Language
Country/Area
No result found
Тайна температуры: что такое абсолютный ноль? Знаете ли вы?
Температура — это физическая величина, которая количественно выражает, насколько горячим или холодным является объект. Обычно мы используем термометры для измерения, а шкала термометра зависит от различных стандартов температуры. Эти стандарты содержат различные опорные точки и материалы для измерения тепла. Наиболее часто используемые температурные шкалы — это шкала Цельсия (°C), шкала Фаренгейта (°F) и шкала Кельвина (K). Среди них Кельвин в основном используется в научных исследованиях и считается одной из семи основных единиц Международной системы единиц. Абсолютный ноль на этой шкале, ноль Кельвина или -273,15 °C, является самой низкой точкой на термодинамической шкале температур. Хотя экспериментально абсолютный ноль на самом деле недостижим, мы можем очень близко к нему подобраться.
При абсолютном нуле в материи больше нет макроскопической тепловой энергии, но квантово-механическая энергия нулевой точки все еще существует.
Важность температуры
Температура оказывает широкий спектр воздействия, включая физические свойства вещества, такие как фазовый переход (твердое тело, жидкость, газ или плазма), плотность, растворимость, проводимость и т. д. Более того, температура напрямую влияет на скорость и масштаб химических реакций и даже оказывает глубокое воздействие на поведение всех живых организмов. Например, скорость звука в газе пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры.
Эволюция температурных шкал
Для температурной шкалы необходимо определить два значения: выбранную нулевую точку и величину приращения температуры. Шкала Цельсия (°C) является наиболее широко используемой шкалой измерения температуры во всем мире, ее нулевая точка определяется точками замерзания и кипения воды; в то время как шкала Фаренгейта широко используется в Соединенных Штатах с точкой замерзания 32 ° F и точка кипения 212 °F. Нулевая точка шкалы Кельвина — абсолютный ноль.
Определение абсолютного нуля
Абсолютный ноль — ключевое понятие в физике, обозначающее состояние вещества, при котором тепловая энергия полностью удалена. В этом состоянии частицы материи прекращают свое макроскопическое движение и, согласно третьему закону термодинамики, чистая термодинамическая энергия равна нулю. Люди не могут охладить объекты до этой температуры и могут лишь максимально подробно исследовать ее границы.
С экспериментальной точки зрения к абсолютному нулю можно только приблизиться, но не достичь его. Самая низкая экспериментальная температура на сегодняшний день составляет 38 пК.
Абсолютные и относительные стандарты температуры
Среди температурных стандартов шкала Кельвина считается абсолютной шкалой, поскольку она не опирается на какое-либо конкретное вещество или прибор для измерения тепла. С 2019 года определение Кельвина основано на микроскопических явлениях и связано с постоянной Больцмана, что позволяет более точно измерять температуру.
Связь между статистической механикой и термодинамикой
Текущая шкала Кельвина больше не определена четко как эталон, а основана на определении точной постоянной Больцмана. Исторически определение Кельвина основывалось на термодинамических свойствах двигателя Карно, а не на микроскопическом описании движения. Это позволяет нам создать более универсальный стандарт для описания температуры.
Классические и современные методы измерения
Температура традиционно измерялась с использованием эмпирических стандартов, таких как тройная точка воды (определяемая как 273,16 К), но все больше опирается на статистику и понимание микроскопической динамики. Это показывает, что температура — это не только макроскопическое измерение, но и результат микроскопического и квантового поведения.
Будущее развитие
Благодаря дальнейшим исследованиям в области термодинамики и статистической физики ученые смогут проводить более точные измерения. Например, использование молярного объема газа или спектра излучения черного тела для измерения температуры является перспективным направлением будущих исследований.
Благодаря нашему пониманию квантового поведения в будущем мы сможем глубже понять и точнее измерить абсолютный ноль.
Изучая эти захватывающие научные явления, мы не можем не задаться вопросом: существуют ли естественные законы и тайны Вселенной, скрытые в этом недостижимом пределе температуры, которые мы еще не поняли?
