ศูนย์สัมบูรณ์คืออะไรและสามารถทำได้หรือไม่? ศูนย์สัมบูรณ์

สถาบันการศึกษางบประมาณของรัฐบาลกลางด้านการศึกษาวิชาชีพระดับสูง

"มหาวิทยาลัยการสอนแห่งรัฐ Voronezh"

ภาควิชาฟิสิกส์ทั่วไป

ในหัวข้อ: “อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์”

เสร็จสิ้นโดย: นักศึกษาชั้นปีที่ 1 FMF

PI, Kondratenko อีรินา อเล็กซานดรอฟนา

ตรวจสอบโดย : ผู้ช่วยแผนกทั่วไป

นักฟิสิกส์ Afonin G.V.

โวโรเนซ-2013

การแนะนำ……………………………………………………. 3

1.ศูนย์สัมบูรณ์…………………………………………...4

2.ประวัติ………………………………………………………6

3. ปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ใกล้ศูนย์สัมบูรณ์………..9

บทสรุป………………………………………… 11

รายการวรรณกรรมที่ใช้แล้ว………………..12

การแนะนำ

หลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ก้าวไปสู่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ ดังที่ทราบกันดีว่าอุณหภูมิเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์จะแสดงลักษณะของสถานะพื้นของระบบที่มีอนุภาคจำนวนมาก - สถานะที่มีพลังงานต่ำที่สุดที่เป็นไปได้ ซึ่งอะตอมและโมเลกุลทำการสั่นสะเทือนที่เรียกว่า "ศูนย์" ดังนั้น การทำความเย็นลึกใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ (ศูนย์สัมบูรณ์เชื่อว่าเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ) เปิดโอกาสให้ศึกษาคุณสมบัติของสสารได้อย่างไม่จำกัด

1. ศูนย์สัมบูรณ์

อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (น้อยกว่า - ศูนย์สัมบูรณ์อุณหภูมิ) - ขีด จำกัด อุณหภูมิต่ำสุดที่สามารถเป็นได้ ร่างกายในจักรวาล ศูนย์สัมบูรณ์ทำหน้าที่เป็นจุดกำเนิดของระดับอุณหภูมิสัมบูรณ์ เช่น ระดับเคลวิน ในปี พ.ศ. 2497 การประชุมใหญ่สามัญเรื่องน้ำหนักและการวัดได้กำหนดมาตราส่วนอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์โดยมีจุดอ้างอิงหนึ่งจุด - จุดสามจุดของน้ำ ซึ่งอุณหภูมิอยู่ที่ 273.16 เคลวิน (แน่นอน) ซึ่งสอดคล้องกับ 0.01 °C ดังนั้น ในระดับเซลเซียส อุณหภูมิจะสอดคล้องกับศูนย์สัมบูรณ์ −273.15 °C

ภายในขอบเขตของการบังคับใช้ของอุณหพลศาสตร์ ในทางปฏิบัติไม่สามารถบรรลุศูนย์สัมบูรณ์ได้ การดำรงอยู่และตำแหน่งของมันในระดับอุณหภูมิตามมาจากการคาดการณ์ของปรากฏการณ์ทางกายภาพที่สังเกตได้และการประมาณค่าดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าที่ศูนย์สัมบูรณ์พลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลและอะตอมของสารควรเท่ากับศูนย์นั่นคือการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของอนุภาค หยุดและพวกมันก่อตัวเป็นโครงสร้างที่ได้รับคำสั่ง ซึ่งครอบครองตำแหน่งที่ชัดเจนที่โหนดของโครงตาข่ายคริสตัล (ฮีเลียมเหลวเป็นข้อยกเว้น) อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของฟิสิกส์ควอนตัม และที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ จะเกิดการแกว่งเป็นศูนย์ ซึ่งมีสาเหตุจากคุณสมบัติควอนตัมของอนุภาคและสุญญากาศทางกายภาพที่อยู่รอบๆ

เนื่องจากอุณหภูมิของระบบมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์สัมบูรณ์ เอนโทรปี ความจุความร้อน และสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของระบบก็มีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์เช่นกัน และการเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายของอนุภาคที่ประกอบกันเป็นระบบก็หยุดลง กล่าวอีกนัยหนึ่งว่าสารนี้กลายเป็นสารยิ่งยวดที่มีความเป็นตัวนำยิ่งยวดและของเหลวยิ่งยวด

ในทางปฏิบัติอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์นั้นไม่สามารถบรรลุได้ และการได้รับอุณหภูมิที่ใกล้อุณหภูมินั้นมากแสดงถึงปัญหาการทดลองที่ซับซ้อน แต่ได้อุณหภูมิที่อยู่ห่างจากศูนย์สัมบูรณ์เพียงหนึ่งในล้านเท่านั้น -

ให้เราหาค่าของศูนย์สัมบูรณ์ในระดับเซลเซียส โดยให้ปริมาตร V เป็นศูนย์ แล้วนำมาพิจารณาด้วย

ดังนั้น อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์คือ -273°C

นี่คืออุณหภูมิสุดขั้วและต่ำสุดในธรรมชาติ ซึ่งเป็น "ระดับความหนาวเย็นที่ยิ่งใหญ่ที่สุดหรือครั้งสุดท้าย" ซึ่งเป็นการดำรงอยู่ของสิ่งที่ Lomonosov ทำนายไว้

รูปที่ 1. ระดับสัมบูรณ์และเซลเซียส

หน่วย SI ของอุณหภูมิสัมบูรณ์เรียกว่าเคลวิน (ตัวย่อ K) ดังนั้น หนึ่งองศาตามสเกลเซลเซียสจึงเท่ากับหนึ่งองศาตามสเกลเคลวิน: 1 °C = 1 K

ดังนั้น อุณหภูมิสัมบูรณ์จึงเป็นปริมาณอนุพันธ์ที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเซลเซียสและค่าที่กำหนดจากการทดลองของ a อย่างไรก็ตาม มันมีความสำคัญขั้นพื้นฐาน

จากมุมมองของทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล อุณหภูมิสัมบูรณ์มีความสัมพันธ์กับพลังงานจลน์เฉลี่ยของการเคลื่อนที่ที่วุ่นวายของอะตอมหรือโมเลกุล ที่ T = 0 K การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลจะหยุดลง

2. ประวัติศาสตร์

แนวคิดทางกายภาพของ "อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์" มีความสำคัญมากสำหรับวิทยาศาสตร์สมัยใหม่: เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดนี้เช่นความเป็นตัวนำยิ่งยวดซึ่งการค้นพบนี้สร้างความรู้สึกที่แท้จริงในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ยี่สิบ

เพื่อให้เข้าใจว่าศูนย์สัมบูรณ์คืออะไร คุณควรหันไปดูผลงานของนักฟิสิกส์ชื่อดังเช่น G. Fahrenheit, A.Celsius, J. Gay-Lussac และ W. Thomson พวกเขามีบทบาทสำคัญในการสร้างเครื่องชั่งน้ำหนักหลักที่ยังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน

คนแรกที่เสนอระดับอุณหภูมิของเขาคือนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน G. Fahrenheit ในปี 1714 ในเวลาเดียวกัน อุณหภูมิของส่วนผสมซึ่งรวมถึงหิมะและแอมโมเนียถือเป็นศูนย์สัมบูรณ์ นั่นคือเป็นจุดต่ำสุดของมาตราส่วนนี้ ตัวบ่งชี้ที่สำคัญถัดไปคืออุณหภูมิร่างกายมนุษย์ปกติซึ่งเท่ากับ 1,000 ดังนั้นแต่ละส่วนของมาตราส่วนนี้จึงเรียกว่า "องศาฟาเรนไฮต์" และมาตราส่วนเองก็เรียกว่า "มาตราส่วนฟาเรนไฮต์"

30 ปีต่อมา เอ. เซลเซียส นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดนได้เสนอมาตรวัดอุณหภูมิของตนเอง โดยประเด็นหลักคืออุณหภูมิละลายของน้ำแข็งและจุดเดือดของน้ำ มาตราส่วนนี้เรียกว่า "มาตราส่วนเซลเซียส" ซึ่งยังคงได้รับความนิยมในประเทศส่วนใหญ่ของโลก รวมถึงรัสเซียด้วย

ในปี 1802 ขณะทำการทดลองที่มีชื่อเสียงของเขา J. Gay-Lussac นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสค้นพบว่าปริมาตรของก๊าซที่ความดันคงที่นั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยตรง แต่สิ่งที่น่าสงสัยที่สุดคือเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 10 องศาเซลเซียส ปริมาตรของก๊าซจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงตามปริมาณที่เท่ากัน เมื่อทำการคำนวณที่จำเป็นแล้ว Gay-Lussac พบว่าค่านี้เท่ากับ 1/273 ของปริมาตรของก๊าซ กฎข้อนี้นำไปสู่ข้อสรุปที่ชัดเจน: อุณหภูมิเท่ากับ -273°C เป็นอุณหภูมิต่ำสุด แม้ว่าคุณจะเข้าใกล้อุณหภูมินั้น ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุผลดังกล่าว อุณหภูมินี้เรียกว่า "อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์" ยิ่งไปกว่านั้น ศูนย์สัมบูรณ์ยังกลายเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการสร้างระดับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ซึ่งนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ดับเบิลยู. ทอมสัน หรือที่รู้จักในชื่อลอร์ดเคลวิน เข้ามามีส่วนร่วม งานวิจัยหลักของเขาเกี่ยวข้องกับการพิสูจน์ว่าไม่มีร่างกายใดในธรรมชาติที่สามารถระบายความร้อนให้ต่ำกว่าศูนย์สัมบูรณ์ได้ ในเวลาเดียวกันเขาใช้กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์อย่างกระตือรือร้นดังนั้นระดับอุณหภูมิสัมบูรณ์ที่เขาแนะนำในปี 1848 จึงเริ่มถูกเรียกว่าอุณหพลศาสตร์หรือ "ระดับเคลวิน" ในปีต่อ ๆ มามีเพียงการชี้แจงแนวคิดเชิงตัวเลขเท่านั้น “ศูนย์สัมบูรณ์” เกิดขึ้น

รูปที่ 2. ความสัมพันธ์ระหว่างระดับอุณหภูมิฟาเรนไฮต์ (F) เซลเซียส (C) และเคลวิน (K)

เป็นที่น่าสังเกตว่าศูนย์สัมบูรณ์มีบทบาทสำคัญมากในระบบ SI ประเด็นก็คือในปี 1960 ในการประชุมใหญ่สามัญเรื่องน้ำหนักและการวัดครั้งต่อไป หน่วยของอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ - เคลวิน - ได้กลายเป็นหนึ่งในหกหน่วยการวัดพื้นฐาน ในขณะเดียวกันก็กำหนดไว้เป็นพิเศษว่าหนึ่งองศาเคลวิน

มีตัวเลขเท่ากับหนึ่งองศาเซลเซียส แต่จุดอ้างอิง "ในหน่วยเคลวิน" มักจะถือว่าเป็นศูนย์สัมบูรณ์

ความหมายทางกายภาพหลักของศูนย์สัมบูรณ์ก็คือ ตามกฎฟิสิกส์พื้นฐาน พลังงานของการเคลื่อนที่ที่อุณหภูมิดังกล่าว อนุภาคมูลฐานเช่น อะตอมและโมเลกุล มีค่าเท่ากับศูนย์ และในกรณีนี้ การเคลื่อนไหวที่วุ่นวายของอนุภาคเหล่านี้ควรจะหยุดลง ที่อุณหภูมิเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์ อะตอมและโมเลกุลจะต้องอยู่ในตำแหน่งที่ชัดเจนที่จุดหลักของโครงตาข่ายคริสตัล ทำให้เกิดระบบที่เป็นระเบียบ

ปัจจุบันใช้ อุปกรณ์พิเศษนักวิทยาศาสตร์สามารถรับอุณหภูมิได้เพียงไม่กี่ส่วนในล้านส่วนซึ่งสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ เป็นไปไม่ได้ทางกายภาพที่จะบรรลุค่านี้เองเนื่องจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

3. ปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์

ที่อุณหภูมิใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ ผลกระทบเชิงควอนตัมเพียงอย่างเดียวสามารถสังเกตได้ในระดับมหภาค เช่น:

1. ความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นคุณสมบัติของวัสดุบางชนิดที่จะมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์อย่างเคร่งครัดเมื่ออุณหภูมิถึงอุณหภูมิต่ำกว่าค่าที่กำหนด (อุณหภูมิวิกฤติ) เป็นที่รู้กันว่าสารประกอบ ธาตุบริสุทธิ์ โลหะผสม และเซรามิกหลายร้อยชนิดสามารถเปลี่ยนเป็นสถานะตัวนำยิ่งยวดได้

ตัวนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ควอนตัม นอกจากนี้ยังโดดเด่นด้วยเอฟเฟกต์ Meissner ซึ่งประกอบด้วยการกระจัดโดยสมบูรณ์ สนามแม่เหล็กจากปริมาตรของตัวนำยิ่งยวด การมีอยู่ของผลกระทบนี้แสดงให้เห็นว่าตัวนำยิ่งยวดไม่สามารถอธิบายได้ง่ายๆ ว่าเป็นการนำไฟฟ้าในอุดมคติในความหมายดั้งเดิม เปิดทำการในปี พ.ศ. 2529-2536 ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง (HTSC) จำนวนหนึ่งได้ผลักดันขีดจำกัดอุณหภูมิของตัวนำยิ่งยวดกลับออกไปไกล และทำให้สามารถใช้วัสดุตัวนำยิ่งยวดได้จริง ไม่เพียงแต่ที่อุณหภูมิฮีเลียมเหลว (4.2 K) เท่านั้น แต่ยังอยู่ที่จุดเดือดของของเหลวด้วย ไนโตรเจน (77 K) ซึ่งเป็นของเหลวแช่แข็งที่มีราคาถูกกว่ามาก

2. ของเหลวยิ่งยวด - ความสามารถของสารในสถานะพิเศษ (ของเหลวควอนตัม) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงถึงศูนย์สัมบูรณ์ (เฟสเทอร์โมไดนามิก) เพื่อไหลผ่านช่องแคบและเส้นเลือดฝอยโดยไม่มีแรงเสียดทาน จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ความเป็นของเหลวยิ่งยวดเป็นที่รู้จักเฉพาะกับฮีเลียมเหลวเท่านั้น แต่ใน ปีที่ผ่านมานอกจากนี้ ยังมีการค้นพบความเป็นของเหลวยิ่งยวดในระบบอื่น เช่น ในตัวควบแน่นของอะตอมโบสที่ทำให้บริสุทธิ์และฮีเลียมแข็ง

อธิบายความเป็นไหลยิ่งยวดได้ดังนี้ เนื่องจากอะตอมของฮีเลียมเป็นโบซอน กลศาสตร์ควอนตัมจึงยอมให้อนุภาคอยู่ในสถานะเดียวกันได้ไม่จำกัดจำนวน เมื่อใกล้กับอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ อะตอมของฮีเลียมทั้งหมดจะอยู่ในสถานะพลังงานภาคพื้นดิน เนื่องจากพลังงานของรัฐไม่ต่อเนื่องกัน อะตอมจึงไม่สามารถรับพลังงานใดๆ ได้ แต่จะมีเพียงพลังงานเดียวเท่านั้นที่เท่ากับช่องว่างพลังงานระหว่างระดับพลังงานที่อยู่ติดกัน แต่ที่อุณหภูมิต่ำ พลังงานการชนกันอาจน้อยกว่าค่านี้ ซึ่งส่งผลให้การกระจายพลังงานไม่เกิดขึ้น ของเหลวจะไหลโดยไม่มีการเสียดสี

3. โบส - ไอน์สไตน์คอนเดนเสท - สถานะของการรวมตัวของสสารซึ่งมีพื้นฐานคือโบซอนซึ่งเย็นลงจนถึงอุณหภูมิใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ (น้อยกว่าหนึ่งในล้านขององศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์) ในสภาวะที่เย็นสบายเช่นนี้ก็เพียงพอแล้ว จำนวนมากอะตอมพบว่าตัวเองอยู่ในสถานะควอนตัมขั้นต่ำที่เป็นไปได้ และผลกระทบทางควอนตัมเริ่มปรากฏให้เห็นในระดับมหภาค

บทสรุป

การศึกษาคุณสมบัติของสสารใกล้ศูนย์สัมบูรณ์เป็นที่สนใจอย่างมากสำหรับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

คุณสมบัติหลายประการของสารซึ่งถูกปกคลุมที่อุณหภูมิห้องโดยปรากฏการณ์ทางความร้อน (เช่น สัญญาณรบกวนจากความร้อน) เริ่มปรากฏให้เห็นมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่ออุณหภูมิลดลง ทำให้ รูปแบบบริสุทธิ์ศึกษารูปแบบและความเชื่อมโยงที่มีอยู่ในสารที่กำหนด การวิจัยในด้านอุณหภูมิต่ำทำให้สามารถค้นพบปรากฏการณ์ทางธรรมชาติใหม่ๆ มากมาย เช่น สภาพของเหลวยิ่งยวดของฮีเลียม และสภาพนำยิ่งยวดของโลหะ

ที่อุณหภูมิต่ำ คุณสมบัติของวัสดุจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก โลหะบางชนิดจะเพิ่มความแข็งแรงและมีความเหนียว ในขณะที่โลหะบางชนิดจะเปราะเหมือนแก้ว

การศึกษาคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ที่อุณหภูมิต่ำจะทำให้ในอนาคตสามารถสร้างสารใหม่ที่มีคุณสมบัติที่กำหนดไว้ล่วงหน้าได้ ทั้งหมดนี้มีคุณค่ามากสำหรับการออกแบบและสร้างยานอวกาศ สถานี และเครื่องมือต่างๆ

เป็นที่ทราบกันว่าในระหว่างการศึกษาเรดาร์ของวัตถุในจักรวาล สัญญาณวิทยุที่ได้รับมีขนาดเล็กมากและแยกแยะได้ยากจากเสียงต่างๆ ออสซิลเลเตอร์และแอมพลิฟายเออร์ระดับโมเลกุลที่สร้างขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้โดยนักวิทยาศาสตร์ทำงานที่อุณหภูมิต่ำมาก จึงมีระดับเสียงรบกวนต่ำมาก

ไฟฟ้าอุณหภูมิต่ำและ คุณสมบัติทางแม่เหล็กโลหะ เซมิคอนดักเตอร์ และไดอิเล็กทริกทำให้สามารถพัฒนาอุปกรณ์วิศวกรรมวิทยุพื้นฐานใหม่ในขนาดจุลภาคได้

อุณหภูมิต่ำพิเศษถูกใช้เพื่อสร้างสุญญากาศที่จำเป็น เช่น ในการใช้งานเครื่องเร่งอนุภาคนิวเคลียร์ขนาดยักษ์

รายชื่อวรรณกรรมที่ใช้แล้ว

1. http://wikipedia.org
2. http://rudocs.exdat.com
3. http://fb.ru

คำอธิบายสั้น ๆ

หลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ก้าวไปสู่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ ดังที่ทราบกันดีว่าอุณหภูมิเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์จะแสดงลักษณะของสถานะพื้นของระบบที่มีอนุภาคจำนวนมาก - สถานะที่มีพลังงานต่ำที่สุดที่เป็นไปได้ ซึ่งอะตอมและโมเลกุลทำการสั่นสะเทือนที่เรียกว่า "ศูนย์" ดังนั้น การทำความเย็นลึกใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ (ศูนย์สัมบูรณ์เชื่อว่าเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ) เปิดโอกาสให้ศึกษาคุณสมบัติของสสารได้อย่างไม่จำกัด

ศูนย์สัมบูรณ์คืออะไร (โดยปกติจะเป็นศูนย์)? อุณหภูมินี้มีอยู่ในจักรวาลจริงหรือ? เราสามารถทำให้สิ่งใดเย็นลงจนเหลือศูนย์สัมบูรณ์ได้หรือไม่ ชีวิตจริง- หากคุณสงสัยว่าจะเอาชนะคลื่นความเย็นได้หรือไม่ มาสำรวจอุณหภูมิที่หนาวเย็นที่ไกลที่สุดกันดีกว่า...

ศูนย์สัมบูรณ์คืออะไร (โดยปกติจะเป็นศูนย์)? อุณหภูมินี้มีอยู่ในจักรวาลจริงหรือ? เราสามารถทำให้สิ่งใดๆ กลายเป็นศูนย์สัมบูรณ์ในชีวิตจริงได้หรือไม่? หากคุณสงสัยว่าจะเอาชนะคลื่นความเย็นได้หรือไม่ มาสำรวจอุณหภูมิที่หนาวเย็นที่ไกลที่สุดกันดีกว่า...

แม้ว่าคุณจะไม่ใช่นักฟิสิกส์ แต่คุณคงคุ้นเคยกับแนวคิดเรื่องอุณหภูมิอยู่แล้ว อุณหภูมิคือการวัดปริมาณพลังงานสุ่มภายในของวัสดุ คำว่า "ภายใน" มีความสำคัญมาก โยนก้อนหิมะและแม้ว่าการเคลื่อนไหวหลักจะค่อนข้างเร็ว แต่ก้อนหิมะจะยังคงเย็นอยู่ ในทางกลับกัน หากคุณดูโมเลกุลของอากาศที่บินไปรอบๆ ห้อง โมเลกุลออกซิเจนธรรมดาจะทอดด้วยความเร็วหลายพันกิโลเมตรต่อชั่วโมง

โดยปกติแล้วเราจะเงียบเมื่อพูดถึงรายละเอียดทางเทคนิค ดังนั้นสำหรับผู้เชี่ยวชาญ เราจะชี้ให้เห็นว่าอุณหภูมินั้นซับซ้อนกว่าที่เรากล่าวไว้เล็กน้อย คำจำกัดความที่แท้จริงของอุณหภูมิเกี่ยวข้องกับปริมาณพลังงานที่คุณต้องใช้ในแต่ละหน่วยของเอนโทรปี (ความผิดปกติ หากคุณต้องการคำที่ชัดเจนยิ่งขึ้น) แต่ขอข้ามรายละเอียดปลีกย่อยและมุ่งความสนใจไปที่ความจริงที่ว่า โมเลกุลของอากาศหรือน้ำแบบสุ่มในน้ำแข็งจะเคลื่อนที่หรือสั่นสะเทือนช้าลงเรื่อยๆ เมื่ออุณหภูมิลดลง

ศูนย์สัมบูรณ์คืออุณหภูมิ -273.15 องศาเซลเซียส -459.67 องศาฟาเรนไฮต์ และเพียง 0 เคลวิน นี่คือจุดที่การเคลื่อนที่ของความร้อนหยุดลงโดยสิ้นเชิง

ทุกอย่างหยุดใช่ไหม?

ในการพิจารณาปัญหานี้แบบคลาสสิก ทุกอย่างจะหยุดที่ศูนย์สัมบูรณ์ แต่ในขณะนี้เองที่ใบหน้าอันเลวร้ายของกลศาสตร์ควอนตัมโผล่ออกมาจากมุมถนน คำทำนายอย่างหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัมที่ทำให้นักฟิสิกส์เสียเลือดไปหลายคนก็คือ คุณไม่สามารถวัดตำแหน่งหรือโมเมนตัมที่แน่นอนของอนุภาคได้อย่างแน่นอน สิ่งนี้เรียกว่าหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก

หากคุณสามารถทำให้ห้องที่ปิดสนิทเย็นลงจนเหลือศูนย์สัมบูรณ์ สิ่งแปลกๆ ก็จะเกิดขึ้น (จะมีรายละเอียดเพิ่มเติมในภายหลัง) ความกดอากาศจะลดลงจนเกือบเป็นศูนย์ และเนื่องจากความกดอากาศมักจะต้านแรงโน้มถ่วง อากาศจึงยุบตัวลงอย่างมาก ชั้นบางบนพื้น

แต่ถึงอย่างนั้น หากคุณสามารถวัดโมเลกุลแต่ละโมเลกุลได้ คุณจะพบสิ่งที่น่าสนใจ พวกมันสั่นสะเทือนและหมุน เป็นเพียงแค่ความไม่แน่นอนของควอนตัมเล็กๆ น้อยๆ ในที่ทำงาน เมื่อต้องการระบุจุด i: หากคุณวัดการหมุนของโมเลกุล คาร์บอนไดออกไซด์เมื่อถึงศูนย์สัมบูรณ์ คุณจะพบว่าอะตอมของออกซิเจนกำลังบินไปรอบๆ คาร์บอนด้วยความเร็วหลายกิโลเมตรต่อชั่วโมง ซึ่งเร็วกว่าที่คุณคิดไว้มาก

บทสนทนาถึงทางตัน เมื่อเราพูดถึงโลกควอนตัม การเคลื่อนไหวจะสูญเสียความหมายไป ที่ระดับเหล่านี้ ทุกสิ่งทุกอย่างถูกกำหนดโดยความไม่แน่นอน ดังนั้นไม่ใช่ว่าอนุภาคจะไม่เคลื่อนที่ แต่เป็นเพียงว่าคุณไม่สามารถวัดอนุภาคเหล่านั้นได้เหมือนกับว่ามันหยุดนิ่งเท่านั้น

คุณสามารถไปได้ต่ำแค่ไหน?

การแสวงหาศูนย์สัมบูรณ์ต้องเผชิญกับปัญหาเดียวกันกับการแสวงหาความเร็วแสง การจะไปถึงความเร็วแสงนั้นต้องใช้พลังงานจำนวนอนันต์ และการไปถึงศูนย์สัมบูรณ์นั้นจำเป็นต้องดึงความร้อนออกมาจำนวนอนันต์ กระบวนการทั้งสองนี้เป็นไปไม่ได้ หากมีสิ่งใดเกิดขึ้น

แม้ว่าเราจะยังไม่บรรลุถึงสถานะที่แท้จริงของศูนย์สัมบูรณ์ แต่เราอยู่ใกล้กับมันมาก (แม้ว่าในกรณีนี้ "มาก" จะเป็นแนวคิดที่หลวมมาก เหมือนเพลงกล่อมเด็ก: สอง, สาม, สี่, สี่ และ a ครึ่งหนึ่ง, สี่เส้น, สี่เท่าความกว้างผม, ห้า) มากที่สุด อุณหภูมิต่ำที่เคยบันทึกไว้บนโลก ถูกบันทึกไว้ในทวีปแอนตาร์กติกาเมื่อปี พ.ศ. 2526 ที่อุณหภูมิ -89.15 องศาเซลเซียส (184K)

แน่นอนว่าหากคุณต้องการคลายร้อนแบบเด็กๆ คุณต้องดำดิ่งลงสู่ห้วงอวกาศ ทั่วทั้งจักรวาลเต็มไปด้วยรังสีที่หลงเหลืออยู่ บิ๊กแบงในพื้นที่ว่างที่สุดของอวกาศ - 2.73 องศาเคลวิน ซึ่งเย็นกว่าอุณหภูมิของฮีเลียมเหลวที่เราพบบนโลกเมื่อศตวรรษก่อนเล็กน้อย

แต่นักฟิสิกส์อุณหภูมิต่ำกำลังใช้รังสีเยือกแข็งเพื่อยกระดับเทคโนโลยีขึ้นไปอีกระดับ ระดับใหม่- คุณอาจแปลกใจที่รู้ว่ารังสีเยือกแข็งมีรูปของเลเซอร์ แต่อย่างไร? เลเซอร์ควรจะเผาไหม้

ทุกอย่างเป็นจริง แต่เลเซอร์มีคุณสมบัติเดียว - ใคร ๆ ก็สามารถพูดได้ว่าสุดยอด: แสงทั้งหมดจะปล่อยออกมาที่ความถี่เดียว อะตอมที่เป็นกลางธรรมดาจะไม่โต้ตอบกับแสงเลย เว้นแต่จะมีการปรับความถี่อย่างแม่นยำ หากอะตอมบินเข้าหาแหล่งกำเนิดแสง แสงจะได้รับการเคลื่อนตัวของดอปเปลอร์และมีความถี่สูงขึ้น อะตอมดูดซับพลังงานโฟตอนน้อยกว่าที่ควรจะเป็น ดังนั้น หากคุณปรับเลเซอร์ให้ต่ำลง อะตอมที่เคลื่อนที่เร็วจะดูดซับแสง และโดยการปล่อยโฟตอนไปในทิศทางสุ่ม พวกมันก็จะสูญเสียพลังงานโดยเฉลี่ยเล็กน้อย หากคุณทำขั้นตอนนี้ซ้ำ คุณสามารถทำให้ก๊าซเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่น้อยกว่าหนึ่งนาโนเคลวิน หรือหนึ่งในพันล้านองศา

ทุกอย่างใช้น้ำเสียงสุดขั้วมากขึ้น สถิติโลกสำหรับอุณหภูมิต่ำสุดนั้นน้อยกว่าหนึ่งในสิบของพันล้านองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ อุปกรณ์ที่ดักจับอะตอมในสนามแม่เหล็กได้สำเร็จ “อุณหภูมิ” ไม่ได้ขึ้นอยู่กับอะตอมมากนัก แต่ขึ้นอยู่กับการหมุนของนิวเคลียสของอะตอมด้วย

ตอนนี้ เพื่อคืนความยุติธรรม เราต้องสร้างสรรค์สักหน่อย เมื่อเราจินตนาการถึงบางสิ่งที่แข็งตัวถึงหนึ่งในพันล้านองศา คุณอาจเห็นภาพโมเลกุลของอากาศที่แข็งตัวอยู่กับที่ เรายังสามารถจินตนาการถึงอุปกรณ์ทำลายล้างที่ทำลายล้างที่แช่แข็งด้านหลังของอะตอม

ท้ายที่สุดแล้ว หากคุณต้องการสัมผัสกับอุณหภูมิที่ต่ำจริงๆ สิ่งที่คุณต้องทำก็แค่รอ หลังจากผ่านไปประมาณ 17 พันล้านปี การแผ่รังสีพื้นหลังในจักรวาลจะเย็นลงเหลือ 1K อีก 95 พันล้านปี อุณหภูมิจะอยู่ที่ประมาณ 0.01K ในอีก 400 พันล้านปี ห้วงอวกาศจะเย็นเท่ากับการทดลองที่เย็นที่สุดในโลก และจะเย็นลงหลังจากนั้นด้วยซ้ำ

หากคุณสงสัยว่าเหตุใดจักรวาลจึงเย็นลงอย่างรวดเร็ว ขอบคุณเพื่อนเก่าของเรา: เอนโทรปีและพลังงานมืด จักรวาลอยู่ในโหมดเร่งความเร็ว เข้าสู่ยุคการเติบโตแบบทวีคูณที่จะดำเนินต่อไปตลอดกาล สิ่งต่างๆจะแข็งตัวเร็วมาก

เราสนใจอะไร?

แน่นอนว่าทั้งหมดนี้ยอดเยี่ยมมากและการทำลายสถิติก็ดีเช่นกัน แต่ประเด็นคืออะไร? มีตันอยู่นะ เหตุผลที่ดีเข้าใจถึงอุณหภูมิที่ต่ำ และไม่เพียงแต่เป็นผู้ชนะเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น คนดีๆ ที่ NIST อยากจะทำเช่นนั้น นาฬิกาเจ๋งๆ- มาตรฐานเวลาขึ้นอยู่กับสิ่งต่างๆ เช่น ความถี่ของอะตอมซีเซียม หากอะตอมของซีเซียมเคลื่อนที่มากเกินไป จะทำให้เกิดความไม่แน่นอนในการวัด ซึ่งจะทำให้นาฬิกาทำงานผิดปกติในที่สุด

แต่ที่สำคัญกว่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ วัสดุมีพฤติกรรมผิดปกติที่อุณหภูมิต่ำมาก ตัวอย่างเช่น เช่นเดียวกับเลเซอร์ที่ทำจากโฟตอนที่ซิงโครไนซ์ซึ่งกันและกันที่ความถี่และเฟสเดียวกัน ดังนั้นวัสดุที่เรียกว่าคอนเดนเสทโบส-ไอน์สไตน์จึงถูกสร้างขึ้นได้ ในนั้นอะตอมทั้งหมดจะอยู่ในสถานะเดียวกัน หรือลองนึกภาพอะมัลกัมที่อะตอมแต่ละอะตอมสูญเสียความเป็นเอกเทศไป และมวลทั้งหมดก็ทำปฏิกิริยาเป็นซุปเปอร์อะตอมว่างหนึ่งอะตอม

ที่อุณหภูมิต่ำมาก วัสดุหลายชนิดจะกลายเป็นของเหลวยิ่งยวด ซึ่งหมายความว่าพวกมันไม่มีความหนืดเลย ซ้อนกันเป็นชั้นบางเฉียบ และแม้แต่ท้าทายแรงโน้มถ่วงเพื่อให้ได้พลังงานน้อยที่สุด นอกจากนี้ ที่อุณหภูมิต่ำ วัสดุหลายชนิดจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งหมายความว่าไม่มีความต้านทานไฟฟ้า

ตัวนำยิ่งยวดสามารถตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอกในลักษณะที่จะหักล้างพวกมันภายในโลหะได้อย่างสมบูรณ์ เป็นผลให้คุณสามารถรวมอุณหภูมิเย็นและแม่เหล็กเข้าด้วยกันและได้สิ่งที่คล้ายการลอยตัว

เหตุใดจึงมีศูนย์สัมบูรณ์ แต่ไม่ใช่ค่าสูงสุดสัมบูรณ์?

มาดูสุดขั้วอีกด้านกัน หากอุณหภูมิเป็นเพียงการวัดพลังงาน เราก็สามารถจินตนาการว่าอะตอมเข้าใกล้ความเร็วแสงมากขึ้นเรื่อยๆ สิ่งนี้ไม่สามารถดำเนินต่อไปได้ตลอดไปใช่ไหม?

คำตอบสั้นๆ คือ: เราไม่รู้ อาจเป็นไปได้ว่าจริงๆ แล้วมีอุณหภูมิที่ไม่มีที่สิ้นสุด แต่หากมีขีดจำกัดสัมบูรณ์ จักรวาลอายุน้อยก็ให้เบาะแสที่น่าสนใจบางอย่างว่ามันคืออะไร อุณหภูมิสูงสุดที่เคยรู้จัก (อย่างน้อยในจักรวาลของเรา) อาจเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่เรียกว่าเวลาของพลังค์

มันเป็นช่วงเวลา 10^-43 วินาทีหลังจากบิ๊กแบง เมื่อแรงโน้มถ่วงแยกออกจากกลศาสตร์ควอนตัมและฟิสิกส์กลายเป็นอย่างที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน อุณหภูมิในขณะนั้นอยู่ที่ประมาณ 10^32 เคลวิน ซึ่งร้อนกว่าภายในดวงอาทิตย์ของเราถึงล้านล้านเท่า

ขอย้ำอีกครั้งว่าเราไม่แน่ใจเลยว่าอุณหภูมินี้จะร้อนที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้หรือไม่ เนื่องจากเราไม่มีแบบจำลองจักรวาลขนาดใหญ่ในสมัยของพลังค์ เราจึงไม่แน่ใจด้วยซ้ำว่าจักรวาลจะอยู่ในสภาพเช่นนี้ ไม่ว่าในกรณีใด เราเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์มากกว่าความร้อนสัมบูรณ์หลายเท่า

เมื่อรายงานสภาพอากาศคาดการณ์ว่าอุณหภูมิใกล้ศูนย์ คุณไม่ควรไปลานสเก็ต เพราะน้ำแข็งจะละลาย อุณหภูมิหลอมละลายของน้ำแข็งอยู่ที่ 0 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นระดับอุณหภูมิที่พบบ่อยที่สุด
เราคุ้นเคยกับค่าลบองศาเซลเซียสสเกล-องศาเซลเซียส<ниже нуля>, องศาความเย็น. อุณหภูมิต่ำสุดบนโลกบันทึกไว้ในทวีปแอนตาร์กติกา: -88.3°C อุณหภูมิที่ต่ำกว่านั้นก็เป็นไปได้นอกโลก บนพื้นผิวดวงจันทร์ในเวลาเที่ยงคืนของดวงจันทร์ อุณหภูมิอาจสูงถึง -160°C
แต่อุณหภูมิที่ต่ำโดยพลการไม่สามารถมีได้ทุกที่
อุณหภูมิที่ต่ำมาก - ศูนย์สัมบูรณ์ - ในระดับเซลเซียสสอดคล้องกับ - 273.16°
ระดับอุณหภูมิสัมบูรณ์หรือระดับเคลวินมีต้นกำเนิดจากศูนย์สัมบูรณ์ น้ำแข็งละลายที่ 273.16° เคลวิน และน้ำเดือดที่ 373.16° K ดังนั้น องศา K เท่ากับ องศา C แต่ในระดับเคลวิน อุณหภูมิทั้งหมดจะเป็นค่าบวก
ทำไม 0°K ถึงเป็นขีดจำกัดความเย็น? ความร้อนคือการเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายของอะตอมและโมเลกุลของสาร เมื่อสารเย็นลงก็จะถูกดึงออกไปพลังงานความร้อน<пляска>และในขณะเดียวกันการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคก็อ่อนลง ในที่สุดก็มีความเย็นจัดความร้อน

อนุภาคจะหยุดเกือบสมบูรณ์ อะตอมและโมเลกุลจะแข็งตัวอย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูมิซึ่งถือเป็นศูนย์สัมบูรณ์<идти медленнее, чем стоять на месте>.

ตามหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม ที่ศูนย์สัมบูรณ์ การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคจะหยุดลง แต่ตัวอนุภาคเองจะไม่แข็งตัว เนื่องจากพวกมันไม่สามารถอยู่นิ่งสนิทได้ ดังนั้น ที่ศูนย์สัมบูรณ์ อนุภาคจะต้องคงการเคลื่อนที่บางประเภทไว้ ซึ่งเรียกว่าการเคลื่อนที่เป็นศูนย์
อย่างไรก็ตาม การทำให้สารเย็นลงที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์สัมบูรณ์ถือเป็นแนวคิดที่ไม่มีความหมายเท่ากับความตั้งใจ
ยิ่งกว่านั้น แม้แต่การบรรลุศูนย์สัมบูรณ์ที่แน่นอนก็แทบจะเป็นไปไม่ได้เลย คุณสามารถใกล้ชิดกับเขามากขึ้นเท่านั้น เพราะไม่มีทางที่คุณจะสามารถดึงพลังงานความร้อนทั้งหมดออกจากสสารได้อย่างแน่นอน พลังงานความร้อนบางส่วนยังคงอยู่ที่การทำความเย็นที่ลึกที่สุด
ในตู้เย็นในครัวเรือนและอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ความร้อนจะถูกกำจัดออกไปเนื่องจากการระเหยของของเหลวพิเศษ - ฟรีออนซึ่งไหลเวียนผ่านท่อโลหะ ความลับก็คือฟรีออนสามารถคงอยู่ในสถานะของเหลวได้ที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอเท่านั้น ในช่องตู้เย็นเนื่องจากความร้อนของห้อง มันจึงร้อนขึ้นและเดือดจนกลายเป็นไอน้ำ แต่ไอน้ำจะถูกบีบอัดโดยคอมเพรสเซอร์ ทำให้กลายเป็นของเหลวและเข้าสู่เครื่องระเหย เพื่อเติมเต็มการสูญเสียฟรีออนที่ระเหยไป พลังงานถูกใช้ไปเพื่อใช้งานคอมเพรสเซอร์
ในอุปกรณ์ทำความเย็นแบบลึก ตัวพาความเย็นนั้นเป็นของเหลวที่มีความเย็นเป็นพิเศษ - ฮีเลียมเหลว ไม่มีสี สว่าง (เบากว่าน้ำ 8 เท่า) เดือดภายใต้ความดันบรรยากาศที่ 4.2°K และในสุญญากาศที่อุณหภูมิ 0.7°K ไอโซโทปฮีเลียมแสงจะได้อุณหภูมิที่ต่ำกว่านี้: 0.3°K
การตั้งตู้เย็นฮีเลียมถาวรนั้นค่อนข้างยาก
การวิจัยดำเนินการง่ายๆ ในอ่างที่มีฮีเลียมเหลว และในการทำให้ก๊าซนี้กลายเป็นของเหลว นักฟิสิกส์ใช้เทคนิคที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น พวกมันจะขยายฮีเลียมที่ระบายความร้อนล่วงหน้าและฮีเลียมอัด โดยปล่อยฮีเลียมผ่านรูบาง ๆ เข้าไปในห้องสุญญากาศ ในเวลาเดียวกัน อุณหภูมิจะลดลงอีก และก๊าซบางส่วนก็กลายเป็นของเหลว มันมีประสิทธิภาพมากกว่าไม่เพียง แต่จะขยายก๊าซเย็นเท่านั้น แต่ยังบังคับให้มันทำงานด้วย - ขยับลูกสูบ
ฮีเลียมเหลวที่เกิดขึ้นจะถูกเก็บไว้ในกระติกน้ำร้อนพิเศษ - ขวด Dewar

ราคาของของเหลวที่เย็นมากนี้ (ของเหลวเดียวที่ไม่แข็งตัวที่ศูนย์สัมบูรณ์) กลายเป็นว่าค่อนข้างสูง อย่างไรก็ตาม ฮีเลียมเหลวมีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ ในทุกวันนี้ ไม่เพียงแต่ในด้านวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงในอุปกรณ์ทางเทคนิคต่างๆ ด้วย
อุณหภูมิต่ำสุดทำได้ในลักษณะที่แตกต่างออกไป ปรากฎว่าโมเลกุลของเกลือบางชนิด เช่น โพแทสเซียมโครเมียมสารส้ม สามารถหมุนไปตามเส้นแรงแม่เหล็กได้ เกลือนี้ถูกทำให้เย็นลงล่วงหน้าด้วยฮีเลียมเหลวจนถึง 1°K และวางไว้ในสนามแม่เหล็กแรงสูง ในกรณีนี้ โมเลกุลจะหมุนไปตามเส้นแรง และความร้อนที่ปล่อยออกมาจะถูกนำออกไปโดยฮีเลียมเหลว จากนั้นสนามแม่เหล็กจะถูกลบออกอย่างกะทันหัน โมเลกุลจะหมุนไปในทิศทางที่ต่างกันอีกครั้ง และถูกใช้จ่ายออกไป

งานนี้นำไปสู่การทำให้เกลือเย็นลงอีก นี่คือวิธีที่เราได้อุณหภูมิ 0.001° K หากใช้วิธีที่คล้ายกันในหลักการ โดยใช้สารอื่นๆ เราจะได้อุณหภูมิที่ต่ำลงอีก

สารที่ถูกแช่แข็งจนถึงอุณหภูมิต่ำมากในอ่างฮีเลียมเหลวจะเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัด ยางจะเปราะ ตะกั่วจะแข็งเหมือนเหล็กและยืดหยุ่น โลหะผสมหลายชนิดเพิ่มความแข็งแรง

ฮีเลียมเหลวนั้นมีพฤติกรรมแปลกประหลาด ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 2.2° K จะได้คุณสมบัติที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับของเหลวธรรมดา - สภาพของเหลวยิ่งยวด: บางส่วนสูญเสียความหนืดไปโดยสิ้นเชิงและไหลผ่านรอยแตกที่แคบที่สุดโดยไม่มีการเสียดสี
ปรากฏการณ์นี้ถูกค้นพบในปี 1937 โดย P. JI นักวิชาการฟิสิกส์ชาวโซเวียต
กะปิตสาจึงได้รับการอธิบายโดยนักวิชาการเจไอ ดี. แลนเดา.
ปรากฎว่าที่อุณหภูมิต่ำมาก กฎควอนตัมของพฤติกรรมของสสารเริ่มมีผลที่เห็นได้ชัดเจน ตามที่กฎหมายข้อใดข้อหนึ่งกำหนดไว้ พลังงานสามารถถ่ายโอนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายได้เฉพาะในส่วนที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนเท่านั้น นั่นก็คือควอนตัม ควอนตัมความร้อนในฮีเลียมเหลวมีน้อยมากจนไม่เพียงพอสำหรับอะตอมทั้งหมด ส่วนของของเหลวที่ปราศจากควอนตัมความร้อนจะคงอยู่ราวกับอุณหภูมิเป็นศูนย์สัมบูรณ์ อะตอมของมันไม่มีส่วนร่วมในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนแบบสุ่มเลยและไม่มีปฏิกิริยาใด ๆ กับผนังของภาชนะ ส่วนนี้ (เรียกว่าฮีเลียม-H) มีความไหลยิ่งยวด เมื่ออุณหภูมิลดลง ฮีเลียม-P จะมีมากขึ้นเรื่อยๆ และเมื่อถึงศูนย์สัมบูรณ์ ฮีเลียมทั้งหมดจะกลายเป็นฮีเลียม-H ปัจจุบัน สารไหลยิ่งยวดได้รับการศึกษาอย่างละเอียดและยังพบว่ามีประโยชน์อีกด้วยการประยุกต์ใช้จริง

: ด้วยความช่วยเหลือทำให้สามารถแยกไอโซโทปฮีเลียมได้

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด
ใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ การเปลี่ยนแปลงที่น่าสนใจอย่างมากเกิดขึ้นในคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุบางชนิด ในปี 1911 Kamerlingh Onnes นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ได้ค้นพบโดยไม่คาดคิด: ปรากฎว่าที่อุณหภูมิ 4.12 ° K ปรอทจะหายไปอย่างสมบูรณ์ความต้านทานไฟฟ้า
- ดาวพุธกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด<гроб Магомета>กระแสไฟฟ้าที่ถูกเหนี่ยวนำในวงแหวนตัวนำยิ่งยวดจะไม่ตายและสามารถไหลได้เกือบตลอดไป
เหนือวงแหวนดังกล่าว ลูกบอลตัวนำยิ่งยวดจะลอยอยู่ในอากาศและไม่ตกเหมือนในเทพนิยาย
อุณหภูมิที่ตัวนำยิ่งยวดปรากฏ (อุณหภูมิวิกฤติ) ครอบคลุมช่วงค่อนข้างกว้าง - ตั้งแต่ 0.35° K (แฮฟเนียม) ถึง 18° K (โลหะผสมไนโอเบียม-ดีบุก)
ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวด เช่น ซุปเปอร์-
มีการศึกษาความลื่นไหลอย่างละเอียด พบการพึ่งพาอุณหภูมิวิกฤตต่อโครงสร้างภายในของวัสดุและสนามแม่เหล็กภายนอก
ทฤษฎีเชิงลึกเกี่ยวกับความเป็นตัวนำยิ่งยวดได้รับการพัฒนา (การสนับสนุนที่สำคัญเกิดขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียต N. N. Bogolyubov)

สาระสำคัญของปรากฏการณ์ที่ขัดแย้งกันนี้คือควอนตัมล้วนๆ ที่อุณหภูมิต่ำมาก อิเล็กตรอนจะเข้ามา<танцуя>ตัวนำยิ่งยวดก่อตัวเป็นระบบของอนุภาคที่ถูกจับกันเป็นคู่ซึ่งไม่สามารถให้พลังงานแก่โครงตาข่ายคริสตัลหรือพลังงานควอนตัมที่สิ้นเปลืองไปเมื่อให้ความร้อน อิเล็กตรอนคู่เคลื่อนที่ราวกับว่า<прутьями решетки>, ระหว่าง
- ไอออนและบายพาสพวกมันโดยไม่เกิดการชนและการถ่ายโอนพลังงาน
การนำยิ่งยวดถูกนำมาใช้มากขึ้นในเทคโนโลยี
ตัวอย่างเช่นในทางปฏิบัติมีการใช้โซลินอยด์ตัวนำยิ่งยวด - ขดลวดของตัวนำยิ่งยวดที่แช่อยู่ในฮีเลียมเหลว เมื่อกระแสเหนี่ยวนำและเป็นผลให้สนามแม่เหล็กสามารถเก็บไว้ในนั้นได้นานเท่าที่ต้องการ<шумы>มันมีขนาดมหึมา - มากกว่า 100,000 ตัว ในอนาคตอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวดทางอุตสาหกรรมที่ทรงพลังจะปรากฏขึ้นอย่างไม่ต้องสงสัย - มอเตอร์ไฟฟ้าแม่เหล็กไฟฟ้า ฯลฯ<Пути электроники>).
ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางวิทยุ แอมพลิฟายเออร์ที่มีความไวเป็นพิเศษและเครื่องกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งทำงานได้ดีเป็นพิเศษในอ่างที่มีฮีเลียมเหลวเริ่มมีบทบาทสำคัญ - ภายในนั้น อุปกรณ์. ในเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ อนาคตอันสดใสได้รับการสัญญาไว้สำหรับสวิตช์ตัวนำยิ่งยวดที่ใช้พลังงานต่ำ - ไครโอตรอน (ดูข้อ 13)ไม่ใช่เรื่องยากเลยที่จะจินตนาการว่าการเลื่อนการทำงานของอุปกรณ์ดังกล่าวไปสู่บริเวณที่มีอุณหภูมิสูงกว่าและเข้าถึงได้มากขึ้นนั้นน่าดึงดูดเพียงใด ใน เมื่อเร็วๆ นี้ความหวังในการสร้างตัวนำยิ่งยวดของฟิล์มโพลีเมอร์เปิดขึ้น ธรรมชาติที่แปลกประหลาดของการนำไฟฟ้าในวัสดุดังกล่าวถือเป็นโอกาสอันยอดเยี่ยมในการรักษาความเป็นตัวนำยิ่งยวดแม้ที่

อุณหภูมิห้อง

- นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาวิธีที่จะบรรลุความหวังนี้อย่างต่อเนื่อง
ในส่วนลึกของดวงดาว
สารที่มีความร้อนมากไม่สามารถเป็นได้ทั้งของแข็ง ของเหลว และก๊าซ อยู่ในสถานะพลาสมา กล่าวคือ เป็นส่วนผสมของประจุไฟฟ้า<осколков>อะตอม - นิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอน
พลาสมาเป็นสถานะของสสารที่มีลักษณะเฉพาะ เนื่องจากอนุภาคมีประจุไฟฟ้า จึงมีความไวต่อแรงไฟฟ้าและแม่เหล็ก ดังนั้นความใกล้ชิดของนิวเคลียสของอะตอมสองตัว (พวกมันมีประจุบวก) จึงเป็นปรากฏการณ์ที่หาได้ยาก เฉพาะที่ความหนาแน่นสูงและอุณหภูมิสูงเท่านั้นที่นิวเคลียสของอะตอมจะชนกันจึงสามารถเข้ามาใกล้กันได้ จากนั้นปฏิกิริยาแสนสาหัสก็เกิดขึ้นซึ่งเป็นแหล่งพลังงานสำหรับดวงดาว
ดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เรามากที่สุดคือดวงอาทิตย์ประกอบด้วยไฮโดรเจนพลาสมาเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งถูกให้ความร้อนในลำไส้ของดาวฤกษ์ถึง 10 ล้านองศา ภายใต้สภาวะดังกล่าว จะเกิดการเผชิญหน้ากันอย่างใกล้ชิดของนิวเคลียสไฮโดรเจน - โปรตอนที่รวดเร็ว แม้ว่าจะพบได้ยากก็ตาม บางครั้งโปรตอนที่เข้ามาใกล้จะมีปฏิกิริยาโต้ตอบ: เมื่อเอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้า พวกมันจะตกอยู่ในพลังของแรงดึงดูดนิวเคลียร์ขนาดยักษ์อย่างรวดเร็ว<падают>ซ้อนทับกันและรวมเข้าด้วยกัน ที่นี่การปรับโครงสร้างใหม่เกิดขึ้นทันที: แทนที่จะเป็นโปรตอนสองตัว ดิวเทอรอน (นิวเคลียสของไอโซโทปไฮโดรเจนหนัก) ปรากฏขึ้น โพซิตรอนและนิวตริโน พลังงานที่ปล่อยออกมาคือ 0.46 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV)
โปรตอนสุริยะแต่ละตัวสามารถเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวได้โดยเฉลี่ยทุกๆ 14 พันล้านปี แต่มีโปรตอนจำนวนมากในลำไส้ของแสง เหตุการณ์ที่ไม่น่าเป็นไปได้นี้เกิดขึ้นที่นี่และที่นั่น และดาวของเราก็เผาไหม้ด้วยเปลวไฟที่สุกใสสม่ำเสมอ
การสังเคราะห์ดิวเทอรอนเป็นเพียงก้าวแรกของการเปลี่ยนแปลงแสนสาหัสจากแสงอาทิตย์
ดิวเทอรอนแรกเกิดเร็วๆ นี้ (โดยเฉลี่ยหลังจากผ่านไป 5.7 วินาที) จะรวมตัวกับโปรตอนอีกตัวหนึ่ง นิวเคลียสฮีเลียมแสงและควอนตัมแกมมาของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าปรากฏขึ้น ปล่อยพลังงานออกมา 5.48 MeV
ในที่สุด โดยเฉลี่ยทุกๆ ล้านปี นิวเคลียสฮีเลียมเบา 2 นิวเคลียสสามารถมาบรรจบกันและรวมกันได้ จากนั้นนิวเคลียสของฮีเลียมธรรมดา (อนุภาคอัลฟา) จะถูกสร้างขึ้น และโปรตอนสองตัวจะถูกแยกออก ปล่อยพลังงานออกมา 12.85 MeV<конвейер>สามขั้นตอนนี้<сгорает>ปฏิกิริยาแสนสาหัสไม่ได้เป็นเพียงปฏิกิริยาเดียวเท่านั้น<золу>มีการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์อีกสายหนึ่งซึ่งเร็วกว่า นิวเคลียสอะตอมของคาร์บอนและไนโตรเจนมีส่วนร่วม (โดยไม่ต้องบริโภค) แต่ในทั้งสองทางเลือก อนุภาคอัลฟาถูกสังเคราะห์จากนิวเคลียสของไฮโดรเจน หากพูดเป็นรูปเป็นร่าง พลาสมาไฮโดรเจนของดวงอาทิตย์
ทุก ๆ วินาที ดวงอาทิตย์ปล่อยพลังงานออกมา 4,1,033 เอิร์ก โดยสูญเสียน้ำหนักสสารไป 4,1,012 กรัม (4 ล้านตัน) แต่มวลรวมของดวงอาทิตย์คือ 2,1027 ตัน ซึ่งหมายความว่าในอีกล้านปีข้างหน้า ต้องขอบคุณรังสี<худеет>เพียงหนึ่งในสิบล้านของมวลเท่านั้น ตัวเลขเหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงประสิทธิผลของปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์และค่าความร้อนมหาศาลของพลังงานแสงอาทิตย์<горючего>- ไฮโดรเจน
เห็นได้ชัดว่าฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์เป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับดาวฤกษ์ทุกดวง<зола>ที่อุณหภูมิและความหนาแน่นภายในดาวฤกษ์ต่างกัน ปฏิกิริยาประเภทต่างๆ จะเกิดขึ้น โดยเฉพาะแสงอาทิตย์<горючим>-ฮีเลียมนิวเคลียส - ที่ 100 ล้านองศา ตัวมันเองจะกลายเป็นเทอร์โมนิวเคลียร์
- จากนั้นแม้แต่นิวเคลียสของอะตอมที่หนักกว่า เช่น คาร์บอนและแม้แต่ออกซิเจน ก็สามารถสังเคราะห์ได้จากอนุภาคแอลฟาได้<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

ตามที่นักวิทยาศาสตร์หลายคนกล่าวว่า Metagalaxy ทั้งหมดของเราโดยรวมนั้นเป็นผลจากการหลอมนิวเคลียร์แสนสาหัสซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิหนึ่งพันล้านองศา (ดูข้อ.

มุ่งหน้าสู่ดวงอาทิตย์เทียม<горючего>ค่าความร้อนพิเศษของเทอร์โมนิวเคลียร์
<Горючего>กระตุ้นให้นักวิทยาศาสตร์บรรลุการนำปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไปใช้จริง
- มีไอโซโทปไฮโดรเจนมากมายบนโลกของเรา ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนทริเทียมที่มีมวลยิ่งยวดสามารถผลิตได้จากโลหะลิเธียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และไฮโดรเจนหนัก-ดิวเทอเรียมก็เป็นส่วนหนึ่งของน้ำหนักซึ่งสามารถสกัดได้จากน้ำธรรมดา
ไฮโดรเจนหนักที่สกัดจากน้ำธรรมดาสองแก้วจะให้พลังงานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แสนสาหัสได้มากเท่ากับที่ผลิตได้จากการเผาไหม้น้ำมันเบนซินคุณภาพเยี่ยมหนึ่งถัง<горючее>ความยากคือการอุ่นเครื่อง
จนถึงอุณหภูมิที่สามารถจุดติดไฟได้ด้วยไฟแสนสาหัสอันทรงพลัง ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขครั้งแรกในระเบิดไฮโดรเจน ไอโซโทปไฮโดรเจนที่นั่นจุดติดไฟจากการระเบิดระเบิดปรมาณู<воспламеняясь>ซึ่งมาพร้อมกับการให้ความร้อนแก่สารถึงหลายสิบล้านองศา ในระเบิดไฮโดรเจนรุ่นหนึ่ง เชื้อเพลิงแสนสาหัสเป็นสารประกอบทางเคมีของไฮโดรเจนหนักที่มีลิเธียมดิวเทอไรด์เบา - ลิเธียมดิวเทอไรด์เบา ผงสีขาวนี้คล้ายกับเกลือแกง<спички>จาก
ซึ่งเป็นระเบิดปรมาณูระเบิดทันทีและสร้างอุณหภูมิหลายร้อยล้านองศา
เราได้กล่าวไปแล้วว่าเป็นการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่วุ่นวายซึ่งสร้างความร้อนให้กับร่างกายและพลังงานเฉลี่ยของการเคลื่อนที่แบบสุ่มนั้นสอดคล้องกับอุณหภูมิ การอุ่นร่างกายให้เย็นหมายถึงการสร้างความผิดปกตินี้ในทางใดทางหนึ่ง
ลองนึกภาพนักวิ่งสองกลุ่มวิ่งเข้าหากัน ดังนั้นพวกเขาจึงปะทะกัน ปะปนกัน ความหลงใหลและความสับสนเริ่มขึ้น
วุ่นวายมาก! ในทำนองเดียวกัน ในตอนแรกนักฟิสิกส์พยายามที่จะได้รับอุณหภูมิสูงโดยการชนกับไอพ่นก๊าซแรงดันสูง
- ก๊าซร้อนถึง 10,000 องศา ครั้งหนึ่งสิ่งนี้เป็นบันทึก: อุณหภูมิสูงกว่าบนพื้นผิวดวงอาทิตย์
แต่ด้วยวิธีนี้ การให้ความร้อนของก๊าซโดยไม่ระเบิดค่อนข้างช้าและไม่ระเบิดนั้นเป็นไปไม่ได้ เนื่องจากความผิดปกติของความร้อนจะแพร่กระจายไปทุกทิศทางในทันที ทำให้ผนังของห้องทดลองและสิ่งแวดล้อมอุ่นขึ้น ความร้อนที่เกิดขึ้นจะออกจากระบบอย่างรวดเร็วและไม่สามารถแยกออกจากระบบได้
หากไอพ่นก๊าซถูกแทนที่ด้วยกระแสพลาสมา ปัญหาของฉนวนกันความร้อนยังคงยากมาก แต่ก็มีความหวังในการแก้ปัญหาเช่นกัน
จริงอยู่ที่พลาสมาไม่สามารถป้องกันการสูญเสียความร้อนได้ด้วยภาชนะที่ทำจากแม้แต่สารที่ทนไฟได้มากที่สุด เมื่อสัมผัสกับผนังทึบ พลาสมาร้อนจะเย็นลงทันที แต่คุณสามารถลองจับและให้ความร้อนพลาสมาได้โดยสร้างการสะสมในสุญญากาศเพื่อไม่ให้สัมผัสกับผนังห้อง แต่แขวนอยู่ในความว่างเปล่าโดยไม่สัมผัสอะไรเลย ในที่นี้เราควรใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าอนุภาคพลาสมาไม่เป็นกลางเหมือนอะตอมของก๊าซ แต่มีประจุไฟฟ้า ดังนั้นเมื่อเคลื่อนที่จึงสัมผัสกับแรงแม่เหล็ก ภารกิจเกิดขึ้น: สร้างสนามแม่เหล็กที่มีโครงสร้างพิเศษซึ่งพลาสมาร้อนจะแขวนราวกับอยู่ในถุงที่มีผนังที่มองไม่เห็นแบบฟอร์มที่ง่ายที่สุด พลังงานประเภทนี้ถูกสร้างขึ้นโดยอัตโนมัติเมื่อมีการส่งพัลส์ที่แรงผ่านพลาสมากระแสไฟฟ้า
- ในกรณีนี้ แรงแม่เหล็กจะเกิดขึ้นรอบๆ สายพลาสมา ซึ่งมีแนวโน้มที่จะบีบอัดสาย
การทดลองอีกประการหนึ่งคือการใช้ขวดแม่เหล็กที่เสนอในปี 1952 โดยนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต G.I. Budker ซึ่งปัจจุบันเป็นนักวิชาการ ขวดแม่เหล็กวางอยู่ในห้องไม้ก๊อก - ห้องสุญญากาศทรงกระบอกซึ่งมีขดลวดภายนอกซึ่งควบแน่นที่ปลายห้อง กระแสที่ไหลผ่านขดลวดจะสร้างสนามแม่เหล็กในห้อง เส้นสนามที่อยู่ตรงกลางนั้นขนานกับกำเนิดของกระบอกสูบ และที่ส่วนท้ายจะถูกบีบอัดและสร้างปลั๊กแม่เหล็ก อนุภาคพลาสมาที่ถูกฉีดเข้าไปในขวดแม่เหล็กจะขดตัวอยู่รอบๆ เส้นสนามและสะท้อนจากปลั๊ก เป็นผลให้พลาสมายังคงอยู่ในขวดเป็นระยะเวลาหนึ่ง หากพลังงานของอนุภาคพลาสมาที่ใส่เข้าไปในขวดสูงเพียงพอและมีเพียงพอ พวกมันจะเข้าสู่ปฏิกิริยาของแรงที่ซับซ้อน การเคลื่อนไหวที่ได้รับคำสั่งในตอนแรกจะสับสน กลายเป็นไม่เป็นระเบียบ - อุณหภูมิของนิวเคลียสของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นเป็นสิบล้าน องศา
ความร้อนเพิ่มเติมทำได้โดยแม่เหล็กไฟฟ้า<ударами>โดยพลาสมา การบีบอัดสนามแม่เหล็ก ฯลฯ ขณะนี้พลาสมาของนิวเคลียสไฮโดรเจนหนักได้รับความร้อนถึงหลายร้อยล้านองศา จริงอยู่สามารถทำได้โดย เวลาอันสั้นหรือที่ความหนาแน่นของพลาสมาต่ำ
เพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยายั่งยืนในตัวเอง อุณหภูมิและความหนาแน่นของพลาสมาจะต้องเพิ่มขึ้นอีก นี่เป็นเรื่องยากที่จะบรรลุผล อย่างไรก็ตาม ดังที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าปัญหานั้นสามารถแก้ไขได้อย่างไม่ต้องสงสัย

จี.บี. อันฟิลอฟ

อนุญาตให้โพสต์รูปถ่ายและอ้างอิงบทความจากเว็บไซต์ของเราไปยังแหล่งข้อมูลอื่นได้ โดยมีเงื่อนไขว่าต้องระบุลิงก์ไปยังแหล่งที่มาและรูปถ่าย

ศูนย์สัมบูรณ์ (ศูนย์สัมบูรณ์) - จุดเริ่มต้นของอุณหภูมิสัมบูรณ์เริ่มต้นจาก 273.16 K ต่ำกว่าจุดสามจุดของน้ำ (จุดสมดุลของสามเฟส - น้ำแข็ง, น้ำและไอน้ำ) ที่ศูนย์สัมบูรณ์ การเคลื่อนที่ของโมเลกุลจะหยุดลง และพวกมันจะอยู่ในสถานะการเคลื่อนที่ "ศูนย์" หรือ: อุณหภูมิต่ำสุดที่สารไม่มีพลังงานความร้อน

ศูนย์สัมบูรณ์ เริ่มการอ่านอุณหภูมิสัมบูรณ์ สอดคล้องกับ –273.16 °C ปัจจุบัน ในห้องปฏิบัติการทางกายภาพ อุณหภูมิที่เกินศูนย์สัมบูรณ์เป็นไปได้เพียงไม่กี่ในล้านองศาเท่านั้น แต่ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ เป็นไปไม่ได้เลยที่จะบรรลุผลดังกล่าว ที่ศูนย์สัมบูรณ์ ระบบจะอยู่ในสถานะที่มีพลังงานต่ำที่สุดที่เป็นไปได้ (ในสถานะนี้ อะตอมและโมเลกุลจะทำการสั่นสะเทือน "ศูนย์") และจะมีเอนโทรปีเป็นศูนย์ (ศูนย์ ความผิดปกติ- ปริมาตรของก๊าซในอุดมคติ ณ จุดศูนย์สัมบูรณ์จะต้องเท่ากับศูนย์ และเพื่อกำหนดจุดนี้ ปริมาตรของก๊าซฮีเลียมจริงจะถูกวัดที่ ตามลำดับลดอุณหภูมิลงจนกลายเป็นของเหลวที่ความดันต่ำ (-268.9 ° C) และคาดการณ์อุณหภูมิที่ปริมาตรของก๊าซในกรณีที่ไม่มีการทำให้กลายเป็นของเหลวจะเปลี่ยนเป็นศูนย์ อุณหภูมิสัมบูรณ์ อุณหพลศาสตร์สเกลวัดเป็นเคลวิน ซึ่งแสดงด้วยสัญลักษณ์ K แน่นอน อุณหพลศาสตร์สเกลและสเกลเซลเซียสนั้นถูกหักล้างจากกันและสัมพันธ์กันด้วยอัตราส่วน K = °C + 273.16 °

เรื่องราว

คำว่า "อุณหภูมิ" เกิดขึ้นในสมัยนั้นเมื่อผู้คนเชื่อว่าวัตถุที่ได้รับความร้อนมากกว่าจะมีสารพิเศษ - แคลอรี่ - ในปริมาณที่มากกว่าวัตถุที่ได้รับความร้อนน้อยกว่า ดังนั้นอุณหภูมิจึงถูกมองว่าเป็นความแข็งแกร่งของส่วนผสมของสสารในร่างกายและแคลอรี่ ด้วยเหตุนี้หน่วยวัดความแรงของเครื่องดื่มแอลกอฮอล์และอุณหภูมิจึงเรียกว่าองศาเดียวกัน

เนื่องจากอุณหภูมิเป็นพลังงานจลน์ของโมเลกุล จึงชัดเจนว่าเป็นเรื่องปกติที่จะวัดค่าดังกล่าวในหน่วยพลังงาน (เช่น ในระบบ SI เป็นจูล) อย่างไรก็ตาม การวัดอุณหภูมิเริ่มต้นมานานก่อนที่จะมีการสร้างทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล ดังนั้นมาตราส่วนเชิงปฏิบัติจึงวัดอุณหภูมิในหน่วยทั่วไป นั่นคือ องศา

สเกลเคลวิน

อุณหพลศาสตร์ใช้มาตราส่วนเคลวิน ซึ่งวัดอุณหภูมิจากศูนย์สัมบูรณ์ (สถานะที่สอดคล้องกับพลังงานภายในร่างกายขั้นต่ำที่เป็นไปได้ตามทฤษฎี) และหนึ่งเคลวินเท่ากับ 1/273.16 ของระยะทางจากศูนย์สัมบูรณ์ถึงจุดสามจุดของ น้ำ (สถานะที่น้ำแข็ง น้ำ และน้ำอยู่ในภาวะสมดุล) ค่าคงที่ของ Boltzmann ใช้ในการแปลงเคลวินเป็นหน่วยพลังงาน หน่วยที่ได้รับยังใช้: กิโลเคลวิน, เมกะเคลวิน, มิลลิเคลวิน ฯลฯ

เซลเซียส

ในชีวิตประจำวัน มีการใช้สเกลเซลเซียส โดยกำหนดจุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 0 และจุดเดือดของน้ำเป็น 100° ความดันบรรยากาศ- เนื่องจากจุดเยือกแข็งและจุดเดือดของน้ำไม่ได้ถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจน มาตราส่วนเซลเซียสจึงถูกกำหนดโดยใช้มาตราส่วนเคลวิน: องศาเซลเซียสเท่ากับเคลวิน ค่าศูนย์สัมบูรณ์จึงอยู่ที่ −273.15 °C ระดับเซลเซียสนั้นสะดวกมากจริง ๆ เพราะมีน้ำอยู่ทั่วไปบนโลกของเราและชีวิตของเราก็ขึ้นอยู่กับน้ำนั้น ศูนย์เซลเซียสเป็นจุดพิเศษสำหรับอุตุนิยมวิทยา เนื่องจากการเยือกแข็งของน้ำในชั้นบรรยากาศทำให้ทุกอย่างเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก

ฟาเรนไฮต์

ในอังกฤษและโดยเฉพาะในสหรัฐอเมริกา จะใช้มาตราส่วนฟาเรนไฮต์ ในระดับนี้ ระยะห่างจากอุณหภูมิจะแบ่งออกเป็น 100 องศา ฤดูหนาวที่หนาวเย็นในเมืองที่ฟาเรนไฮต์อาศัยอยู่ จนถึงอุณหภูมิของร่างกายมนุษย์ ศูนย์องศาเซลเซียสคือ 32 องศาฟาเรนไฮต์ และองศาฟาเรนไฮต์คือ 5/9 องศาเซลเซียส

คำจำกัดความปัจจุบันของมาตราส่วนฟาเรนไฮต์มีดังต่อไปนี้ คือมาตราส่วนอุณหภูมิโดยที่ 1 องศา (1 °F) เท่ากับ 1/180 ของความแตกต่างระหว่างจุดเดือดของน้ำกับอุณหภูมิหลอมละลายของน้ำแข็งที่ความดันบรรยากาศ และ จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งคือ +32 °F อุณหภูมิในระดับฟาเรนไฮต์สัมพันธ์กับอุณหภูมิในระดับเซลเซียส (t °C) โดยอัตราส่วน t °C = 5/9 (t °F – 32), 1 °F = 5/9 °C เสนอโดย G. Fahrenheit ในปี 1724

สเกลโรเมอร์

เสนอในปี 1730 โดย R. A. Reaumur ซึ่งบรรยายถึงเทอร์โมมิเตอร์แอลกอฮอล์ที่เขาคิดค้น

มีหน่วยเป็น องศาเรโอมูร์ (°R) โดย 1°R เท่ากับ 1/80 ของช่วงอุณหภูมิระหว่าง จุดอ้างอิง- อุณหภูมิของน้ำแข็งละลาย (0 °R) และน้ำเดือด (80 °R)

1 °ร = 1.25 °C

ปัจจุบันเครื่องชั่งนี้เลิกใช้แล้วและมีอายุยืนยาวที่สุดในฝรั่งเศสซึ่งเป็นบ้านเกิดของผู้เขียน

การเปรียบเทียบระดับอุณหภูมิ

อุณหภูมิร่างกายมนุษย์ปกติคือ 36.6 °C ±0.7 °C หรือ 98.2 °F ±1.3 °F ค่าที่ยกมาโดยทั่วไปคือ 98.6 °F คือการแปลงค่าที่แน่นอนเป็นฟาเรนไฮต์ของค่าเยอรมันในศตวรรษที่ 19 ที่ 37 °C เนื่องจากค่านี้ไม่อยู่ในช่วงอุณหภูมิปกติตาม ความคิดที่ทันสมัยเราสามารถพูดได้ว่ามันมีความแม่นยำมากเกินไป (ไม่ถูกต้อง) ค่าบางค่าในตารางนี้ถูกปัดเศษแล้ว

การเปรียบเทียบระดับฟาเรนไฮต์และเซลเซียส

(ของ– ระดับฟาเรนไฮต์ oC– ระดับเซลเซียส)

หากต้องการแปลงองศาเซลเซียสเป็นเคลวิน คุณต้องใช้สูตร ที=ที+ที 0โดยที่ T คืออุณหภูมิเป็นเคลวิน t คืออุณหภูมิเป็นองศาเซลเซียส T 0 = 273.15 เคลวิน ขนาดขององศาเซลเซียสเท่ากับเคลวิน

แนวคิดทางกายภาพของ "อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์" มีไว้เพื่อ วิทยาศาสตร์สมัยใหม่สำคัญมาก: เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดเรื่องความเป็นตัวนำยิ่งยวดซึ่งการค้นพบนี้สร้างความรู้สึกที่แท้จริงในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ยี่สิบ

เพื่อให้เข้าใจว่าศูนย์สัมบูรณ์คืออะไร คุณควรหันไปดูผลงานของนักฟิสิกส์ชื่อดังเช่น G. Fahrenheit, A.Celsius, J. Gay-Lussac และ W. Thomson พวกเขามีบทบาทสำคัญในการสร้างเครื่องชั่งน้ำหนักหลักที่ยังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน

คนแรกที่เสนอระดับอุณหภูมิของเขาคือนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน G. Fahrenheit ในปี 1714 ในเวลาเดียวกัน อุณหภูมิของส่วนผสมซึ่งรวมถึงหิมะและแอมโมเนียถือเป็นศูนย์สัมบูรณ์ นั่นคือเป็นจุดต่ำสุดของมาตราส่วนนี้ ตัวบ่งชี้ที่สำคัญถัดไปคือซึ่งมีค่าเท่ากับ 1,000 ดังนั้น แต่ละส่วนของมาตราส่วนนี้จึงเรียกว่า "องศาฟาเรนไฮต์" และมาตราส่วนเองก็เรียกว่า "มาตราส่วนฟาเรนไฮต์"

30 ปีต่อมา เอ. เซลเซียส นักดาราศาสตร์ชาวสวีเดนได้เสนอมาตรวัดอุณหภูมิของตนเอง โดยประเด็นหลักคืออุณหภูมิละลายของน้ำแข็งและน้ำ มาตราส่วนนี้เรียกว่า "มาตราส่วนเซลเซียส" ซึ่งยังคงได้รับความนิยมในประเทศส่วนใหญ่ของโลก รวมถึงรัสเซียด้วย

ในปี 1802 ขณะทำการทดลองที่มีชื่อเสียงของเขา J. Gay-Lussac นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสค้นพบว่าปริมาตรของก๊าซที่ความดันคงที่นั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยตรง แต่สิ่งที่น่าสงสัยที่สุดคือเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 10 องศาเซลเซียส ปริมาตรของก๊าซจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงตามปริมาณที่เท่ากัน หลังจากทำการคำนวณที่จำเป็นแล้ว Gay-Lussac พบว่าค่านี้เท่ากับ 1/273 ของปริมาตรของก๊าซที่อุณหภูมิ 0C

กฎข้อนี้นำไปสู่ข้อสรุปที่ชัดเจน: อุณหภูมิเท่ากับ -2,730C เป็นอุณหภูมิต่ำสุด แม้ว่าคุณจะเข้าใกล้อุณหภูมินั้น ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุผลดังกล่าว อุณหภูมินี้เรียกว่า "อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์"

ยิ่งไปกว่านั้น ศูนย์สัมบูรณ์ยังกลายเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการสร้างระดับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ซึ่งนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ดับเบิลยู. ทอมสัน หรือที่รู้จักในชื่อลอร์ดเคลวิน เข้ามามีส่วนร่วม

งานวิจัยหลักของเขาเกี่ยวข้องกับการพิสูจน์ว่าไม่มีร่างกายใดในธรรมชาติที่สามารถระบายความร้อนให้ต่ำกว่าศูนย์สัมบูรณ์ได้ ในเวลาเดียวกัน เขาใช้อันที่สองอย่างจริงจัง ดังนั้น สเกลอุณหภูมิสัมบูรณ์ที่เขาแนะนำในปี 1848 จึงถูกเรียกว่าเทอร์โมไดนามิกส์หรือ "สเกลเคลวิน"

ในปีและทศวรรษต่อๆ มา มีเพียงการชี้แจงเชิงตัวเลขเกี่ยวกับแนวคิด "ศูนย์สัมบูรณ์" ซึ่งหลังจากข้อตกลงต่างๆ มากมาย เริ่มถือว่ามีค่าเท่ากับ -273.150C

นอกจากนี้ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าศูนย์สัมบูรณ์มีบทบาทสำคัญมาก บทบาทที่สำคัญ c ประเด็นก็คือในปี 1960 ในการประชุมใหญ่สามัญเรื่องน้ำหนักและการวัดครั้งต่อไป หน่วยของอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ - เคลวิน - ได้กลายเป็นหนึ่งในหกหน่วยการวัดพื้นฐาน ในเวลาเดียวกัน มีการระบุไว้เป็นพิเศษว่าหนึ่งองศาเคลวินเป็นตัวเลขเท่ากับหนึ่ง แต่จุดอ้างอิง "ตามเคลวิน" มักจะถือว่าเป็นศูนย์สัมบูรณ์ นั่นคือ -273.150C

ความหมายทางกายภาพหลักของศูนย์สัมบูรณ์คือตามกฎฟิสิกส์พื้นฐาน ที่อุณหภูมิดังกล่าว พลังงานการเคลื่อนที่ของอนุภาคมูลฐาน เช่น อะตอมและโมเลกุล จะเป็นศูนย์ และในกรณีนี้ การเคลื่อนไหวที่วุ่นวายของอนุภาคเดียวกันเหล่านี้ควร หยุด. ที่อุณหภูมิเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์ อะตอมและโมเลกุลจะต้องอยู่ในตำแหน่งที่ชัดเจนที่จุดหลักของโครงตาข่ายคริสตัล ทำให้เกิดระบบที่เป็นระเบียบ

ทุกวันนี้ ด้วยการใช้อุปกรณ์พิเศษ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถรับอุณหภูมิได้เพียงไม่กี่ส่วนในล้านส่วนซึ่งสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น เป็นไปไม่ได้ทางกายภาพที่จะบรรลุค่านี้เนื่องจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ที่อธิบายไว้ข้างต้น