Какво е абсолютна нулева температура. Какво е физическото значение на абсолютната нула
> Абсолютна нула
Научете какво е равно абсолютна нулева температураи стойност на ентропията. Разберете каква е температурата на абсолютната нула по скалите на Целзий и Келвин.
Абсолютна нула– минимална температура. Това е марката, при която ентропията достига най-ниската си стойност.
Учебна задача
- Разберете защо е абсолютната нула естествен показателнулева точка.
Ключови точки
- Абсолютната нула е универсална, тоест цялата материя е в основно състояние с този индикатор.
- K има квантово-механична нулева енергия. Но в тълкуването кинетична енергияможе да бъде нула и топлинната енергия изчезва.
- Най-ниската възможна температура в лабораторни условия достигаше 10-12 K. Минималната естествена температура беше 1K (разширяване на газовете в мъглявината Бумеранг).
Условия
- Ентропията е мярка за това как равномерно е разпределена енергията в дадена система.
- Термодинамиката е клон на науката, който изучава топлината и нейната връзка с енергията и работата.
Абсолютната нула е минималната температура, при която ентропията достига най-ниската си стойност. Тоест това е най-малкият показател, който може да се наблюдава в системата. Това е универсална концепция и действа като нулева точка в системата от температурни единици.
Графика на налягане спрямо температура за различни газове с постоянен обем. Имайте предвид, че всички графики са екстраполирани до нулево налягане при една температура.
Система при абсолютна нула все още е надарена с квантово-механична нулева енергия. Според принципа на неопределеността позицията на частиците не може да се определи с абсолютна точност. Ако една частица е изместена при абсолютната нула, тогава тя все още има минимален енергиен резерв. Но в класическата термодинамика кинетичната енергия може да бъде нула и топлинната енергия изчезва.
нулева точка термодинамична скала, подобно на Келвин, се равнява на абсолютна нула. Международно споразумение установи, че температурата на абсолютната нула достига 0K по скалата на Келвин и -273,15°C по скалата на Целзий. Веществото при минимална температура проявява квантови ефекти, като свръхпроводимост и свръхфлуидност. Най-ниската температура в лабораторни условия е била 10-12 K, а в естествена среда - 1 K (бързо разширяване на газовете в мъглявината Бумеранг).
Бързото разширяване на газовете води до минималната наблюдавана температура
Граничната температура, при която обемът на идеален газ става нула, се приема за абсолютна нулева температура. Въпреки това, обемът на реалните газове при абсолютна нулева температура не може да изчезне. Тогава има ли смисъл тази температурна граница?
Граничната температура, чието съществуване следва от закона на Гей-Лусак, има смисъл, тъй като практически е възможно свойствата на реалния газ да се приближат до тези на идеалния. За да направите това, е необходимо да вземете все по-разреден газ, така че неговата плътност да клони към нула. Наистина, с намаляване на температурата, обемът на такъв газ ще клони към граница, близка до нула.
Нека намерим стойността на абсолютната нула по скалата на Целзий. Изравняване на обема VVформула (3.6.4) до нула и като се вземе предвид това
Следователно температурата на абсолютната нула е
* По-точна стойност за абсолютната нула: -273,15 °C.
Това е пределната, най-ниската температура в природата, онази „най-голяма или последна степен на студ“, чието съществуване предсказа Ломоносов.
Скала на Келвин
Келвин Уилям (Томсън У.) (1824-1907) - изключителен английски физик, един от основателите на термодинамиката и молекулярно-кинетичната теория на газовете.
Келвин въвежда абсолютната температурна скала и дава една от формулировките на втория закон на термодинамиката под формата на невъзможността за пълно превръщане на топлината в работа. Той изчислява размера на молекулите въз основа на измерването на повърхностната енергия на течност. Във връзка с полагането на трансатлантическия телеграфен кабел Келвин развива теорията за електромагнитните трептения и извежда формула за периода на свободните трептения във веригата. Отзад научни заслугиУ. Томсън получава титлата лорд Келвин.
Английският учен У. Келвин въвежда абсолютната температурна скала. Нулевата температура по скалата на Келвин съответства на абсолютната нула, а единицата за температура по тази скала е равна на градуси по Целзий, така че абсолютната температура Tе свързано с температурата по скалата на Целзий с формулата
(3.7.6)
Фигура 3.11 показва абсолютната скала и скалата на Целзий за сравнение.
Единицата SI за абсолютна температура се нарича келвин (съкратено K). Следователно един градус по Целзий е равен на един градус по Келвин: 1 °C = 1 K.
По този начин абсолютната температура, по дефиниция, дадена с формула (3.7.6), е производна величина, зависеща от температурата по Целзий и от експериментално определената стойност на a. Въпреки това е от основно значение.
От гледна точка на молекулярно-кинетичната теория абсолютната температура е свързана със средната кинетична енергия на хаотичното движение на атомите или молекулите. При Т =За Топлинното движение на молекулите спира. Това ще бъде обсъдено по-подробно в глава 4.
Обем спрямо абсолютна температура
Използвайки скалата на Келвин, законът на Гей-Лусак (3.6.4) може да бъде написан в по-проста форма. защото
(3.7.7)
Обемът на газ с дадена маса при постоянно налягане е право пропорционален на абсолютната температура.
От това следва, че съотношението на газовите обеми с еднаква маса в различни състояния при едно и също налягане е равно на съотношението на абсолютните температури:
(3.7.8)
Има минимална възможна температура, при която обемът (и налягането) на идеален газ изчезва. Това е абсолютна нулева температура:-273 °С. Удобно е да измервате температурата от абсолютната нула. Така се изгражда абсолютната температурна скала.
Абсолютна нула (абсолютна нула) - началото на абсолютната температура, започваща от 273,16 K под тройната точка на водата (точката на равновесие на три фази - лед, вода и водна пара); при абсолютна нула движението на молекулите спира и те са в състояние на "нулеви" движения. Или: най-ниската температура, при която веществото не съдържа топлинна енергия.
Абсолютна нула Започнетеотчитане на абсолютна температура. Съответства на -273,16 ° С. В момента физическите лаборатории са успели да получат температура, надвишаваща абсолютната нула само с няколко милионни от градуса, но според законите на термодинамиката е невъзможно да се постигне. При абсолютна нула системата ще бъде в състояние с възможно най-ниска енергия (в това състояние атомите и молекулите ще правят „нулеви“ вибрации) и ще има нулева ентропия (нула разстройство). Обемът на идеален газ в точката на абсолютната нула трябва да бъде равен на нула и за да се определи тази точка, обемът на реалния газ хелий се измерва при последователенпонижаване на температурата, докато се втечни при ниско налягане (-268,9 ° C) и екстраполира до температурата, при която обемът на газа би стигнал до нула при липса на втечняване. Абсолютна температура термодинамикаСкалата се измерва в келвини, обозначени със символа K. Абсолютно термодинамикаскалата и скалата на Целзий просто се изместват една спрямо друга и са свързани с отношението K = °C + 273,16 °.
История
Думата "температура" възниква във време, когато хората вярват, че по-горещите тела съдържат по-голямо количество специално вещество - калорично, отколкото по-малко нагрятите. Следователно температурата се възприема като силата на смес от телесна субстанция и калории. Поради тази причина мерните единици за силата на алкохолните напитки и температурата се наричат еднакви - градуси.
От факта, че температурата е кинетичната енергия на молекулите, става ясно, че е най-естествено тя да се измерва в енергийни единици (т.е. в системата SI в джаули). Измерването на температурата обаче започва много преди създаването на молекулярно-кинетичната теория, така че практическите везни измерват температурата в конвенционални единици - градуси.
Скала на Келвин
В термодинамиката се използва скалата на Келвин, при която температурата се измерва от абсолютната нула (състоянието, съответстващо на минималната теоретично възможна вътрешна енергия на тялото), а един келвин е равен на 1/273,16 от разстоянието от абсолютната нула до тройната точка на водата (състоянието, в което ледът, водата и водните двойки са в равновесие. Константата на Болцман се използва за преобразуване на келвини в енергийни единици. Използват се и производни единици: килокелвин, мегакелвин, миликелвин и др.
Целзий
В ежедневието се използва скалата на Целзий, при която точката на замръзване на водата се приема за 0, а точката на кипене на водата при атмосферно налягане се приема за 100 °. Тъй като точките на замръзване и кипене на водата не са добре дефинирани, скалата на Целзий в момента се определя по скалата на Келвин: градуси по Целзий са равни на Келвин, абсолютната нула се приема за -273,15 °C. Скалата по Целзий е практически много удобна, тъй като водата е много разпространена на нашата планета и животът ни се основава на нея. Нула по Целзий е специална точка за метеорологията, тъй като замръзването на атмосферната вода променя всичко значително.
Фаренхайт
В Англия и особено в САЩ се използва скалата на Фаренхайт. В тази скала интервалът е разделен на 100 градуса от температурата на студена зимав града, където е живял Фаренхайт, до температурата на човешко тяло. Нула градуса по Целзий е 32 градуса по Фаренхайт, а градус по Фаренхайт е 5/9 градуса по Целзий.
Текущата дефиниция на скалата на Фаренхайт е следната: това е температурна скала, 1 градус (1 °F), от която е 1/180 от разликата между точката на кипене на водата и топенето на леда при атмосферно налягане, и точката на топене на леда е +32 °F. Температурата по скалата на Фаренхайт е свързана с температурата по скалата на Целзий (t ° С) чрез съотношението t ° С = 5/9 (t ° F - 32), 1 ° F = 5/9 ° С. Предложен от Г. Фаренхайт през 1724г.
Скала на Реомюр
Предложен през 1730 г. от R. A. Reaumur, който описва изобретения от него алкохолен термометър.
Единица - градус Réaumur (°R), 1 °R е равен на 1/80 от температурния интервал между референтните точки - температурата на топящ се лед (0 °R) и вряща вода (80 °R)
1°R = 1,25°C.
В момента мащабът е излязъл от употреба, най-дълго време се е запазил във Франция, в родината на автора.
Сравнение на температурни скали
| Описание | Келвин | Целзий | Фаренхайт | Нютон | Реомюр |
| Абсолютна нула | −273.15 | −459.67 | −90.14 | −218.52 | |
| Точка на топене на сместа по Фаренхайт (сол и лед в равни количества) | 0 | −5.87 | |||
| Точка на замръзване на водата (нормални условия) | 0 | 32 | 0 | ||
| Средна температура на човешкото тяло¹ | 36.8 | 98.2 | 12.21 | ||
| Точка на кипене на водата (нормални условия) | 100 | 212 | 33 | ||
| Температура на слънчевата повърхност | 5800 | 5526 | 9980 | 1823 |
Нормалната температура на човешкото тяло е 36,6 °C ±0,7 °C, или 98,2 °F ±1,3 °F. Често цитираната стойност от 98,6 °F е точно преобразуване по Фаренхайт на немската стойност от 19-ти век от 37 °C. Тъй като тази стойност е извън нормалния температурен диапазон за модерни идеи, можем да кажем, че съдържа прекомерна (неправилна) точност. Някои стойности в тази таблица са закръглени.
Сравнение на скалите на Фаренхайт и Целзий
(на- скала на Фаренхайт, o C- скала по Целзий)
| оЕ | о° С | оЕ | о° С | оЕ | о° С | оЕ | о° С | |||
| -459.67 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -190 -180 -170 -160 -150 -140 -130 -120 -110 -100 -95 -90 -85 -80 -75 -70 -65 | -273.15 -267.8 -240.0 -212.2 -184.4 -156.7 -128.9 -123.3 -117.8 -112.2 -106.7 -101.1 -95.6 -90.0 -84.4 -78.9 -73.3 -70.6 -67.8 -65.0 -62.2 -59.4 -56.7 -53.9 | -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 | -51.1 -48.3 -45.6 -42.8 -40.0 -37.2 -34.4 -31.7 -28.9 -28.3 -27.8 -27.2 -26.7 -26.1 -25.6 -25.0 -24.4 -23.9 -23.3 -22.8 -22.2 -21.7 -21.1 -20.6 | -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 | -20.0 -19.4 -18.9 -18.3 -17.8 -17.2 -16.7 -16.1 -15.6 -15.0 -14.4 -13.9 -13.3 -12.8 -12.2 -11.7 -11.1 -10.6 -10.0 -9.4 -8.9 -8.3 -7.8 -7.2 | 20 21 22 23 24 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 125 150 200 | -6.7 -6.1 -5.6 -5.0 -4.4 -3.9 -1.1 1.7 4.4 7.2 10.0 12.8 15.6 18.3 21.1 23.9 26.7 29.4 32.2 35.0 37.8 51.7 65.6 93.3 |
За да конвертирате градуси по Целзий в келвини, използвайте формулата T=t+T0където T е температурата в келвини, t е температурата в градуси по Целзий, T 0 =273,15 келвина. Градус по Целзий е равен по размер на келвин.
Абсолютната нула съответства на температура от −273,15 °C.
Смята се, че абсолютната нула е недостижима на практика. Неговото съществуване и позиция в температурната скала следва от екстраполацията на наблюдаваните физични явления, докато такава екстраполация показва, че при абсолютна нула енергията на топлинното движение на молекулите и атомите на веществото трябва да бъде равна на нула, т.е. хаотичното движение на частиците спира и те образуват подредена структура, заемайки ясна позиция във възлите на кристалната решетка. Всъщност обаче, дори при абсолютна нула температура, регулярните движения на частиците, които изграждат материята, ще останат. Останалите флуктуации, като вибрации на нулева точка, се дължат на квантовите свойства на частиците и физическия вакуум, който ги заобикаля.
Понастоящем физическите лаборатории са успели да получат температури, превишаващи абсолютната нула само с няколко милионни от градуса; невъзможно е да се постигне, според законите на термодинамиката.
Бележки
Литература
- Г. Бурмин. Щурмуване на абсолютната нула. - М .: "Детска литература", 1983 г.
Вижте също
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Вижте какво е "Абсолютна нула" в други речници:
АБСОЛЮТНА НУЛА, температурата, при която всички компоненти на системата имат най-малко количество енергия, разрешено от законите на КВАНТОВАТА МЕХАНИКА; нула по температурната скала на Келвин или 273,15°C (459,67° по Фаренхайт). При тази температура... Научно-технически енциклопедичен речник
Температурите са минималните температурни граници, които физическото тяло може да има. Абсолютната нула е отправната точка за абсолютна температурна скала, като скалата на Келвин. По скалата на Целзий абсолютната нула съответства на температура от −273 ... Wikipedia
АБСОЛЮТНА НУЛЕВА ТЕМПЕРАТУРА- произхода на термодинамичната температурна скала; намиращ се на 273,16 К (Келвин) под (вижте) водата, т.е. равна на 273,16 ° C (по Целзий). Абсолютната нула е най-ниската температура в природата и почти недостижима ... Голяма политехническа енциклопедия
Това е минималната температурна граница, която може да има едно физическо тяло. Абсолютната нула е отправната точка за абсолютна температурна скала, като скалата на Келвин. По скалата на Целзий абсолютната нула съответства на температура от −273,15 ° C. ... ... Wikipedia
Абсолютната нулева температура е минималната температурна граница, която физическото тяло може да има. Абсолютната нула е отправната точка за абсолютна температурна скала, като скалата на Келвин. По скалата на Целзий абсолютната нула съответства на ... ... Wikipedia
Разг. пренебрежение Незначителен, незначителен човек. ФСРЯ, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 ...
нула- абсолютна нула … Речник на руските идиоми
Нула и нула съществително, м., употреб. комп. често Морфология: (не) какво? нула и нула, защо? нула и нула, (виж) какво? нула и нула, какво? нула и нула, за какво? около нула, нула; мн. Какво? нули и нули, (не) какво? нули и нули, защо? нули и нули, (виждам) ... ... РечникДмитриева
Абсолютна нула (нула). Разг. пренебрежение Незначителен, незначителен човек. ФСРЯ, 288; BTS, 24; ЗС 1996, 33 До нула. 1. Джарг. те казват Совалка. желязо. За тежка интоксикация. Юганов, 471; Вахитов 2003, 22. 2. Жарг. музика Точно така, в пълно съответствие с ... ... Голям речникРуски поговорки
абсолютен- абсолютен абсурд абсолютен авторитет абсолютна безупречност абсолютен безпорядък абсолютна измислица абсолютен имунитет абсолютен лидер абсолютен минимум абсолютен монарх абсолютен морал абсолютна нула ... ... Речник на руските идиоми
Книги
- Абсолютна нула, Абсолютна Павел. Животът на всички творения на лудия учен от расата nes е много кратък. Но следващият експеримент има шанс да съществува. Какво му предстои?...
Когато прогнозата за времето прогнозира температури около нулата, не трябва да ходите на пързалката: ледът ще се стопи. Температурата на топене на леда се приема за нула градуса по Целзий - най-често срещаната температурна скала.
Ние добре познаваме отрицателните градуси по скалата на Целзий – градуси<ниже
нуля>, градуси студ. Най-ниската температура на Земята е регистрирана в Антарктида: -88,3°C. Извън Земята са възможни още по-ниски температури: на повърхността на Луната в лунна полунощ може да достигне -160°C.
Но никъде не може да има произволно ниски температури. Изключително ниска температура - абсолютна нула - по скалата на Целзий съответства на - 273,16 °.
Абсолютната температурна скала, скалата на Келвин, произхожда от абсолютната нула. Ледът се топи при 273,16° Келвин, а водата кипи при 373,16° К. Така градус К е равен на градус С. Но по скалата на Келвин всички температури са положителни.
Защо 0°K е границата на студа?
Топлината е хаотичното движение на атомите и молекулите на материята. Когато дадено вещество се охлажда, от него се отнема топлинна енергия и в този случай произволното движение на частиците отслабва. В крайна сметка със силно охлаждане термично<пляска>частици почти напълно спира. Атомите и молекулите биха замръзнали напълно при температура, която се приема за абсолютна нула. Според принципите на квантовата механика при абсолютната нула точно топлинното движение на частиците би спряло, но самите частици няма да замръзнат, тъй като не могат да бъдат напълно в покой. По този начин, при абсолютна нула, частиците все още трябва да поддържат някакъв вид движение, което се нарича нула.
Да се охлади вещество до температура под абсолютната нула обаче е толкова безсмислена идея, колкото, да речем, намерението<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Освен това дори достигането на точна абсолютна нула също е почти невъзможно. Можете само да се доближите до него. Защото абсолютно цялата му топлинна енергия не може да бъде отнета от дадено вещество по никакъв начин. Част от топлинната енергия остава по време на най-дълбокото охлаждане.
Как достигат ултраниски температури?
Замразяването на вещество е по-трудно от нагряването му. Това може да се види поне от сравнение на дизайна на печката и хладилника.
В повечето домашни и промишлени хладилници топлината се отстранява поради изпарението на специална течност - фреон, който циркулира през метални тръби. Тайната е, че фреонът може да остане в течно състояние само при достатъчно ниска температура. В хладилната камера, поради топлината на камерата, тя се нагрява и кипи, превръщайки се в пара. Но парата се компресира от компресора, втечнява се и влиза в изпарителя, компенсирайки загубата на изпаряващ се фреон. Енергията се използва за работа на компресора.
В устройствата за дълбоко охлаждане носителят на студа е свръхстудена течност - течен хелий. Безцветен, лек (8 пъти по-лек от водата), кипи при атмосферно налягане при 4,2°К, а във вакуум при 0,7°К. Още по-ниска температура дава лекият изотоп на хелия: 0,3°K.
Доста трудно е да се организира постоянен хелиев хладилник. Изследванията се извършват просто във вани с течен хелий. И за да втечнят този газ, физиците използват различни техники. Например, предварително охладен и компресиран хелий се разширява чрез освобождаването му през тънък отвор във вакуумна камера. В същото време температурата все още намалява и част от газа се превръща в течност. По-ефективно е не само да разширите охладения газ, но и да го накарате да върши работа - да движи буталото.
Полученият течен хелий се съхранява в специални термоси - съдове на Дюар. Цената на тази най-студена течност (единствената, която не замръзва при абсолютната нула) е доста висока. Въпреки това течният хелий се използва все по-широко не само в науката, но и в различни технически устройства.
Най-ниските температури са постигнати по различен начин. Оказва се, че молекулите на някои соли, като например калиево-хромовата стипца, могат да се въртят по магнитните силови линии. Тази сол се охлажда предварително с течен хелий до 1°K и се поставя в силно магнитно поле. В този случай молекулите се въртят по силовите линии, а освободената топлина се отнема от течен хелий. След това магнитното поле рязко се отстранява, молекулите отново се обръщат в различни посоки и изразходваните
тази работа води до допълнително охлаждане на солта. По този начин се получава температура от 0,001 ° К. По подобен принципен метод, използвайки други вещества, може да се получи още по-ниска температура.
Най-ниската температура, получена досега на Земята, е 0,00001°K.
Веществото, замразено до ултраниски температури във вани с течен хелий, се променя значително. Каучукът става крехък, оловото става твърдо като стомана и еластично, много сплави увеличават здравината.
Самият течен хелий се държи по особен начин. При температури под 2,2 °K той придобива безпрецедентно за обикновените течности свойство - свръхтечливост: част от него напълно губи вискозитет и тече без никакво триене през най-тесните процепи.
Това явление, открито през 1937 г. от съветския физик академик П. JI. Капица, обясни тогава акад. JI. Д. Ландау.
Оказва се, че при свръхниски температури квантовите закони на поведението на материята започват да се отразяват осезаемо. Както изисква един от тези закони, енергията може да се предава от тяло на тяло само в съвсем определени порции - кванти. В течния хелий има толкова малко топлинни кванти, че няма достатъчно за всички атоми. Част от течността, лишена от топлинни кванти, остава при абсолютна нулева температура, нейните атоми изобщо не участват в произволно топлинно движение и по никакъв начин не взаимодействат със стените на съда. Тази част (тя се наричаше хелий-Н) притежава свръхтечност. С понижаването на температурата хелий-II става все повече и повече и при абсолютна нула целият хелий ще се превърне в хелий-H.
Свръхфлуидността вече е проучена много подробно и дори е намерена полезна практическа употреба: с негова помощ е възможно да се разделят изотопи на хелий.
Близо до абсолютната нула настъпват изключително любопитни промени в електрическите свойства на определени материали.
През 1911 г. холандският физик Kamerling-Onnes направи неочаквано откритие: оказа се, че при температура от 4,12 ° K електрическото съпротивление напълно изчезва в живака. Меркурий става свръхпроводник. Електрическият ток, индуциран в свръхпроводящия пръстен, не се разпада и може да тече почти вечно.
Над такъв пръстен свръхпроводяща топка ще се носи във въздуха и няма да падне, сякаш от приказка.<гроб Магомета>, тъй като тежестта му се компенсира от магнитното отблъскване между пръстена и топката. В края на краищата незатихващият ток в пръстена ще създаде магнитно поле, а то от своя страна ще индуцира електрически ток в топката и заедно с него противоположно насочено магнитно поле.
В допълнение към живака, калай, олово, цинк и алуминий имат свръхпроводимост близо до абсолютната нула. Това свойство е открито в 23 елемента и над сто различни сплави и други химични съединения.
Температурите, при които се появява свръхпроводимост (критични температури), са в доста широк диапазон от 0,35 ° K (хафний) до 18 ° K (ниобиево-калаена сплав).
Явлението свръхпроводимост, както и свръх-
течливост, проучена в детайли. Зависимостите на критичните температури от вътрешна структураматериали и външни магнитно поле. Създадена е дълбока теория на свръхпроводимостта (важен принос на съветския учен акад. Н. Н. Боголюбов).
Същността на това парадоксално явление отново е чисто квантова. При свръхниски температури електроните влизат
свръхпроводниците образуват система от свързани по двойки частици, които не могат да отделят енергия кристална решетка, изразходват енергийни кванти, за да го загреят. Двойките електрони се движат като<танцуя>, между<прутьями решетки>- йони и ги заобикаля без сблъсъци и пренос на енергия.
Свръхпроводимостта се използва все повече в технологиите.
Например навлизат в практиката свръхпроводящи соленоиди - свръхпроводящи бобини, потопени в течен хелий. Веднъж индуцираният ток и, следователно, магнитното поле могат да се съхраняват в тях за произволно дълго време. Може да достигне гигантска стойност - над 100 000 ерстеда. В бъдеще несъмнено ще се появят мощни индустриални свръхпроводящи устройства - електродвигатели, електромагнити и др.
В радиоелектрониката свръхчувствителните усилватели и генератори започват да играят значителна роля. електромагнитни вълни, които работят особено добре във вани с течен хелий – там вътрешната<шумы>оборудване. В електронно-изчислителната технология се обещава светло бъдеще за свръхпроводящи ключове с ниска мощност - криотрони (вижте чл.<Пути электроники>).
Не е трудно да си представим колко изкушаващо би било да се повиши работата на такива устройства до по-високи, по-достъпни температури. IN напоследъксе отваря надеждата за създаване на свръхпроводници от полимерен филм. Особеното естество на електрическата проводимост в такива материали обещава брилянтна възможност за поддържане на свръхпроводимост дори при стайна температура. Учените упорито търсят начини да реализират тази надежда.
А сега нека надникнем в царството на най-горещото нещо на света – в недрата на звездите. Където температурите достигат милиони градуси.
Хаотичното топлинно движение в звездите е толкова интензивно, че цели атоми не могат да съществуват там: те се унищожават при безброй сблъсъци.
Следователно толкова силно нагрято вещество не може да бъде нито твърдо, нито течно, нито газообразно. Той е в състояние на плазма, т.е. смес от електрически заредени<осколков>атоми - атомни ядра и електрони.
Плазмата е вид състояние на материята. Тъй като неговите частици са електрически заредени, те чувствително се подчиняват на електрически и магнитни сили. Следователно непосредствената близост на две атомни ядра (те носят положителен заряд) е рядко явление. Само при висока плътност и огромни температури те се сблъскват един с друг атомни ядраспособен да се доближи. Тогава протичат термоядрени реакции – източникът на енергия за звездите.
Най-близката до нас звезда - Слънцето се състои основно от водородна плазма, която се нагрява в недрата на звездата до 10 милиона градуса. При такива условия, макар и рядко, се случват близки срещи на бързи водородни ядра - протони. Понякога приближаващите протони взаимодействат: преодолявайки електрическото отблъскване, те попадат във властта на гиганта ядрени силиатракция, бързо<падают>един друг и се сливат. Тук се извършва мигновено преструктуриране: вместо два протона се появяват деутерон (ядрото на тежък изотоп на водорода), позитрон и неутрино. Освободената енергия е 0,46 милиона електронволта (Mev).
Всеки отделен слънчев протон може да влезе в такава реакция средно веднъж на 14 милиарда години. Но в недрата на светилото има толкова много протони, че тук и там се случва това малко вероятно събитие - и нашата звезда гори с равномерния си, ослепителен пламък.
Синтезът на дейтрони е само първата стъпка в слънчевата топлина ядрени трансформации. Новороденият дейтрон много скоро (средно след 5,7 секунди) се комбинира с още един протон. Появяват се ядро от лек хелий и гама-лъч електромагнитно излъчване. Отделя се 5,48 MeV енергия.
И накрая, средно веднъж на милион години две ядра от лек хелий могат да се сближат и слеят. Тогава се образува обикновено хелиево ядро (алфа частица) и два протона се отделят. Отделя се 12,85 MeV енергия.
Този тристепенен<конвейер>термоядрените реакции не са единствените. Има друга верига от ядрени трансформации, по-бързи. В него участват (без да се изразходват) атомните ядра на въглерода и азота. Но и в двата варианта алфа частиците се синтезират от водородни ядра. Образно казано слънчевата водородна плазма<сгорает>, превръща се в<золу>- хелиева плазма. А в процеса на синтез на всеки грам хелиева плазма се отделят 175 хиляди kWh енергия. Страхотна сума!
Всяка секунда Слънцето излъчва 41033 ерг енергия, губейки 41012 g (4 милиона тона) материя в теглото си. Но общата маса на Слънцето е 2 1027 тона.Това означава, че след милион години, поради излъчването на радиация, Слънцето<худеет>само една десет милионна от масата си. Тези цифри красноречиво илюстрират ефективността на термоядрените реакции и гигантската калоричност на слънчевата енергия.<горючего>- водород.
Термоядреният синтез изглежда е основният източник на енергия за всички звезди. При различни температури и плътности на звездните вътрешности протичат различни видове реакции. По-специално, слънчева<зола>- хелиеви ядра - при 100 милиона градуса то самото става термоядрено<горючим>. Тогава дори по-тежки атомни ядра - въглерод и дори кислород - могат да бъдат синтезирани от алфа частици.
Според много учени цялата ни Метагалактика като цяло също е плод на термоядрен синтез, който се е състоял при температура от един милиард градуса (виж чл.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Изключителното калорично съдържание на термоядрените<горючего>накара учените да търсят изкуствено прилагане на реакции на ядрен синтез.
<Горючего>На нашата планета има много изотопи на водорода. Например, свръхтежкият водороден тритий може да бъде получен от метален литий в ядрени реактори. А тежкият водород - деутерият е част от тежката вода, която може да се извлече от обикновена вода.
Тежкият водород, извлечен от две чаши обикновена вода, би осигурил толкова енергия в термоядрения реактор, колкото сега осигурява изгарянето на варел висококачествен бензин.
Трудността е в предварителното загряване<горючее>до температури, при които може да се запали с мощен термоядрен огън.
Този проблем е решен за първи път във водородната бомба. Водородните изотопи там се запалват от експлозия атомна бомба, което е придружено от нагряване на веществото до много десетки милиони градуси. В една версия на водородната бомба термоядреното гориво е химическо съединениетежък водород с лек литий - деутерид на леки l и t и i. Този бял прах, подобен на готварска сол,<воспламеняясь>от<спички>, което е атомната бомба, моментално избухва и създава температура от стотици милиони градуси.
За да започне мирна термоядрена реакция, човек трябва преди всичко да се научи как без помощта на атомна бомба да нагрява малки дози от достатъчно плътна плазма от водородни изотопи до температури от стотици милиони градуси. Този проблем е един от най-трудните в съвременната приложна физика. Учени от цял свят работят върху него от много години.
Вече казахме, че хаотичното движение на частиците създава нагряване на телата, а средната енергия на тяхното произволно движение съответства на температурата. Да загрееш студено тяло означава да създадеш това разстройство по какъвто и да е начин.
Представете си, че две групи бегачи бързо се втурват една към друга. Така се сблъскаха, смесиха, започна тълпа, объркване. Голяма бъркотия!
Приблизително по същия начин физиците първо се опитаха да получат висока температура - чрез изтласкване на газови струи под високо налягане. Газът се нагрява до 10 хиляди градуса. По едно време беше рекорд: температурата е по-висока, отколкото на повърхността на Слънцето.
Но с този метод по-нататъшното, доста бавно, неексплозивно нагряване на газа е невъзможно, тъй като топлинното разстройство моментално се разпространява във всички посоки, затопляйки стените на експерименталната камера и околната среда. Получената топлина бързо напуска системата и е невъзможно да се изолира.
Ако газовите струи се заменят с плазмени потоци, проблемът с топлоизолацията остава много труден, но има и надежда за неговото решение.
Вярно е, че плазмата не може да бъде защитена от загуба на топлина от съдове, направени дори от най-огнеупорното вещество. При контакт с твърдите стени горещата плазма веднага се охлажда. От друга страна, човек може да се опита да задържи и нагрее плазмата, като създаде нейното натрупване във вакуум, така че да не докосва стените на камерата, а да виси в празнотата, без да докосва нищо. Тук трябва да се възползваме от факта, че плазмените частици не са неутрални, като газовите атоми, а електрически заредени. Следователно в движение те са подложени на действието на магнитни сили. Възниква проблемът: да се създаде магнитно поле със специална конфигурация, в което горещата плазма да виси като в торба с невидими стени.
Най-простата форма на такова електрическо поле се създава автоматично, когато през плазмата преминават силни електрически импулси. В този случай около плазмената нишка се индуцират магнитни сили, които се стремят да компресират нишката. Плазмата се отделя от стените на разрядната тръба и температурата се повишава до 2 милиона градуса близо до оста на нишката в поток от частици.
У нас такива опити са извършени още през 1950 г. под ръководството на академиците JI. А. Арцимович и М. А. Леонтович.
Друга посока на експерименти е използването на магнитна бутилка, предложена през 1952 г. от съветския физик Г. И. Будкер, сега академик. Магнитната бутилка се поставя в корктрон - цилиндрична вакуумна камера, оборудвана с външна намотка, която се удебелява в краищата на камерата. Токът, протичащ през намотката, създава магнитно поле в камерата. Силовите му линии в средната част са успоредни на образуващите на цилиндъра, а в краищата са компресирани и образуват магнитни тапи. Плазмените частици, инжектирани в магнитна бутилка, се навиват около силовите линии и се отразяват от тапите. В резултат на това плазмата се задържа известно време вътре в бутилката. Ако енергията на плазмените частици, въведени в бутилката, е достатъчно висока и те са достатъчно, те влизат в сложни силови взаимодействия, тяхното първоначално подредено движение се заплита, става неподредено - температурата на водородните ядра се повишава до десетки милиони градуси. .
Допълнителното отопление се постига чрез електромагнитно<ударами>чрез плазма, компресия на магнитно поле и т.н. Сега плазмата от тежки водородни ядра се нагрява до стотици милиони градуси. Вярно е, че това може да се направи или за кратко време, или при ниска плътност на плазмата.
За да се възбуди самоподдържаща се реакция, е необходимо допълнително да се повиши температурата и плътността на плазмата. Това е трудно постижимо. Въпреки това, както са убедени учените, проблемът е безспорно разрешим.
G.B. Анфилов
Публикуването на снимки и цитирането на статии от нашия сайт на други ресурси е разрешено, при условие че е предоставена връзка към източника и снимките.
