Nhiệt độ giới hạn mà tại đó thể tích của một lượng khí lý tưởng bằng không được coi là nhiệt độ không tuyệt đối. Tuy nhiên, thể tích của khí thực ở nhiệt độ không tuyệt đối không thể biến mất. Sau đó giới hạn nhiệt độ này có ý nghĩa không?

Nhiệt độ giới hạn, sự tồn tại của nó tuân theo định luật Gay-Lussac, có ý nghĩa, vì trên thực tế có thể xác định gần đúng các tính chất của khí thực với các đặc tính của khí lý tưởng. Để làm được điều này, cần phải lấy một loại khí ngày càng hiếm, sao cho tỷ trọng của nó có xu hướng bằng không. Đối với một chất khí như vậy, thể tích sẽ thực sự có xu hướng giới hạn gần bằng 0 khi nhiệt độ giảm.

Hãy tìm giá trị của độ không tuyệt đối trên thang độ C. Cân bằng âm lượng VTrong công thức (3.6.4) thành 0 và tính đến điều đó

Do đó nhiệt độ không tuyệt đối là

* Giá trị chính xác hơn cho độ không tuyệt đối: -273,15 ° C.

Đây là nhiệt độ giới hạn, thấp nhất trong tự nhiên, "mức độ lạnh lớn nhất hoặc cuối cùng", sự tồn tại mà Lomonosov đã dự đoán.

Thang đo Kelvin

Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - nhà vật lý kiệt xuất người Anh, một trong những người sáng lập ra nhiệt động lực học và thuyết động học phân tử của chất khí.

Kelvin đưa ra thang đo nhiệt độ tuyệt đối và đưa ra một trong những công thức của định luật thứ hai của nhiệt động lực học dưới dạng không thể biến đổi hoàn toàn nhiệt năng thành công. Ông đã tính toán kích thước của các phân tử dựa trên phép đo năng lượng bề mặt của chất lỏng. Liên quan đến việc đặt cáp điện báo xuyên Đại Tây Dương, Kelvin đã phát triển lý thuyết về dao động điện từ và đưa ra công thức cho chu kỳ dao động tự do trong mạch. Vì những công lao khoa học, W. Thomson đã nhận được tước hiệu của Lord Kelvin.

Nhà khoa học người Anh W. Kelvin đã đưa ra thang đo nhiệt độ tuyệt đối. Nhiệt độ không trên thang Kelvin tương ứng với không tuyệt đối, và đơn vị nhiệt độ trên thang này bằng độ C, vì vậy nhiệt độ tuyệt đối T có liên quan đến nhiệt độ trên thang độ C theo công thức

(3.7.6)

Hình 3.11 cho thấy thang đo tuyệt đối và thang độ C để so sánh.

Đơn vị SI của nhiệt độ tuyệt đối được gọi là kelvin (viết tắt là K). Do đó, một độ C bằng một độ Kelvin: 1 ° C = 1 K.

Do đó, nhiệt độ tuyệt đối, theo định nghĩa được đưa ra bởi công thức (3.7.6), là một đại lượng đạo hàm phụ thuộc vào nhiệt độ độ C và giá trị xác định bằng thực nghiệm của a. Tuy nhiên, nó có tầm quan trọng cơ bản.

Theo quan điểm của thuyết động học phân tử, nhiệt độ tuyệt đối liên quan đến động năng trung bình của chuyển động ngẫu nhiên của nguyên tử hoặc phân tử. Tại T = Khoảng Để chuyển động nhiệt của các phân tử dừng lại. Điều này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong Chương 4.

Thể tích so với nhiệt độ tuyệt đối

Sử dụng thang đo Kelvin, định luật Gay-Lussac (3.6.4) có thể được viết ở dạng đơn giản hơn. Tại vì

(3.7.7)

Thể tích của một chất khí có khối lượng xác định ở áp suất không đổi tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.

Tỉ số của các thể tích khí có cùng khối lượng ở các trạng thái khác nhau ở cùng áp suất bằng tỉ số của nhiệt độ tuyệt đối:

(3.7.8)

Nhiệt độ tối thiểu có thể có tại đó thể tích (và áp suất) của khí lý tưởng biến mất. Đây là nhiệt độ không tuyệt đối:-273 ° С. Nó là thuận tiện để đo nhiệt độ từ độ không tuyệt đối. Đây là cách thang nhiệt độ tuyệt đối được xây dựng.

Độ không tuyệt đối (độ không tuyệt đối) - điểm bắt đầu của nhiệt độ tuyệt đối, bắt đầu từ 273,16 K dưới điểm ba của nước (điểm cân bằng của ba pha - nước đá, nước và hơi nước); ở độ không tuyệt đối, chuyển động của các phân tử dừng lại, và chúng ở trạng thái chuyển động "không". Hoặc: nhiệt độ thấp nhất mà chất không chứa nhiệt năng.

Không tuyệt đối Bắt đầuđọc nhiệt độ tuyệt đối. Tương ứng với -273,16 ° C. Hiện tại, các phòng thí nghiệm vật lý đã cố gắng đạt được nhiệt độ vượt quá độ không tuyệt đối chỉ vài phần triệu độ, nhưng theo định luật nhiệt động lực học, điều đó là không thể đạt được. Ở độ không tuyệt đối, hệ thống sẽ ở trạng thái có năng lượng thấp nhất có thể (ở trạng thái này, các nguyên tử và phân tử sẽ tạo ra dao động "không") và không có entropi bằng không (không rối loạn). Thể tích của khí lý tưởng tại điểm có độ không tuyệt đối phải bằng không, và để xác định điểm này, người ta đo thể tích của khí heli thực tại thích hợp hạ nhiệt độ cho đến khi nó hóa lỏng ở áp suất thấp (-268,9 ° C) và ngoại suy đến nhiệt độ tại đó thể tích khí sẽ bằng không nếu không có hóa lỏng. Nhiệt độ tuyệt đối nhiệt động lực học Thang đo được đo bằng kelvins, ký hiệu là K. Tuyệt đối nhiệt động lực học thang đo và thang độ Celsius chỉ đơn giản là dịch chuyển tương đối với nhau và được liên hệ với nhau bằng quan hệ K = ° C + 273,16 °.

Câu chuyện

Từ "nhiệt độ" xuất hiện vào thời điểm mà mọi người tin rằng những cơ thể nóng hơn chứa một lượng lớn chất đặc biệt - calo hơn những cơ thể ít nóng hơn. Do đó, nhiệt độ được coi là sức mạnh của hỗn hợp chất trong cơ thể và nhiệt lượng. Vì lý do này, các đơn vị đo độ mạnh của đồ uống có cồn và nhiệt độ được gọi là giống nhau - độ.

Từ thực tế rằng nhiệt độ là động năng của các phân tử, rõ ràng là đo nó bằng đơn vị năng lượng là điều tự nhiên nhất (tức là trong hệ SI tính bằng jun). Tuy nhiên, phép đo nhiệt độ đã bắt đầu từ rất lâu trước khi lý thuyết động học phân tử ra đời, vì vậy các thang đo thực tế đo nhiệt độ theo đơn vị thông thường - độ.

Thang đo Kelvin

Trong nhiệt động lực học, thang đo Kelvin được sử dụng, trong đó nhiệt độ được đo từ độ không tuyệt đối (trạng thái tương ứng với nội năng tối thiểu về mặt lý thuyết của cơ thể), và một kelvin bằng 1 / 273,16 của khoảng cách từ độ không tuyệt đối đến điểm ba của nước (trạng thái mà các cặp nước đá, nước và nước ở trạng thái cân bằng. Hằng số Boltzmann được sử dụng để chuyển đổi kelvin sang đơn vị năng lượng. Các đơn vị có nguồn gốc cũng được sử dụng: kilokelvin, megakelvin, millikelvin, v.v.

Độ C

Trong cuộc sống hàng ngày, thang độ C được sử dụng, trong đó điểm đóng băng của nước được lấy bằng 0 và điểm sôi của nước ở áp suất khí quyển được lấy bằng 100 °. Vì điểm đóng băng và điểm sôi của nước không được xác định rõ ràng, thang độ C hiện được xác định theo thang Kelvin: độ C bằng Kelvin, độ không tuyệt đối được lấy là -273,15 ° C. Thang độ C thực tế rất thuận tiện, vì nước rất phổ biến trên hành tinh của chúng ta và cuộc sống của chúng ta dựa trên nó. Không độ C là một điểm đặc biệt đối với khí tượng học, vì sự đóng băng của nước trong khí quyển làm thay đổi mọi thứ một cách đáng kể.

độ F

Ở Anh, và đặc biệt là ở Mỹ, thang đo Fahrenheit được sử dụng. Thang đo này được chia cho 100 độ từ nhiệt độ của mùa đông lạnh nhất ở thành phố nơi Fahrenheit sống với nhiệt độ của cơ thể con người. 0 độ C là 32 độ F và độ F là 5/9 độ C.

Định nghĩa hiện tại của thang Fahrenheit như sau: nó là một thang nhiệt độ, 1 độ (1 ° F) trong đó bằng 1/180 sự khác biệt giữa điểm sôi của nước và sự tan chảy của nước đá ở áp suất khí quyển, và điểm nóng chảy của nước đá là +32 ° F. Nhiệt độ trên thang độ F liên hệ với nhiệt độ trên thang độ C (t ° C) theo tỷ số t ° C = 5/9 (t ° F - 32), 1 ° F = 5/9 ° C. Được đề xuất bởi G. Fahrenheit vào năm 1724.

Thang điểm tiếp tục

Được đề xuất vào năm 1730 bởi R. A. Reaumur, người đã mô tả nhiệt kế rượu mà ông đã phát minh ra.

Đơn vị - độ Réaumur (° R), 1 ° R bằng 1/80 khoảng nhiệt độ giữa các điểm tham chiếu - nhiệt độ của đá tan (0 ° R) và nước sôi (80 ° R)

1 ° R = 1,25 ° C.

Hiện tại, chiếc cân đã không còn được sử dụng, nó đã được bảo quản lâu nhất ở Pháp, quê hương của tác giả.

So sánh các thang nhiệt độ

Nhiệt độ cơ thể người bình thường là 36,6 ° C ± 0,7 ° C, hoặc 98,2 ° F ± 1,3 ° F. Giá trị thường được đưa ra là 98,6 ° F là một quy đổi Fahrenheit chính xác của giá trị 37 ° C của Đức vào thế kỷ 19. Vì giá trị này không nằm trong phạm vi nhiệt độ bình thường theo các khái niệm hiện đại, chúng ta có thể nói rằng nó có độ chính xác quá mức (không chính xác). Một số giá trị trong bảng này đã được làm tròn.

So sánh thang đo độ F và độ C

(của- Thang đo độ F, o C- Thang đo độ C)

Để chuyển đổi độ C sang kelvins, hãy sử dụng công thức T = t + T0 trong đó T là nhiệt độ tính bằng kelvin, t là nhiệt độ tính bằng độ C, T 0 = 273,15 kelvin. Độ C có độ lớn bằng kelvin.

Bất kỳ cơ thể vật chất nào, bao gồm tất cả các vật thể trong Vũ trụ, đều có chỉ số nhiệt độ tối thiểu hoặc giới hạn của nó. Đối với điểm chuẩn của bất kỳ thang nhiệt độ nào, thông thường sẽ xem xét giá trị của nhiệt độ không tuyệt đối. Nhưng điều này chỉ là trên lý thuyết. Sự chuyển động hỗn loạn của các nguyên tử và phân tử, những thứ tỏa ra năng lượng của chúng tại thời điểm này, vẫn chưa bị dừng lại trong thực tế.

Đây là nguyên nhân chính khiến nhiệt độ không tuyệt đối không thể đạt được. Hiện vẫn còn tranh cãi về hậu quả của quá trình này. Theo quan điểm của nhiệt động lực học, giới hạn này là không thể đạt được, vì chuyển động nhiệt của các nguyên tử và phân tử dừng lại hoàn toàn, và một mạng tinh thể được hình thành.

Các đại diện của vật lý lượng tử đưa ra sự hiện diện của các dao động điểm 0 cực tiểu ở nhiệt độ không tuyệt đối.

Giá trị của nhiệt độ không tuyệt đối là gì và tại sao nó không thể đạt được

Tại Hội nghị chung về trọng lượng và đo lường, lần đầu tiên, một điểm chuẩn hoặc điểm chuẩn được thành lập cho các dụng cụ đo lường xác định các chỉ số nhiệt độ.

Hiện tại, trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế, điểm tham chiếu cho thang độ C là 0 ° C khi đóng băng và 100 ° C trong quá trình sôi, giá trị nhiệt độ không tuyệt đối bằng −273,15 ° C.

Sử dụng các giá trị nhiệt độ trong thang Kelvin theo cùng một Hệ thống Đơn vị Quốc tế, nước sôi sẽ xảy ra ở giá trị tham chiếu là 99,975 ° C, độ không tuyệt đối tương đương với 0. Fahrenheit trên thang tương ứng với -459,67 độ.

Nhưng, nếu những dữ liệu này thu được, tại sao lại không thể đạt được nhiệt độ không tuyệt đối trong thực tế. Để so sánh, chúng ta có thể lấy tốc độ ánh sáng mà mọi người đều biết, bằng một giá trị vật lý không đổi là 1.079.252.848,8 km / h.

Tuy nhiên, giá trị này không thể đạt được trong thực tế. Nó phụ thuộc cả vào bước sóng truyền, và các điều kiện, và vào sự hấp thụ cần thiết một lượng lớn năng lượng của các hạt. Để có được giá trị của nhiệt độ không tuyệt đối, năng lượng quay trở lại lớn là cần thiết và không có nguồn của nó để ngăn nó xâm nhập vào các nguyên tử và phân tử.

Nhưng ngay cả trong điều kiện hoàn toàn chân không, các nhà khoa học cũng không thu được tốc độ ánh sáng hay nhiệt độ không tuyệt đối.

Tại sao có thể đạt đến nhiệt độ gần đúng bằng 0, nhưng không tuyệt đối

Điều gì sẽ xảy ra khi khoa học có thể tiến gần đến việc đạt được chỉ số nhiệt độ thấp nhất của độ không tuyệt đối, cho đến nay vẫn chỉ nằm trong lý thuyết nhiệt động lực học và vật lý lượng tử. Đâu là lý do tại sao không thể đạt đến nhiệt độ không tuyệt đối trong thực tế.

Tất cả những cố gắng đã biết để làm lạnh chất đến giới hạn thấp nhất do mất mát năng lượng lớn nhất dẫn đến giá trị nhiệt dung của chất đó cũng đạt đến giá trị nhỏ nhất. Các phân tử chỉ đơn giản là không thể cung cấp phần còn lại của năng lượng. Kết quả là, quá trình làm mát đã dừng lại trước khi đạt đến độ không tuyệt đối.

Khi nghiên cứu hành vi của kim loại trong các điều kiện gần với giá trị của nhiệt độ không tuyệt đối, các nhà khoa học nhận thấy rằng sự giảm nhiệt độ tối đa sẽ làm mất điện trở.

Nhưng sự ngừng chuyển động của các nguyên tử và phân tử chỉ dẫn đến sự hình thành mạng tinh thể mà qua đó các điện tử đi qua truyền một phần năng lượng của chúng cho các nguyên tử bất động. Nó lại không đạt được độ không tuyệt đối.

Năm 2003, chỉ thiếu một nửa phần tỷ 1 ° C so với độ không tuyệt đối. Các nhà nghiên cứu của NASA đã sử dụng phân tử Na để tiến hành các thí nghiệm, phân tử này luôn nằm trong từ trường và tỏa ra năng lượng của nó.

Gần nhất là thành tựu của các nhà khoa học từ Đại học Yale, năm 2014 đạt chỉ số 0,0025 Kelvin. Hợp chất stronti monofluoride (SrF) thu được chỉ tồn tại trong 2,5 giây. Và cuối cùng, nó vẫn bị phân rã thành các nguyên tử.

Bạn nghĩ nơi lạnh nhất trong vũ trụ của chúng ta nằm ở đâu? Ngày nay nó là Trái đất. Ví dụ, nhiệt độ bề mặt của Mặt trăng là -227 độ C, trong khi nhiệt độ của chân không xung quanh chúng ta là 265 độ dưới 0. Tuy nhiên, trong một phòng thí nghiệm trên Trái đất, một người có thể đạt được nhiệt độ thấp hơn nhiều để nghiên cứu các đặc tính của vật liệu ở nhiệt độ cực thấp. Vật liệu, các nguyên tử riêng lẻ và thậm chí cả ánh sáng bị làm lạnh cực độ bắt đầu bộc lộ các đặc tính khác thường.

Thí nghiệm đầu tiên thuộc loại này được thực hiện vào đầu thế kỷ 20 bởi các nhà vật lý nghiên cứu tính chất điện của thủy ngân ở nhiệt độ cực thấp. Ở nhiệt độ -262 độ C, thủy ngân bắt đầu thể hiện tính chất siêu dẫn, làm giảm khả năng chống dòng điện xuống gần như bằng không. Các thí nghiệm tiếp theo cũng cho thấy các đặc tính thú vị khác của vật liệu được làm lạnh, bao gồm tính siêu lỏng, được thể hiện ở sự "rò rỉ" của vật chất qua các vách ngăn rắn và ra khỏi các thùng kín.

Khoa học đã xác định nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được - âm 273,15 độ C, nhưng thực tế nhiệt độ như vậy là không thể đạt được. Trong thực tế, nhiệt độ là thước đo gần đúng của năng lượng chứa trong một vật thể, do đó độ không tuyệt đối chỉ ra rằng vật thể không bức xạ bất cứ thứ gì và không có năng lượng nào có thể được chiết xuất từ ​​vật thể này. Nhưng bất chấp điều này, các nhà khoa học đang cố gắng tiến gần nhất có thể đến nhiệt độ không tuyệt đối, kỷ lục hiện tại được thiết lập vào năm 2003 trong phòng thí nghiệm của Viện Công nghệ Massachusetts. Các nhà khoa học chỉ thiếu 810 phần tỷ độ so với độ không tuyệt đối. Họ làm lạnh một đám mây nguyên tử natri được giữ cố định bằng một từ trường mạnh.

Có vẻ như - ý nghĩa ứng dụng của những thí nghiệm như vậy là gì? Hóa ra các nhà nghiên cứu quan tâm đến một khái niệm như chất ngưng tụ Bose-Einstein, là một trạng thái đặc biệt của vật chất - không phải là khí, rắn hay lỏng, mà chỉ đơn giản là một đám mây nguyên tử có cùng trạng thái lượng tử. Dạng vật chất này được Einstein và nhà vật lý người Ấn Độ Satyendra Bose dự đoán vào năm 1925, và chỉ 70 năm sau mới có được. Một trong những nhà khoa học đạt được trạng thái vật chất này là Wolfgang Ketterle, người đã nhận giải Nobel Vật lý cho khám phá của mình.

Một trong những đặc tính đáng chú ý của Bose-Einstein Condensate (BEC) là khả năng điều khiển chuyển động của các tia sáng. Trong chân không, ánh sáng truyền đi với vận tốc 300.000 km / giây, đây là tốc độ nhanh nhất có thể đạt được trong vũ trụ. Nhưng ánh sáng có thể truyền chậm hơn nếu nó truyền không phải trong chân không mà truyền trong vật chất. Với sự trợ giúp của BEC, có thể làm chậm sự chuyển động của ánh sáng xuống tốc độ thấp, và thậm chí dừng nó lại. Do nhiệt độ và mật độ của chất ngưng tụ, sự phát xạ ánh sáng chậm lại và có thể được "bắt giữ" và chuyển đổi trực tiếp thành dòng điện. Dòng điện này có thể được chuyển sang một đám mây BEC khác và chuyển đổi trở lại thành bức xạ ánh sáng. Tính năng này đang có nhu cầu lớn đối với viễn thông và máy tính. Ở đây tôi không hiểu một chút - sau tất cả, có những thiết bị ALREADY chuyển đổi sóng ánh sáng thành điện và ngược lại ... Rõ ràng, việc sử dụng BEC cho phép việc chuyển đổi này được thực hiện nhanh hơn và chính xác hơn.

Một trong những lý do tại sao các nhà khoa học rất mong muốn có được một số không tuyệt đối là nỗ lực tìm hiểu những gì đang xảy ra và đã xảy ra với Vũ trụ của chúng ta, những định luật nhiệt động lực học vận hành trong đó. Đồng thời, các nhà nghiên cứu hiểu rằng việc trích xuất tất cả năng lượng cuối cùng từ nguyên tử là không thể đạt được trên thực tế.

Khi báo cáo thời tiết dự đoán nhiệt độ quanh mức 0, bạn không nên đến sân trượt băng: băng sẽ tan chảy. Nhiệt độ tan chảy của nước đá được lấy bằng 0 độ C - thang nhiệt độ phổ biến nhất.
Chúng tôi nhận thức rõ về độ âm của thang độ C - độ<ниже нуля>, độ lạnh. Nhiệt độ thấp nhất trên Trái đất được ghi nhận ở Nam Cực: -88,3 ° C. Bên ngoài Trái đất, nhiệt độ thậm chí còn thấp hơn có thể xảy ra: trên bề mặt Mặt trăng vào nửa đêm âm lịch, nhiệt độ có thể lên tới -160 ° C.
Nhưng không nơi nào có thể có nhiệt độ thấp tùy tiện. Nhiệt độ cực thấp - độ không tuyệt đối - trên thang độ C tương ứng với - 273,16 °.
Thang nhiệt độ tuyệt đối, thang Kelvin, bắt nguồn từ độ không tuyệt đối. Băng tan ở 273,16 ° Kelvin, và nước sôi ở 373,16 ° K. Do đó, độ K bằng độ C. Nhưng trên thang Kelvin, tất cả các nhiệt độ đều dương.
Tại sao 0 ° K là giới hạn của lạnh?
Nhiệt là sự chuyển động hỗn loạn của các nguyên tử, phân tử vật chất. Khi một chất bị làm lạnh, năng lượng nhiệt sẽ bị lấy đi khỏi nó, và trong trường hợp này, chuyển động ngẫu nhiên của các hạt sẽ yếu đi. Cuối cùng, với khả năng làm mát mạnh mẽ, nhiệt<пляска>hạt gần như dừng lại hoàn toàn. Các nguyên tử và phân tử sẽ đóng băng hoàn toàn ở nhiệt độ được coi là độ không tuyệt đối. Theo các nguyên tắc của cơ học lượng tử, ở độ không tuyệt đối, chính xác là chuyển động nhiệt của các hạt sẽ dừng lại, nhưng bản thân các hạt sẽ không đóng băng, vì chúng không thể hoàn toàn ở trạng thái nghỉ. Do đó, ở độ không tuyệt đối, các hạt vẫn phải giữ lại một dạng chuyển động nào đó, được gọi là không.

Tuy nhiên, để làm lạnh một chất đến nhiệt độ dưới độ không tuyệt đối là một ý tưởng vô nghĩa, chẳng hạn như ý định<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Hơn nữa, ngay cả việc đạt đến độ không tuyệt đối chính xác cũng gần như là không thể. Bạn chỉ có thể đến gần anh ấy hơn. Bởi vì tuyệt đối tất cả nhiệt năng của nó không thể bị lấy đi khỏi một chất bằng bất kỳ phương tiện nào. Một phần nhiệt năng vẫn còn trong quá trình làm lạnh sâu nhất.
Làm thế nào để chúng đạt đến nhiệt độ cực thấp?
Làm đông lạnh một chất khó hơn làm nóng nó. Có thể thấy điều này ít nhất khi so sánh thiết kế của bếp nấu và tủ lạnh.
Trong hầu hết các tủ lạnh gia dụng và tủ lạnh công nghiệp, nhiệt được loại bỏ do sự bay hơi của một chất lỏng đặc biệt - freon, lưu thông qua các ống kim loại. Bí mật là freon có thể duy trì ở trạng thái lỏng chỉ ở nhiệt độ đủ thấp. Trong buồng lạnh do nhiệt của buồng nóng lên và sôi, chuyển thành hơi. Nhưng hơi nước được máy nén nén lại, hóa lỏng và đi vào dàn bay hơi, bù lại lượng freon bay hơi mất đi. Năng lượng được sử dụng để chạy máy nén.
Trong các thiết bị làm lạnh sâu, chất mang lạnh là chất lỏng siêu đông - helium lỏng. Không màu, nhẹ (nhẹ hơn nước 8 lần), nó sôi dưới áp suất khí quyển ở 4,2 ° K và trong chân không ở 0,7 ° K. Nhiệt độ thậm chí còn thấp hơn do đồng vị nhẹ của heli: 0,3 ° K.
Khá khó để sắp xếp một tủ lạnh helium vĩnh viễn. Nghiên cứu được thực hiện đơn giản trong bồn tắm helium lỏng. Và để hóa lỏng loại khí này, các nhà vật lý sử dụng các kỹ thuật khác nhau. Ví dụ, heli được làm mát trước và nén được mở rộng bằng cách giải phóng nó qua một lỗ mỏng vào buồng chân không. Đồng thời, nhiệt độ vẫn giảm và một phần của chất khí chuyển thành chất lỏng. Hiệu quả hơn không chỉ để mở rộng khí được làm mát mà còn làm cho nó hoạt động - chuyển động pít-tông.
Heli lỏng tạo thành được lưu trữ trong các bình nhiệt đặc biệt - bình Dewar. Giá thành của chất lỏng lạnh nhất này (chất duy nhất không đóng băng ở độ không tuyệt đối) là khá cao. Tuy nhiên, helium lỏng hiện đang được sử dụng ngày càng rộng rãi, không chỉ trong khoa học mà còn trong các thiết bị kỹ thuật khác nhau.
Nhiệt độ thấp nhất đã đạt được theo một cách khác. Hóa ra là các phân tử của một số muối, chẳng hạn như phèn kali crom, có thể quay dọc theo các đường sức từ. Muối này được làm lạnh sơ bộ bằng helium lỏng đến 1 ° K và đặt trong một từ trường mạnh. Trong trường hợp này, các phân tử quay dọc theo đường sức, và nhiệt giải phóng sẽ bị helium lỏng lấy đi. Sau đó, từ trường bị loại bỏ mạnh, các phân tử lại quay theo các hướng khác nhau, và chi

công việc này dẫn đến việc làm nguội muối hơn nữa. Do đó, người ta thu được nhiệt độ 0,001 ° K. Về nguyên tắc, bằng một phương pháp tương tự, sử dụng các chất khác, người ta có thể thu được nhiệt độ thậm chí còn thấp hơn.
Nhiệt độ thấp nhất thu được cho đến nay trên Trái đất là 0,00001 ° K.

Siêu lỏng

Chất đông lạnh đến nhiệt độ cực thấp trong bể chứa helium lỏng thay đổi đáng kể. Cao su trở nên giòn, chì trở nên cứng như thép và đàn hồi, nhiều hợp kim làm tăng độ bền.

Bản thân helium lỏng hoạt động theo một cách đặc biệt. Ở nhiệt độ dưới 2,2 ° K, nó có được một đặc tính chưa từng có đối với chất lỏng thông thường - tính siêu lỏng: một số trong số nó mất hoàn toàn độ nhớt và chảy mà không có bất kỳ ma sát nào qua các khe hẹp nhất.
Hiện tượng này, được phát hiện vào năm 1937 bởi Viện sĩ vật lý Liên Xô P. JI. Kapitsa, sau đó được giải thích bởi Viện sĩ JI. D. Landau.
Hóa ra là ở nhiệt độ cực thấp, các quy luật lượng tử về hành vi của vật chất bắt đầu ảnh hưởng đáng kể. Như một trong những định luật này yêu cầu, năng lượng có thể được truyền từ cơ thể này sang cơ thể khác chỉ trong những phần-lượng tử khá xác định. Có rất ít lượng tử nhiệt trong helium lỏng nên không có đủ chúng cho tất cả các nguyên tử. Một phần của chất lỏng, không có lượng tử nhiệt, vẫn ở nhiệt độ không tuyệt đối, các nguyên tử của nó hoàn toàn không tham gia vào chuyển động nhiệt ngẫu nhiên và không tương tác với thành mạch theo bất kỳ cách nào. Phần này (nó được gọi là helium-H) có tính siêu lỏng. Với việc giảm nhiệt độ, helium-II ngày càng trở nên nhiều hơn, và ở độ không tuyệt đối, tất cả helium sẽ biến thành helium-H.
Tính siêu lỏng hiện đã được nghiên cứu rất chi tiết và thậm chí còn tìm thấy một ứng dụng thực tế hữu ích: với sự trợ giúp của nó, có thể tách các đồng vị heli.

Siêu dẫn

Gần độ không tuyệt đối, những thay đổi cực kỳ kỳ lạ xảy ra trong các đặc tính điện của một số vật liệu nhất định.
Năm 1911, nhà vật lý người Hà Lan Kamerling-Onnes đã có một khám phá bất ngờ: hóa ra ở nhiệt độ 4,12 ° K, điện trở hoàn toàn biến mất trong thủy ngân. Thủy ngân trở thành chất siêu dẫn. Dòng điện cảm ứng trong vòng siêu dẫn không phân rã và có thể chạy gần như vĩnh viễn.
Bên trên một chiếc vòng như vậy, một quả cầu siêu dẫn sẽ lơ lửng trên không và không rơi xuống, như thể bước ra từ một câu chuyện cổ tích.<гроб Магомета>, bởi vì độ nặng của nó được bù bằng lực đẩy từ trường giữa vòng và quả bóng. Rốt cuộc, dòng điện không được dập tắt trong vòng sẽ tạo ra một từ trường, và đến lượt nó, sẽ tạo ra một dòng điện trong quả bóng và cùng với nó là một từ trường có hướng ngược lại.
Ngoài thủy ngân, thiếc, chì, kẽm và nhôm có độ siêu dẫn gần như không độ tuyệt đối. Tính chất này đã được tìm thấy trong 23 nguyên tố và hơn một trăm hợp kim khác nhau và các hợp chất hóa học khác.
Nhiệt độ tại đó hiện tượng siêu dẫn xuất hiện (nhiệt độ tới hạn) nằm trong một phạm vi khá rộng, từ 0,35 ° K (hafnium) đến 18 ° K (hợp kim niobi-thiếc).
Hiện tượng siêu dẫn, cũng như siêu
tính lưu động, được nghiên cứu chi tiết. Người ta tìm thấy sự phụ thuộc của nhiệt độ tới hạn vào cấu trúc bên trong của vật liệu và từ trường bên ngoài. Một lý thuyết sâu sắc về hiện tượng siêu dẫn đã được phát triển (một đóng góp quan trọng của nhà khoa học Liên Xô là Viện sĩ N. N. Bogolyubov).
Bản chất của hiện tượng nghịch lý này một lần nữa hoàn toàn là lượng tử. Ở nhiệt độ cực thấp, các điện tử trong

chất siêu dẫn tạo thành một hệ thống các hạt kết nối theo cặp không thể cung cấp năng lượng cho mạng tinh thể, sử dụng lượng tử năng lượng để đốt nóng nó. Các cặp electron chuyển động như<танцуя>, giữa<прутьями решетки>- các ion và bỏ qua chúng mà không có va chạm và truyền năng lượng.
Tính siêu dẫn ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghệ.
Ví dụ, các solenoid siêu dẫn đang đi vào thực tế - các cuộn dây siêu dẫn được ngâm trong helium lỏng. Một khi dòng điện cảm ứng và do đó, từ trường có thể được lưu trữ trong chúng trong một thời gian dài tùy ý. Nó có thể đạt đến một giá trị khổng lồ - hơn 100.000. Trong tương lai, các thiết bị siêu dẫn công nghiệp mạnh mẽ chắc chắn sẽ xuất hiện - động cơ điện, nam châm điện, v.v.
Trong thiết bị điện tử vô tuyến, bộ khuếch đại siêu nhạy và bộ tạo sóng điện từ bắt đầu đóng một vai trò quan trọng, hoạt động đặc biệt tốt trong các bồn tắm với helium lỏng - ở đó nội<шумы>Trang thiết bị. Trong công nghệ máy tính điện tử, một tương lai tươi sáng được hứa hẹn cho các thiết bị chuyển mạch siêu dẫn công suất thấp - cryotron (xem Nghệ thuật.<Пути электроники>).
Không khó để tưởng tượng việc thúc đẩy hoạt động của các thiết bị như vậy lên nhiệt độ cao hơn, dễ tiếp cận hơn sẽ hấp dẫn như thế nào. Gần đây, người ta đã mở ra hy vọng về việc tạo ra các chất siêu dẫn màng polyme. Tính chất đặc biệt của tính dẫn điện trong các vật liệu như vậy hứa hẹn một cơ hội tuyệt vời để duy trì tính siêu dẫn ngay cả ở nhiệt độ phòng. Các nhà khoa học đang kiên trì tìm cách hiện thực hóa hy vọng này.

Trong sâu thẳm của các vì sao

Và bây giờ chúng ta hãy nhìn vào lĩnh vực của thứ nóng nhất trên thế giới - vào ruột của các vì sao. Nơi nhiệt độ lên tới hàng triệu độ.
Chuyển động nhiệt hỗn loạn trong các ngôi sao dữ dội đến nỗi toàn bộ nguyên tử không thể tồn tại ở đó: chúng bị phá hủy trong vô số vụ va chạm.
Do đó, một chất bị nung nóng mạnh không thể ở thể rắn, lỏng hay khí. Nó ở trạng thái plasma, tức là hỗn hợp các điện tích<осколков>nguyên tử - hạt nhân nguyên tử và êlectron.
Plasma là một dạng trạng thái của vật chất. Vì các hạt của nó mang điện nên chúng tuân theo một cách nhạy cảm các lực điện và lực từ. Vì vậy, sự gần nhau của hai hạt nhân nguyên tử (chúng mang điện tích dương) là một hiện tượng hiếm gặp. Chỉ ở mật độ cao và nhiệt độ cực lớn thì các hạt nhân nguyên tử va chạm với nhau mới có thể đến gần. Sau đó diễn ra các phản ứng nhiệt hạch - nguồn cung cấp năng lượng cho các ngôi sao.
Ngôi sao gần chúng ta nhất - Mặt trời bao gồm chủ yếu là plasma hydro, được đốt nóng trong ruột của ngôi sao lên đến 10 triệu độ. Trong những điều kiện như vậy, sự gặp gỡ gần gũi của các hạt nhân hydro nhanh - proton, mặc dù rất hiếm, vẫn xảy ra. Đôi khi các proton tiếp cận tương tác với nhau: sau khi vượt qua lực đẩy điện, chúng rơi vào sức mạnh của lực hút hạt nhân khổng lồ, nhanh chóng<падают>nhau và hợp nhất. Tại đây xảy ra sự sắp xếp lại tức thời: thay vì hai proton, một deuteron (hạt nhân của đồng vị nặng của hydro), một positron và một neutrino xuất hiện. Năng lượng được giải phóng là 0,46 triệu electron vôn (Mev).
Mỗi proton mặt trời riêng lẻ có thể tham gia phản ứng như vậy trung bình một lần trong 14 tỷ năm. Nhưng có rất nhiều proton trong ruột của ánh sáng đến mức có thể xảy ra sự kiện khó xảy ra ở đây - và ngôi sao của chúng ta bùng cháy với ngọn lửa chói lọi, đồng đều của nó.
Việc tổng hợp các deuteron chỉ là bước đầu tiên trong quá trình biến đổi nhiệt hạch mặt trời. Deuteron sơ sinh rất sớm (trung bình sau 5,7 giây) kết hợp với một proton nữa. Có một lõi là ánh sáng helium và một lượng tử gamma của bức xạ điện từ. Năng lượng được giải phóng 5,48 MeV.
Cuối cùng, trung bình cứ một triệu năm một lần, hai hạt nhân của heli nhẹ có thể hội tụ và hợp nhất. Sau đó, một hạt nhân heli thông thường (hạt alpha) được hình thành và hai proton bị tách ra. Năng lượng 12,85 MeV được giải phóng.
Ba giai đoạn này<конвейер>phản ứng nhiệt hạch không phải là duy nhất. Có một chuỗi biến đổi hạt nhân khác, những chuỗi biến đổi nhanh hơn. Các hạt nhân nguyên tử của cacbon và nitơ tham gia vào nó (không bị tiêu hao). Nhưng trong cả hai trường hợp, hạt alpha được tổng hợp từ hạt nhân hydro. Nói một cách hình tượng, plasma hydro mặt trời<сгорает>, trở thành<золу>- huyết tương heli. Và trong quá trình tổng hợp mỗi gam helium plasma sẽ giải phóng ra 175 nghìn kWh năng lượng. Số lượng lớn!
Mỗi giây, Mặt trời tỏa ra 4.1033 ergs năng lượng, làm mất đi 4.1012 g (4 triệu tấn) vật chất. Nhưng tổng khối lượng của Mặt trời là 2 1027 tấn, điều này có nghĩa là trong một triệu năm, do sự phát ra bức xạ, Mặt trời<худеет>chỉ bằng một phần mười triệu khối lượng của nó. Những con số này minh họa một cách hùng hồn hiệu quả của các phản ứng nhiệt hạch và nhiệt lượng khổng lồ của năng lượng mặt trời.<горючего>- hydro.
Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch dường như là nguồn năng lượng chính của tất cả các ngôi sao. Ở các nhiệt độ và mật độ khác nhau của nội sao, các loại phản ứng khác nhau sẽ diễn ra. Đặc biệt, năng lượng mặt trời<зола>- hạt nhân heli - ở 100 triệu độ, nó trở thành nhiệt hạch<горючим>. Sau đó, các hạt nhân nguyên tử nặng hơn - carbon và thậm chí cả oxy - có thể được tổng hợp từ các hạt alpha.
Theo nhiều nhà khoa học, toàn bộ Metagalaxy của chúng ta nói chung cũng là kết quả của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, diễn ra ở nhiệt độ một tỷ độ (xem Nghệ thuật.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Mặt trời nhân tạo

Hàm lượng calo đặc biệt của nhiệt hạch<горючего>đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm cách thực hiện nhân tạo phản ứng tổng hợp hạt nhân.
<Горючего>Có rất nhiều đồng vị của hydro trên hành tinh của chúng ta. Ví dụ, có thể thu được hydro tritium siêu nhẹ từ kim loại liti trong lò phản ứng hạt nhân. Và hydro - đơteri nặng là một phần của nước nặng, có thể được chiết xuất từ ​​nước thông thường.
Hydro nặng chiết xuất từ ​​hai cốc nước thông thường sẽ cung cấp nhiều năng lượng trong lò phản ứng nhiệt hạch như đốt một thùng xăng cao cấp hiện nay.
Khó khăn nằm ở việc làm nóng sơ bộ<горючее>đến nhiệt độ mà nó có thể bốc cháy bằng ngọn lửa nhiệt hạch cực mạnh.
Vấn đề này lần đầu tiên được giải quyết trong bom khinh khí. Các đồng vị hydro ở đó bị bốc cháy bởi vụ nổ của một quả bom nguyên tử, kèm theo đó là sự đốt nóng của chất lên hàng chục triệu độ. Trong một phiên bản của bom khinh khí, nhiên liệu nhiệt hạch là một hợp chất hóa học của hydro nặng với lithi - deuteride nhẹ l, t và i. Bột trắng này, tương tự như muối ăn,<воспламеняясь>từ<спички>, là bom nguyên tử, ngay lập tức phát nổ và tạo ra nhiệt độ hàng trăm triệu độ.
Để bắt đầu một phản ứng nhiệt hạch hòa bình, trước hết người ta phải học cách, không cần sự hỗ trợ của bom nguyên tử, có thể đốt nóng những liều lượng nhỏ của đồng vị hiđro đủ đậm đặc đến nhiệt độ hàng trăm triệu độ. Vấn đề này là một trong những vấn đề khó nhất trong vật lý ứng dụng hiện đại. Các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới đã nghiên cứu nó trong nhiều năm.
Chúng ta đã nói rằng chính chuyển động hỗn loạn của các hạt tạo ra sự nóng lên của các vật thể, và năng lượng trung bình của chuyển động ngẫu nhiên của chúng tương ứng với nhiệt độ. Làm nóng cơ thể lạnh có nghĩa là tạo ra rối loạn này theo bất kỳ cách nào.
Hãy tưởng tượng rằng hai nhóm người chạy đang lao nhanh về phía nhau. Vì vậy, họ va chạm, trộn lẫn, một đám đông bắt đầu, hỗn loạn. Lộn xộn lớn!
Tương tự như vậy, ban đầu các nhà vật lý cố gắng đạt được nhiệt độ cao - bằng cách đẩy các tia khí áp suất cao. Khí đã được làm nóng lên đến 10 nghìn độ. Có thời điểm nó đã đạt kỷ lục: nhiệt độ cao hơn cả bề mặt của Mặt trời.
Nhưng với phương pháp này, việc đốt nóng khí chậm hơn, khá chậm, không gây nổ là không thể, vì rối loạn nhiệt ngay lập tức lan truyền theo mọi hướng, làm ấm các bức tường của buồng thí nghiệm và môi trường. Nhiệt sinh ra nhanh chóng rời khỏi hệ thống và không thể cô lập nó.
Nếu các tia khí được thay thế bằng các dòng plasma, vấn đề cách nhiệt vẫn còn rất khó khăn, nhưng cũng có hy vọng cho giải pháp của nó.
Đúng như vậy, plasma không thể được bảo vệ khỏi sự mất nhiệt bằng các bình làm bằng chất chịu lửa nhất. Tiếp xúc với các bức tường vững chắc, plasma nóng ngay lập tức nguội đi. Mặt khác, người ta có thể cố gắng giữ và làm nóng plasma bằng cách tạo ra sự tích tụ của nó trong chân không để nó không chạm vào các bức tường của buồng, mà treo trong khoảng không, không chạm vào bất cứ thứ gì. Ở đây người ta nên tận dụng thực tế là các hạt plasma không trung tính, giống như nguyên tử khí, nhưng mang điện. Do đó, trong chuyển động, chúng chịu tác dụng của lực từ. Vấn đề nảy sinh: để sắp xếp một từ trường có cấu hình đặc biệt, trong đó plasma nóng sẽ treo giống như trong một chiếc túi có các bức tường vô hình.
Dạng đơn giản nhất của điện trường như vậy được tạo ra tự động khi các xung dòng điện mạnh đi qua plasma. Trong trường hợp này, lực từ được tạo ra xung quanh dây tóc plasma, có xu hướng nén dây tóc. Plasma tách khỏi thành của ống phóng điện, và nhiệt độ tăng lên 2 triệu độ gần trục của dây tóc trong một luồng hạt ào ạt.
Ở nước ta, những thí nghiệm như vậy đã được thực hiện ngay từ năm 1950 dưới sự hướng dẫn của Viện sĩ JI. A. Artsimovich và M.A. Leontovich.
Một hướng thí nghiệm khác là sử dụng bình từ tính, do nhà vật lý Liên Xô G. I. Budker, hiện là viện sĩ, đề xuất vào năm 1952. Chai từ tính được đặt trong một nút chai - một buồng chân không hình trụ được trang bị một cuộn dây bên ngoài, cuộn dây này dày lên ở hai đầu buồng. Dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra từ trường trong buồng. Các đường sức của nó ở phần giữa song song với đường sinh của hình trụ, và ở hai đầu chúng bị nén lại và tạo thành các phích cắm từ tính. Các hạt plasma được tiêm vào một chai từ tính cuộn tròn xung quanh các đường sức và được phản xạ từ các nút chai. Kết quả là, huyết tương được giữ bên trong chai một thời gian. Nếu năng lượng của các hạt plasma đưa vào bình đủ cao và có đủ chúng, chúng tham gia vào các tương tác lực phức tạp, chuyển động có trật tự ban đầu của chúng trở nên vướng víu, trở nên rối loạn - nhiệt độ của hạt nhân hydro tăng lên hàng chục triệu độ .
Sưởi ấm bổ sung được thực hiện bằng điện từ<ударами>bằng plasma, nén từ trường, v.v ... Bây giờ plasma của các hạt nhân hydro nặng được đốt nóng đến hàng trăm triệu độ. Đúng, điều này có thể được thực hiện trong thời gian ngắn hoặc ở mật độ huyết tương thấp.
Để kích thích phản ứng tự duy trì, cần phải tăng thêm nhiệt độ và mật độ của plasma. Điều này khó đạt được. Tuy nhiên, như các nhà khoa học đã thuyết phục, không thể phủ nhận vấn đề có thể giải quyết được.

G.B. Anfilov

Được phép đăng ảnh và trích dẫn các bài báo từ trang web của chúng tôi trên các tài nguyên khác với điều kiện phải cung cấp liên kết đến nguồn và ảnh.