WikiDer > Абсолютный ноль - Википедия

Нулевой кельвин (-273,15 ° C) определяется как абсолютный ноль.

Абсолютный ноль это нижний предел термодинамическая температура масштаб, состояние, при котором энтальпия и энтропия охлажденного идеальный газ достигают своего минимального значения, принимаемого за ноль кельвины. Основные частицы природы обладают минимальным колебательным движением, сохраняя только квантово-механическое, энергия нулевой точки-индуцированное движение частиц. Теоретическая температура определяется экстраполяцией закон идеального газа; по международному соглашению абсолютный ноль принимается равным −273,15 ° на Цельсия шкала (Международная система единиц),^[1][2] что равно −459,67 ° на Фаренгейт шкала (Обычные единицы США или же Имперские единицы).^[3] Соответствующие Кельвина и Ренкин Температурные шкалы по определению устанавливают свои нулевые точки на абсолютный ноль.

Обычно считается, что это самая низкая температура, но она не самая низкая. энтальпия состояние возможно, потому что все реальные вещества начинают отличаться от идеального газа при охлаждении, поскольку они приближаются к изменению состояния в жидкое, а затем в твердое; и сумма энтальпия испарения (газ в жидкость) и энтальпия плавления (жидкость в твердое тело) превышает изменение энтальпии идеального газа до абсолютного нуля. в квантово-механический описание, материя (твердое тело) в абсолютном нуле находится в своем основное состояние, точка самого низкого внутренняя энергия.

В законы термодинамики указывают на то, что абсолютный ноль не может быть достигнут только с помощью термодинамических средств, поскольку температура охлаждаемого вещества приближается к температуре охлаждающего агента асимптотически,^[4] и система при абсолютном нуле все еще обладает квантово-механический энергия нулевой точки, энергия его основного состояния при абсолютном нуле. В кинетическая энергия основного состояния нельзя удалить.

Ученые и технологи обычно достигают температуры, близкой к абсолютному нулю, где проявляется материя. квантовые эффекты Такие как Конденсат Бозе – Эйнштейна, сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Термодинамика около абсолютного нуля

При температурах около 0 К (-273,15 ° C; -459,67 ° F) почти все молекулярные движения прекращаются и ΔS = 0 для любого адиабатический процесс, куда S это энтропия. В таком случае чистые вещества могут (в идеале) образовывать идеальные кристаллы в качестве Т → 0. Макс Планксильная форма третий закон термодинамики заявляет энтропия идеального кристалла исчезает при абсолютном нуле, в котором нет идеального кристалла. Оригинал Нернст теорема тепла делает слабее и менее спорное утверждение, что энтропия изменения для любого изотермический процесс приближается к нулю, когда Т → 0:

${ displaystyle lim _ {T to 0} Delta S = 0}$

Подразумевается, что энтропия идеального кристалла приближается к постоянному значению.

В Постулат Нернста определяет изотерма T = 0 как совпадающее с адиабата S = 0, хотя другие изотермы и адиабаты различны. Поскольку никакие две адиабаты не пересекаются, никакая другая адиабата не может пересекаться изотерма T = 0. Следовательно, никакой адиабатический процесс, инициированный при ненулевой температуре, не может привести к нулевой температуре. (≈ Каллен, стр. 189–190)

Идеальный кристалл - это кристалл, в котором внутреннее решетка структура простирается непрерывно во всех направлениях. Идеальный порядок может быть представлен переводным симметрия по три (обычно не ортогональный) топоры. Каждый элемент решетки структуры находится на своем месте, будь то отдельный атом или молекулярная группа. За вещества которые существуют в двух (или более) стабильных кристаллических формах, таких как алмаз и графит за углерод, есть своего рода химическое вырождение. Остается вопрос, могут ли оба иметь нулевую энтропию при Т = 0, хотя каждый из них идеально упорядочен.

Совершенные кристаллы на практике никогда не встречаются; несовершенства и даже целые включения аморфного материала могут и действительно «замораживаются» при низких температурах, поэтому переходов в более стабильные состояния не происходит.

С использованием Дебая модель, то удельная теплоемкость и энтропия чистого кристалла пропорциональны Т ³, в то время как энтальпия и химический потенциал пропорциональны Т ⁴. (Гуггенхайм, стр. 111) Эти величины падают к своему Т = 0 предельные значения и подход с нуль склоны. По крайней мере, для удельной теплоемкости само предельное значение определенно равно нулю, что подтверждается экспериментами до температуры ниже 10 К. Даже менее подробные Модель Эйнштейна показывает это любопытное падение удельной плавки. Фактически при абсолютном нуле исчезают все удельные теплоемкости, а не только кристаллы. Аналогично для коэффициента тепловое расширение. Отношения Максвелла показывают, что исчезают и другие различные величины. Эти явления были неожиданными.

Поскольку связь между изменениями в Свободная энергия Гиббса (грамм) энтальпия (ЧАС), а энтропия равна

${ Displaystyle Delta G = Delta H-T Delta S ,}$

таким образом, как Т уменьшается, Δграмм и ΔЧАС приближаются друг к другу (пока ΔS ограничено). Экспериментальным путем установлено, что все спонтанные процессы (в том числе химические реакции) приводят к уменьшению грамм по мере продвижения к равновесие. Если ΔS и / или Т малы, условие Δграмм <0 может означать, что ΔЧАС <0, что означает экзотермический реакция. Однако этого не требуется; эндотермический реакции могут протекать спонтанно, если ТΔS срок достаточно большой.

Кроме того, склоны производные из Δграмм и ΔЧАС сходятся и равны нулю при Т = 0. Это гарантирует, что Δграмм и ΔЧАС примерно одинаковы в значительном диапазоне температур и оправдывают приблизительное эмпирический Принцип Томсена и Бертело, согласно которому состояние равновесия, к которому переходит система, - это то состояние, при котором выделяется наибольшее количество тепла, т.е. реальным процессом является самый экзотермический. (Каллен, стр. 186–187)

Одна модель, которая оценивает свойства электрон газ при абсолютном нуле в металлах - это Ферми газ. Электроны, будучи Фермионы, должны находиться в разных квантовых состояниях, что приводит к очень высокому типичному состоянию электронов. скорости, даже при абсолютном нуле. Максимальная энергия, которую электроны могут иметь при абсолютном нуле, называется Энергия Ферми. Температура Ферми определяется как максимальная энергия, деленная на постоянную Больцмана, и составляет порядка 80 000 K для типичных электронных плотностей, обнаруживаемых в металлах. При температурах значительно ниже температуры Ферми электроны ведут себя почти так же, как при абсолютном нуле. Это объясняет несостоятельность классического теорема о равнораспределении для металлов, которые ускользнули от классических физиков в конце 19 века.

Связь с конденсатом Бозе – Эйнштейна.

Данные по скоростному распределению газа рубидий атомы при температуре в пределах нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Слева: незадолго до появления конденсата Бозе – Эйнштейна. В центре: сразу после появления конденсата. Справа: после дальнейшего испарения остается образец почти чистого конденсата.

А Конденсат Бозе – Эйнштейна (BEC) - это состояние дела разреженного газа слабовзаимодействующего бозоны ограничены внешним потенциалом и охлаждаются до температур, очень близких к абсолютному нулю. В таких условиях большая часть бозонов занимает нижние квантовое состояние внешнего потенциала, в этот момент квантовые эффекты проявляются на макроскопический масштаб.^[5]

Это состояние вещества было впервые предсказано Сатьендра Нат Бос и Альберт Эйнштейн в 1924–25. Бозе первым послал Эйнштейну статью о квантовая статистика световых квантов (теперь называемых фотоны). Эйнштейн был впечатлен, перевел статью с английского на немецкий и представил ее Бозе в Zeitschrift für Physik, который его опубликовал. Затем Эйнштейн распространил идеи Бозе на материальные частицы (или материю) в двух других статьях.^[6]

Семьдесят лет спустя, в 1995 году, первый газовый конденсат был произведен Эрик Корнелл и Карл Виман на Колорадский университет в Боулдере NIST-ДЖИЛА лаборатории, используя газ рубидий атомы охлаждены до 170нанокельвины (нК)^[7] (1.7×10⁻⁷ K).^[8]

Рекордная холодная температура 450 ± 80 пикокельвинов (пК) (4.5×10⁻¹⁰ K) в БЭК атомов натрия была получена в 2003 г. Массачусетский Институт Технологий (Массачусетский технологический институт).^[9] Связанный черное тело (пиковое излучение) длина волны 6400 километров - это примерно радиус Земли.

Шкалы абсолютных температур

Абсолютное, или термодинамический, температура обычно измеряется в кельвины (Цельсия-масштабированные приращения) и в Шкала Ренкина (Фаренгейт-масштабированные приращения) с увеличением редкости. Абсолютное измерение температуры однозначно определяется мультипликативной константой, которая определяет размер степень, Итак соотношения двух абсолютных температур, Т₂/Т₁, одинаковы во всех масштабах. Наиболее прозрачное определение этого стандарта происходит от Распределение Максвелла – Больцмана. Его также можно найти в Статистика Ферми – Дирака (для частиц полуцелого вращение) и Статистика Бозе – Эйнштейна (для частиц с целым спином). Все они определяют относительное количество частиц в системе как убывающее. экспоненциальные функции энергии (на уровне частиц) более kT, с k представляющий Постоянная Больцмана и Т представляющая температуру, наблюдаемую в макроскопический уровень.^[1]

Отрицательные температуры

Температуры, которые выражаются отрицательными числами на знакомых шкалах Цельсия или Фаренгейта, просто холоднее, чем нулевые точки этих шкал. Определенный системы можно добиться действительно отрицательных температур; то есть их термодинамическая температура (выражается в кельвинах) может иметь отрицательный количество. Система с действительно отрицательной температурой не холоднее абсолютного нуля. Скорее система с отрицательной температурой горячее, чем любой Система с положительной температурой в том смысле, что если система с отрицательной температурой и система с положительной температурой вступают в контакт, тепло перетекает от системы с отрицательной температурой к системе с положительной температурой.^[10]

Большинство знакомых систем не могут достичь отрицательных температур, потому что добавление энергии всегда увеличивает их энтропия. Однако у некоторых систем есть максимальное количество энергии, которое они могут удерживать, и по мере приближения к этому максимуму их энтропия фактически начинает уменьшаться. Поскольку температура определяется соотношением между энергией и энтропией, температура такой системы становится отрицательной, даже если энергия добавляется.^[10] В результате фактор Больцмана для состояний системы при отрицательной температуре увеличивается, а не уменьшается с увеличением энергии состояния. Следовательно, никакая полная система, то есть включая электромагнитные моды, не может иметь отрицательные температуры, поскольку нет состояния с наивысшей энергией,^{[нужна цитата]} так что сумма вероятностей состояний расходится при отрицательных температурах. Однако для квазиравновесных систем (например, спинов, выходящих из равновесия с электромагнитным полем) этот аргумент неприменим, и отрицательные эффективные температуры достижимы.

3 января 2013 года физики объявили, что они впервые создали квантовый газ, состоящий из атомов калия с отрицательной температурой в двигательных степенях свободы.^[11]

История

Роберт Бойл пионер идеи абсолютного нуля

Одним из первых, кто обсудил возможность абсолютной минимальной температуры, был Роберт Бойл. Его 1665 Новые эксперименты и наблюдения, касающиеся холода, сформулировал спор, известный как Primum frigidum.^[12] Эта концепция была хорошо известна среди естествоиспытателей того времени. Некоторые утверждали, что на Земле наблюдается абсолютный минимум температуры (как одна из четырех классические элементы), другие - в воде, третьи - в воздухе, а некоторые совсем недавно - в селитра. Но все они, казалось, соглашались с тем, что «существует какое-то тело, которое по своей природе является в высшей степени холодным и при участии которого все другие тела получают это качество».^[13]

Ограничьтесь до «степени холода»

Вопрос о том, существует ли предел возможной степени холода, и, если да, то где должен быть расположен ноль, впервые был задан французским физиком. Гийом Амонтон в 1702 г., в связи с улучшением воздушный термометр. Его прибор показывал температуру по высоте, на которой определенная масса воздуха поддерживала столб ртути - объем или «пружину» воздуха, изменяющуюся в зависимости от температуры. Поэтому Амонтонс утверждал, что ноль его термометра будет той температурой, при которой пружина воздуха сводится к нулю. Он использовал шкалу, которая отметила точку кипения воды на +73 и температуру плавления льда на +51 ¹⁄₂, так что ноль был эквивалентен примерно –240 по шкале Цельсия.^[14] Амонтонс считал, что абсолютный ноль не может быть достигнут, поэтому никогда не пытался вычислить его явно.^[15]Значение –240 ° C, или «431 деление [в градусах Фаренгейта] ниже холода ледяной воды».^[16] был опубликован Джордж Мартин в 1740 г.

Это близкое приближение к современному значению −273,15 ° C.^[1] для нуля воздушного термометра в 1779 г. Иоганн Генрих Ламберт, который заметил, что −270 ° C (−454,00 ° F; 3,15 K) можно рассматривать как абсолютный холод.^[17]

Однако значения этого порядка для абсолютного нуля не были общепринятыми в этот период. Пьер-Симон Лаплас и Антуан Лавуазьев своем трактате 1780 года о тепле пришли к значениям в диапазоне от 1500 до 3000 ниже точки замерзания воды и считали, что в любом случае она должна быть как минимум на 600 градусов ниже. Джон Далтон в его Химическая философия дал десять расчетов этого значения и, наконец, принял -3000 ° C в качестве естественного нуля температуры.

Работа лорда Кельвина

После Джеймс Прескотт Джоуль определила механический эквивалент тепла, Лорд Кельвин подошел к вопросу с совершенно другой точки зрения и в 1848 году разработал шкалу абсолютной температуры, которая не зависела от свойств какого-либо конкретного вещества и основывалась на Карнотеория движущей силы тепла и данные, опубликованные Анри Виктор Рено.^[18] Из принципов, по которым была построена эта шкала, следовало, что ее ноль находился при -273 ° C, почти точно в той же точке, что и ноль воздушного термометра.^[14] Это значение было принято не сразу; значения в диапазоне от -271,1 ° C (-455,98 ° F) до -274,5 ° C (-462,10 ° F), полученные из лабораторных измерений и наблюдений астрономическая рефракция, оставался в употреблении в начале 20 века.^[19]

Гонка к абсолютному нулю

Памятная доска в Лейдене

Имея лучшее теоретическое понимание абсолютного нуля, ученые стремились достичь этой температуры в лаборатории.^[20] К 1845 г. Майкл Фарадей удалось сжечь большинство известных тогда газов и достигнуть нового рекорда по самым низким температурам, достигнув -130 ° C (-202 ° F; 143 K). Фарадей считал, что некоторые газы, такие как кислород, азот и водород, являются постоянными газами и не могут быть сжижены.^[21] Спустя десятилетия, в 1873 году голландский ученый-теоретик Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс показали, что эти газы можно сжижать, но только в условиях очень высокого давления и очень низких температур. В 1877 г. Луи Поль Кайлете во Франции и Рауль Пикте в Швейцарии удалось произвести первые капли жидкий воздух -195 ° С (-319,0 ° F, 78,1 К). В 1883 году польские профессора начали производство жидкого кислорода при температуре –218 ° C (–360,4 ° F, 55,1 K). Зигмунт Врублевски и Кароль Ольшевский.

Шотландский химик и физик Джеймс Дьюар и голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес взяли на себя задачу сжижать оставшиеся газы, водород и гелий. В 1898 году, после 20 лет усилий, Дьюар первым начал сжижать водород, достигнув нового низкотемпературного рекорда -252 ° C (-421,6 ° F; 21,1 K). Однако его соперник Камерлинг-Оннес первым в 1908 году стал сжижать гелий, используя несколько ступеней предварительного охлаждения и Цикл Хэмпсона – Линде. Он снизил температуру гелия до точки кипения -269 ° C (-452,20 ° F; 4,15 K). Уменьшая давление жидкого гелия, он достиг еще более низкой температуры, около 1,5 К. Это были самые низкие температуры достигнутые на Земле в то время, и его достижения принесли ему Нобелевская премия в 1913 г.^[22] Камерлинг-Оннес продолжит изучение свойств материалов при температурах, близких к абсолютному нулю, описывая сверхпроводимость и сверхтекучие жидкости в первый раз.

Очень низкие температуры

Быстрое расширение газов, выходящих из Туманность Бумеранг, биполярная нитевидная, вероятно, протопланетарная туманность в Центавре, вызывает самую низкую наблюдаемую температуру за пределами лаборатории: 1 K

Средняя температура Вселенной сегодня составляет примерно 2,73 кельвина (-270,42 ° C; -454,76 ° F), на основе измерений космический микроволновый фон радиация.^[23][24]

Абсолютного нуля достичь невозможно, хотя можно достичь близких к нему температур с помощью криокулеры, холодильники разбавления, и ядерное адиабатическое размагничивание. Использование лазерное охлаждение произвел температуры менее одной миллиардной кельвина.^[25] При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, вещество проявляет множество необычных свойств, в том числе сверхпроводимость, сверхтекучесть, и Конденсация Бозе – Эйнштейна. Чтобы изучить такие явления, ученые работали над получением еще более низких температур.

• Текущий мировой рекорд был установлен в 1999 году на уровне 100 пикокельвинов (pK), или 0,0000000001 градуса Кельвина, путем охлаждения ядерных спинов в куске металла. родий металл.^[26]
• В ноябре 2000 г. ядерное вращение температуры ниже 100 пК были зарегистрированы для эксперимента на Хельсинкский технологический университетЛаборатория низких температур в Эспоо, Финляндия. Однако это была температура одного конкретного степень свободы—А квант свойство, называемое ядерным спином, а не общее среднее термодинамическая температура для всех возможных степеней свободы.^[27][28]
• В феврале 2003 г. Туманность Бумеранг наблюдалось, что в течение последних 1500 лет он выделял газы со скоростью 500 000 км / ч (310 000 миль / ч). По данным астрономических наблюдений, это охладило его примерно до 1 К. Это самая низкая из когда-либо зарегистрированных естественных температур.^[29]
• В мае 2005 г. Европейское космическое агентство предлагаемые исследования в космосе для достижения фемтокельвин температуры.^[30]
• В мае 2006 г. Институт квантовой оптики Ганноверский университет подробно рассказал о технологиях и преимуществах космических исследований фемтокельвинов.^[31]
• В январе 2013 года физик Ульрих Шнайдер из Мюнхенский университет в Германии сообщили о достижении температуры ниже абсолютного нуля ("отрицательная температура") в газах. Газ искусственно вынуждают выйти из равновесия в состояние с высоким потенциалом энергии, которое, однако, является холодным. Когда он затем испускает излучение, он приближается к равновесию и может продолжать излучение, несмотря на формальное достижение абсолютного нуля; таким образом, температура формально отрицательная.^[32]
• В сентябре 2014 г. ученые из CUORE сотрудничество в Laboratori Nazionali del Gran Sasso в Италии охладил медный сосуд объемом один кубический метр до 0,006 кельвина (-273,144 ° C; -459,659 ° F) в течение 15 дней, установив рекорд самой низкой температуры в известной вселенной для такого большого непрерывного объема.^[33]
• В июне 2015 г. физики-экспериментаторы Массачусетский технологический институт охлажденные молекулы в газе натрия-калия до температуры 500 нанокельвинов, и ожидается, что оно проявит экзотическое состояние вещества, немного охладив эти молекулы.^[34]
• В 2017 г. Лаборатория холодного атома (CAL) разработана экспериментальная установка для запуска в Международная космическая станция (ISS) в 2018 году.^[35] Инструмент создаст очень холодные условия в микрогравитация среды МКС, приводящей к формированию Конденсаты Бозе – Эйнштейна которые на порядок холоднее тех, что создаются в лабораториях на Земле. В космической лаборатории время взаимодействия до 20 секунд и всего 1 пикокельвин (${ displaystyle 10 ^ {- 12}}$ K) температуры достижимы, и это может привести к исследованию неизвестных квантово-механический феномен и протестируйте некоторые из самых фундаментальных законы физики.^[36][37]

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Герберт Б. Каллен (1960). «Глава 10». Термодинамика. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-13035-2. OCLC 535083.
• Герберт Б. Каллен (1985). Термодинамика и введение в термостатистику (Второе изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-86256-7.
• E.A. Гуггенхайма (1967). Термодинамика: передовые методы лечения химиков и физиков (Пятое изд.). Амстердам: Издательство Северной Голландии. ISBN 978-0-444-86951-7. OCLC 324553.
• Джордж Стэнли Рашбрук (1949). Введение в статистическую механику. Оксфорд: Clarendon Press. OCLC 531928.

внешняя ссылка

• "Абсолютный ноль": две части НОВАЯ ЗВЕЗДА эпизод Первоначально вышла в эфир в январе 2008 г.
• "Что такое абсолютный ноль?" Lansing State Journal