďalším protónom. Je tu jadro z ľahkého hélia a gama kvantum elektromagnetického žiarenia. Uvoľní sa 5,48 MeV energie.
Napokon, v priemere raz za milión rokov sa dve jadrá ľahkého hélia môžu zblížiť a splynúť. Potom sa vytvorí obyčajné jadro hélia (častica alfa) a odštiepia sa dva protóny. Uvoľní sa 12,85 MeV energie.
Tento trojstupňový<конвейер>termonukleárne reakcie nie sú jediné. Existuje ďalší reťazec jadrových transformácií, rýchlejších. Zúčastňujú sa na ňom (bez toho, aby sa spotrebovali) atómové jadrá uhlíka a dusíka. Ale v oboch prípadoch sú častice alfa syntetizované z jadier vodíka. Obrazne povedané, slnečná vodíková plazma<сгорает>, mení sa na<золу>- héliová plazma. A v procese syntézy každého gramu héliovej plazmy sa uvoľní 175 tisíc kWh energie. Veľké množstvo!
Každú sekundu Slnko vyžiari 4 1033 ergov energie, pričom stratí 4 1012 g (4 milióny ton) hmoty. Celková hmotnosť Slnka je však 2 1027 ton. To znamená, že za milión rokov v dôsledku emisie žiarenia Slnko<худеет>iba jednu desaťmilióntinu svojej hmotnosti. Tieto čísla výrečne ilustrujú účinnosť termonukleárnych reakcií a gigantickú výhrevnosť slnečnej energie.<горючего>- vodík.
Termonukleárna fúzia sa zdá byť hlavným zdrojom energie pre všetky hviezdy. Pri rôznych teplotách a hustotách vnútorných hviezd prebiehajú rôzne typy reakcií. Najmä solárne<зола>- jadrá hélia - pri 100 miliónoch stupňov sa sám stáva termonukleárnym<горючим>. Potom sa z alfa častíc dajú syntetizovať ešte ťažšie atómové jadrá – uhlík a dokonca aj kyslík.
Podľa mnohých vedcov je celá naša Metagalaxia ako celok tiež ovocím termonukleárnej fúzie, ktorá prebiehala pri teplote miliardy stupňov (pozri čl.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Na umelé slnko

Výnimočný obsah kalórií termonukleárnych<горючего>prinútil vedcov, aby hľadali umelú implementáciu reakcií jadrovej fúzie.
<Горючего>Na našej planéte je veľa izotopov vodíka. Napríklad superťažký vodík trícium možno získať z kovového lítia v jadrových reaktoroch. A ťažký vodík – deutérium je súčasťou ťažkej vody, ktorú možno extrahovať z obyčajnej vody.
Ťažký vodík extrahovaný z dvoch pohárov obyčajnej vody by vo fúznom reaktore poskytol toľko energie, koľko teraz poskytuje spaľovanie suda prémiového benzínu.
Obtiažnosť spočíva v predhrievaní<горючее>na teploty, pri ktorých sa môže vznietiť mohutným termonukleárnym požiarom.
Tento problém bol prvýkrát vyriešený vo vodíkovej bombe. Izotopy vodíka sa tam zapália výbuchom atómovej bomby, ktorý je sprevádzaný zahriatím látky na mnoho desiatok miliónov stupňov. V jednej verzii vodíkovej bomby je termonukleárne palivo chemická zlúčenina ťažkého vodíka s ľahkým lítiom - deuterid ľahkého la t a i. Tento biely prášok, podobný kuchynskej soli,<воспламеняясь>od<спички>, čo je atómová bomba, okamžite vybuchne a vytvorí teplotu stoviek miliónov stupňov.
Na spustenie pokojnej termonukleárnej reakcie sa treba v prvom rade naučiť, ako bez služieb atómovej bomby zohriať malé dávky dostatočne hustej plazmy izotopov vodíka na teploty stoviek miliónov stupňov. Tento problém je jedným z najťažších v modernej aplikovanej fyzike. Vedci z celého sveta na ňom pracujú už dlhé roky.
Už sme si povedali, že práve chaotický pohyb častíc vytvára zahrievanie telies a priemerná energia ich náhodného pohybu zodpovedá teplote. Zahriať studené telo znamená vytvoriť túto poruchu akýmkoľvek spôsobom.
Predstavte si, že dve skupiny bežcov sa rýchlo rútia k sebe. Tak sa zrazili, pomiešali, začal sa dav, zmätok. Veľký neporiadok!
Približne rovnakým spôsobom sa fyzici najskôr pokúšali získať vysokú teplotu - tlačením vysokotlakových prúdov plynu. Plyn sa zahrial až na 10 tisíc stupňov. Svojho času to bol rekord: teplota je vyššia ako na povrchu Slnka.
Ale pri tejto metóde nie je možné ďalšie, dosť pomalé, nevýbušné zahrievanie plynu, pretože tepelná porucha sa okamžite šíri všetkými smermi a ohrieva steny experimentálnej komory a prostredie. Výsledné teplo rýchlo opúšťa systém a nie je možné ho izolovať.
Ak sú prúdy plynu nahradené prúdmi plazmy, problém tepelnej izolácie zostáva veľmi ťažký, ale existuje aj nádej na jeho riešenie.
Pravda, plazma nemôže byť chránená pred tepelnými stratami nádobami vyrobenými ani z tej najžiaruvzdornejšej látky. Pri kontakte s pevnými stenami sa horúca plazma okamžite ochladí. Na druhej strane sa možno pokúsiť zadržať a zohriať plazmu vytvorením jej akumulácie vo vákuu tak, aby sa nedotýkala stien komory, ale visela v prázdnote bez toho, aby sa čohokoľvek dotkla. Tu je potrebné využiť skutočnosť, že častice plazmy nie sú neutrálne ako atómy plynu, ale sú elektricky nabité. Preto v pohybe podliehajú pôsobeniu magnetických síl. Nastáva problém: usporiadať magnetické pole špeciálnej konfigurácie, v ktorej by horúca plazma visela ako vo vrecku s neviditeľnými stenami.
Najjednoduchšia forma takéhoto elektrického poľa sa vytvára automaticky, keď plazmou prechádzajú silné impulzy elektrického prúdu. V tomto prípade sa okolo plazmového vlákna indukujú magnetické sily, ktoré majú tendenciu stláčať vlákno. Plazma sa oddeľuje od stien výbojky a teplota v blízkosti osi vlákna stúpne na 2 milióny stupňov v návale častíc.
U nás sa takéto pokusy robili už v roku 1950 pod vedením akademikov JI. A. Artsimovich a M.A. Leontovič.
Ďalším smerom experimentov je použitie magnetickej fľaše, ktorú v roku 1952 navrhol sovietsky fyzik G. I. Budker, dnes akademik. Magnetická fľaša je umiestnená v corktron - valcovej vákuovej komore vybavenej vonkajším vinutím, ktoré sa na koncoch komory zahusťuje. Prúd pretekajúci vinutím vytvára v komore magnetické pole. Jeho siločiary v strednej časti sú rovnobežné s tvoriacimi priamkami valca a na koncoch sú stlačené a tvoria magnetické zátky. Častice plazmy vstreknuté do magnetickej fľaše sa krútia okolo siločiar a odrážajú sa od zátok. Výsledkom je, že plazma sa nejaký čas udrží vo fľaši. Ak je energia častíc plazmy zavedená do fľaše dostatočne vysoká a je ich dostatok, vstupujú do zložitých silových interakcií, ich pôvodne usporiadaný pohyb sa zamotáva, je neusporiadaný - teplota jadier vodíka stúpa na desiatky miliónov stupňov .
Dodatočný ohrev je dosiahnutý elektromagnetickým<ударами>plazmou, kompresiou magnetického poľa atď. Teraz sa plazma jadier ťažkého vodíka zahrieva na stovky miliónov stupňov. Je pravda, že sa to dá urobiť buď krátkodobo, alebo pri nízkej hustote plazmy.
Na vybudenie samoudržiavacej reakcie je potrebné ďalej zvyšovať teplotu a hustotu plazmy. To je ťažké dosiahnuť. Problém je však, ako sú vedci presvedčení, nepopierateľne riešiteľný.

G.B. Anfilov

Uverejňovanie fotografií a citovanie článkov z našej stránky v iných zdrojoch je povolené za predpokladu, že je uvedený odkaz na zdroj a fotografie.