Co je teplota absolutní nuly. Jaký je fyzikální význam absolutní nuly
> Absolutní nula
Naučte se, co se rovná absolutní nulová teplota a hodnotu entropie. Zjistěte, jaká je absolutní nula teploty na Celsiově a Kelvinově stupnici.
Absolutní nula- minimální teplota. To je značka, při které entropie dosahuje nejnižší hodnoty.
Učební úkol
- Pochopte, proč je absolutní nula přirozený indikátor nulový bod.
Klíčové body
- Absolutní nula je univerzální, to znamená, že veškerá hmota je s tímto indikátorem v základním stavu.
- K má kvantově mechanickou nulovou energii. Ale ve výkladu Kinetická energie může být nula a teplotní ztráta zmizí.
- Nejnižší možná teplota v laboratorních podmínkách dosahovala 10-12 K. Minimální přirozená teplota byla 1K (expanze plynů v mlhovině Bumerang).
Podmínky
- Entropie je měřítkem toho, jak je v systému distribuována rovnoměrná energie.
- Termodynamika je vědní obor, který studuje teplo a jeho vztah k energii a práci.
Absolutní nula je minimální teplota, při které entropie dosáhne své nejnižší hodnoty. To znamená, že se jedná o nejmenší ukazatel, který lze v systému pozorovat. Jedná se o univerzální koncept a funguje jako nulový bod v systému teplotních jednotek.
Graf závislosti tlaku na teplotě pro různé plyny s konstantním objemem. Všimněte si, že všechny grafy jsou extrapolovány na nulový tlak při jedné teplotě.
Systém v absolutní nule je stále vybaven kvantově mechanickou nulovou energií. Podle principu neurčitosti nelze polohu částic určit s absolutní přesností. Pokud je částice přemístěna v absolutní nule, pak má stále minimální energetickou rezervu. Ale v klasické termodynamice může být kinetická energie nulová a tepelná energie mizí.
nulový bod termodynamická stupnice, stejně jako Kelvin, se rovná absolutní nule. Mezinárodní dohoda stanovila, že teplota absolutní nuly dosahuje 0 K na Kelvinově stupnici a -273,15 °C na Celsiově stupnici. Látka při minimální teplotě vykazuje kvantové efekty, jako je supravodivost a supratekutost. Nejnižší teplota v laboratorních podmínkách byla 10-12 K a v přírodním prostředí - 1 K (rychlá expanze plynů v mlhovině Bumerang).
Rychlá expanze plynů vede k minimální pozorované teplotě
Mezní teplota, při které se objem ideálního plynu stane nulovým, je brána jako teplota absolutní nuly. Objem skutečných plynů při teplotě absolutní nuly však nemůže zaniknout. Má pak tento teplotní limit smysl?
Mezní teplota, jejíž existence vyplývá z Gay-Lussacova zákona, má smysl, protože je prakticky možné přiblížit vlastnosti reálného plynu vlastnostem ideálního. K tomu je nutné odebírat stále více zředěný plyn, takže jeho hustota má tendenci k nule. S klesající teplotou bude mít objem takového plynu tendenci k hranici blízké nule.
Najdeme hodnotu absolutní nuly na Celsiově stupnici. Vyrovnání objemu PROTIPROTI vzorce (3.6.4) na nulu as přihlédnutím k tomu
Teplota je tedy absolutní nula
* Přesnější hodnota pro absolutní nulu: -273,15 °C.
Toto je limitní, nejnižší teplota v přírodě, onen „největší nebo poslední stupeň chladu“, jehož existenci Lomonosov předpověděl.
Kelvinova stupnice
Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - vynikající anglický fyzik, jeden ze zakladatelů termodynamiky a molekulárně-kinetické teorie plynů.
Kelvin zavedl absolutní teplotní stupnici a dal jednu z formulací druhého termodynamického zákona v podobě nemožnosti úplné přeměny tepla na práci. Vypočítal velikost molekul na základě měření povrchové energie kapaliny. V souvislosti s položením transatlantického telegrafního kabelu Kelvin vyvinul teorii elektromagnetických kmitů a odvodil vzorec pro periodu volných kmitů v obvodu. Za vědecké zásluhy W. Thomson obdržel titul lorda Kelvina.
Anglický vědec W. Kelvin představil absolutní teplotní stupnici. Nulová teplota na Kelvinově stupnici odpovídá absolutní nule a jednotka teploty na této stupnici je rovna stupňům Celsia, takže absolutní teplota T souvisí s teplotou na Celsiově stupnici podle vzorce
(3.7.6)
Obrázek 3.11 ukazuje absolutní měřítko a Celsiovo měřítko pro srovnání.
Jednotka SI absolutní teploty se nazývá kelvin (zkráceně K). Proto se jeden stupeň Celsia rovná jednomu stupni Kelvina: 1 °C = 1 K.
Absolutní teplota, podle definice dané vzorcem (3.7.6), je tedy derivační veličina v závislosti na Celsiově teplotě a na experimentálně stanovené hodnotě a. Má však zásadní význam.
Z hlediska molekulární kinetické teorie je absolutní teplota vztažena k průměrné kinetické energii náhodného pohybu atomů nebo molekul. Na T = O K se tepelný pohyb molekul zastaví. O tom bude podrobněji pojednáno v kapitole 4.
Objem versus absolutní teplota
Pomocí Kelvinovy stupnice lze Gay-Lussacův zákon (3.6.4) zapsat v jednodušší podobě. Protože
(3.7.7)
Objem plynu dané hmotnosti při konstantním tlaku je přímo úměrný absolutní teplotě.
Z toho vyplývá, že poměr objemů plynu stejné hmotnosti v různých stavech při stejném tlaku se rovná poměru absolutních teplot:
(3.7.8)
Existuje minimální možná teplota, při které objem (a tlak) ideálního plynu mizí. Toto je teplota absolutní nuly:-273 °С. Teplotu je vhodné měřit od absolutní nuly. Takto je postavena absolutní teplotní stupnice.
Absolutní nula (absolutní nula) - začátek absolutní teploty, počínaje 273,16 K pod trojným bodem vody (bod rovnováhy tří fází - led, voda a vodní pára); při absolutní nule se pohyb molekul zastaví a ty jsou ve stavu „nulových“ pohybů. Nebo: nejnižší teplota, při které látka neobsahuje žádnou tepelnou energii.
Absolutní nula Startúdaj o absolutní teplotě. Odpovídá -273,16 ° С. V současnosti se fyzikálním laboratořím podařilo získat teplotu překračující absolutní nulu jen o pár miliontin stupně, ale podle zákonů termodynamiky je nemožné ji dosáhnout. Při absolutní nule by byl systém ve stavu s nejnižší možnou energií (v tomto stavu by atomy a molekuly dělaly „nulové“ vibrace) a měl by nulovou entropii (nulovou porucha). Objem ideálního plynu v bodě absolutní nuly se musí rovnat nule a pro určení tohoto bodu se změří objem skutečného plynu helia při konzistentní snížení teploty, dokud nezkapalní při nízkém tlaku (-268,9 °C) a extrapoluje se na teplotu, při které by se objem plynu dostal na nulu bez zkapalnění. Absolutní teplota termodynamické Stupnice se měří v kelvinech a označuje se symbolem K. Absolutní termodynamické stupnice a stupnice Celsia jsou jednoduše vůči sobě posunuty a souvisí vztahem K = °C + 273,16 °.
Příběh
Slovo „teplota“ vzniklo v době, kdy lidé věřili, že žhavější těla obsahují větší množství speciální látky – kalorické než méně zahřátá. Proto byla teplota vnímána jako síla směsi tělesných látek a kalorií. Z tohoto důvodu se měrné jednotky pro sílu alkoholických nápojů a teplotu nazývají stejné - stupně.
Z toho, že teplota je kinetická energie molekul, je zřejmé, že nejpřirozenější je měřit ji v energetických jednotkách (tedy v soustavě SI v joulech). Měření teploty však začalo dávno před vznikem molekulární kinetické teorie, takže praktické váhy měří teplotu v konvenčních jednotkách – stupních.
Kelvinova stupnice
V termodynamice se používá Kelvinova stupnice, ve které se teplota měří od absolutní nuly (stav odpovídající minimální teoreticky možné vnitřní energii tělesa), přičemž jeden kelvin je roven 1/273,16 vzdálenosti od absolutní nuly k trojný bod vody (stav, ve kterém jsou páry led, voda a voda v rovnováze. Boltzmannova konstanta se používá k převodu kelvinů na energetické jednotky. Používají se také odvozené jednotky: kilokelvin, megakelvin, milikelvin atd.
Celsia
V každodenním životě se používá stupnice Celsia, ve které se bod tuhnutí vody bere jako 0 a bod varu vody při atmosférickém tlaku se bere jako 100 °. Protože body tuhnutí a varu vody nejsou dobře definovány, stupnice Celsia je v současné době definována pomocí stupnice Kelvin: stupně Celsia se rovnají Kelvinům, za absolutní nulu se považuje -273,15 °C. Celsiova stupnice je prakticky velmi pohodlná, protože voda je na naší planetě velmi běžná a náš život je na ní založen. Nula Celsia je zvláštní bod pro meteorologii, protože zamrzání atmosférické vody vše výrazně mění.
Fahrenheita
V Anglii a zejména v USA se používá stupnice Fahrenheit. V této stupnici je interval vydělen 100 stupni od teploty studená zima ve městě, kde žil Fahrenheit, na teplotu lidského těla. Nula stupňů Celsia je 32 stupňů Fahrenheita a stupeň Fahrenheita je 5/9 stupňů Celsia.
Současná definice stupnice Fahrenheit je následující: je to teplotní stupnice, jejíž 1 stupeň (1 °F) se rovná 1/180 rozdílu mezi bodem varu vody a táním ledu při atmosférickém tlaku, a bod tání ledu je +32 °F. Teplota na Fahrenheitově stupnici souvisí s teplotou na Celsiově stupnici (t ° С) poměrem t ° С = 5/9 (t ° F - 32), 1 ° F = 5/9 ° С. Navrhl G. Fahrenheit v roce 1724.
Reaumurova stupnice
Navrhl jej v roce 1730 R. A. Reaumur, který popsal lihový teploměr, který vynalezl.
Jednotka - stupeň Réaumur (°R), 1°R se rovná 1/80 teplotního intervalu mezi referenčními body - teplota tajícího ledu (0°R) a vroucí vody (80°R)
1 °R = 1,25 °C.
V současnosti stupnice zanikla, nejdéle se dochovala ve Francii, v domovině autora.
Porovnání teplotních stupnic
| Popis | Kelvin | Celsia | Fahrenheita | newton | Réaumur |
| Absolutní nula | −273.15 | −459.67 | −90.14 | −218.52 | |
| Bod tání směsi Fahrenheita (sůl a led ve stejném množství) | 0 | −5.87 | |||
| Bod tuhnutí vody (normální podmínky) | 0 | 32 | 0 | ||
| Průměrná teplota lidského těla¹ | 36.8 | 98.2 | 12.21 | ||
| Bod varu vody (normální podmínky) | 100 | 212 | 33 | ||
| Povrchová teplota Slunce | 5800 | 5526 | 9980 | 1823 |
Normální teplota lidského těla je 36,6 °C ±0,7 °C nebo 98,2 °F ±1,3 °F. Běžně uváděná hodnota 98,6 °F je přesný převod Fahrenheita na německou hodnotu z 19. století 37 °C. Protože tato hodnota je mimo normální teplotní rozsah pro moderní nápady, můžeme říci, že obsahuje nadměrnou (nesprávnou) přesnost. Některé hodnoty v této tabulce byly zaokrouhleny.
Porovnání stupnice Fahrenheita a Celsia
(z- stupnice Fahrenheita, o C- stupnice Celsia)
| ÓF | ÓC | ÓF | ÓC | ÓF | ÓC | ÓF | ÓC | |||
| -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 |
Chcete-li převést stupně Celsia na kelviny, použijte vzorec T=t+TO kde T je teplota v kelvinech, t je teplota ve stupních Celsia, T 0 =273,15 kelvinů. Stupeň Celsia se rovná velikosti kelvinu.
Absolutní nule odpovídá teplota −273,15 °C.
Předpokládá se, že absolutní nula je v praxi nedosažitelná. Jeho existence a poloha na teplotní stupnici vyplývá z extrapolace pozorovaných fyzikálních jevů, přičemž taková extrapolace ukazuje, že při absolutní nule musí být energie tepelného pohybu molekul a atomů látky rovna nule, tj. chaotický pohyb částic se zastaví a ty vytvoří uspořádanou strukturu, zaujímající jasnou pozici v uzlech krystalové mřížky. Ve skutečnosti však i při absolutní nulové teplotě zůstanou pravidelné pohyby částic, které tvoří hmotu. Zbývající fluktuace, jako jsou vibrace nulového bodu, jsou způsobeny kvantovými vlastnostmi částic a fyzikálním vakuem, které je obklopuje.
V současnosti jsou fyzikální laboratoře schopny získat teploty překračující absolutní nulu pouze o několik milióntin stupně; je nemožné toho dosáhnout, podle zákonů termodynamiky.
Poznámky
Literatura
- G. Burmin. Bouřlivá absolutní nula. - M .: "Dětská literatura", 1983.
viz také
Nadace Wikimedia. 2010 .
Podívejte se, co je "Absolute Zero" v jiných slovnících:
ABSOLUTNÍ NULA, teplota, při které mají všechny součásti systému nejmenší množství energie povolené zákony KVANTOVÉ MECHANIKY; nula na Kelvinově teplotní stupnici nebo 273,15 °C (459,67 ° Fahrenheita). Při této teplotě... Vědeckotechnický encyklopedický slovník
Teploty jsou minimální teplotní limit, který může fyzické tělo mít. Absolutní nula je výchozím bodem pro absolutní teplotní stupnici, jako je Kelvinova stupnice. Na stupnici Celsia odpovídá absolutní nule teplotě −273 ... Wikipedie
ABSOLUTNÍ NULOVÁ TEPLOTA- původ termodynamické teplotní stupnice; nachází se při 273,16 K (Kelvin) pod (viz) vodou, tzn. rovná 273,16 °C (Celsia). Absolutní nula je nejnižší teplota v přírodě a téměř nedosažitelná... Velká polytechnická encyklopedie
Toto je minimální teplotní limit, který může fyzické tělo mít. Absolutní nula je výchozím bodem pro absolutní teplotní stupnici, jako je Kelvinova stupnice. Na stupnici Celsia odpovídá absolutní nule teplotě −273,15 °C. ... ... Wikipedia
Teplota absolutní nuly je minimální teplotní limit, který může fyzické tělo mít. Absolutní nula je výchozím bodem pro absolutní teplotní stupnici, jako je Kelvinova stupnice. Na stupnici Celsia absolutní nula odpovídá ... ... Wikipedii
Razg. Zanedbání Bezvýznamný, bezvýznamný člověk. FSRYA, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 ...
nula- absolutní nula … Slovník ruských idiomů
Nula a nula n., m., použití. komp. často Morfologie: (ne) co? nula a nula, proč? nula a nula, (viz) co? nula a nula, co? nula a nula, o čem? asi nula, nula; pl. Co? nuly a nuly, (ne) co? nuly a nuly, proč? nuly a nuly, (vidím) ... ... Slovník Dmitrieva
Absolutní nula (nula). Razg. Zanedbání Bezvýznamný, bezvýznamný člověk. FSRYA, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 Na nulu. 1. Jarg. oni říkají Kyvadlová doprava. žehlička. O těžké intoxikaci. Juganov, 471; Vachitov 2003, 22. 2. Jarg. hudba Přesně, v plném souladu s ... ... Velký slovník Ruská rčení
absolutní- absolutní absurdita absolutní autorita absolutní bezvadnost absolutní nepořádek absolutní fikce absolutní imunita absolutní vůdce absolutní minimum absolutní monarcha absolutní morálka absolutní nula ... ... Slovník ruských idiomů
knihy
- Absolutní nula, Absolutní Pavel. Život všech výtvorů šíleného vědce rasy nes je velmi krátký. Ale příští experiment má šanci existovat. Co ho čeká?...
Když meteorologická zpráva předpovídá teploty kolem nuly, neměli byste chodit na kluziště: led roztaje. Teplota tání ledu se bere jako nula stupňů Celsia - nejběžnější teplotní stupnice.
Jsme si dobře vědomi negativních stupňů Celsiovy stupnice – stupňů<ниже
нуля>, stupně chladu. Nejnižší teplota na Zemi byla zaznamenána v Antarktidě: -88,3°C. Mimo Zemi jsou možné ještě nižší teploty: na povrchu Měsíce může o měsíční půlnoci dosáhnout -160 °C.
Nikde ale nemohou být libovolně nízké teploty. Extrémně nízká teplota - absolutní nula - na Celsiově stupnici odpovídá - 273,16 °.
Absolutní teplotní stupnice, Kelvinova stupnice, pochází z absolutní nuly. Led taje při 273,16° Kelvina a voda se vaří při 373,16° K. Stupeň K se tedy rovná stupni C. Ale na Kelvinově stupnici jsou všechny teploty kladné.
Proč je 0°K hranicí chladu?
Teplo je chaotický pohyb atomů a molekul hmoty. Když se látka ochladí, odebere se jí tepelná energie a v tomto případě náhodný pohyb částic slábne. Nakonec při silném chlazení, tepelné<пляска>částice se téměř úplně zastaví. Atomy a molekuly by zcela zmrzly při teplotě, která je brána jako absolutní nula. Podle principů kvantové mechaniky by se při absolutní nule zastavil právě tepelný pohyb částic, ale samotné částice by nezamrzly, protože nemohou být zcela v klidu. V absolutní nule si tedy částice musí stále zachovávat nějaký druh pohybu, který se nazývá nula.
Ochladit látku na teplotu pod absolutní nulou je však nápad stejně nesmyslný jako třeba záměr<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Navíc i dosažení přesné absolutní nuly je také téměř nemožné. Můžete se k němu pouze přiblížit. Protože absolutně veškerou její tepelnou energii nelze látce žádným způsobem odebrat. Část tepelné energie zůstává i při nejhlubším ochlazení.
Jak dosahují ultra nízkých teplot?
Zmrazit látku je obtížnější než ji zahřát. Je to vidět alespoň ze srovnání provedení sporáku a lednice.
Ve většině domácích a průmyslových chladniček je teplo odváděno díky odpařování speciální kapaliny - freonu, která cirkuluje kovovými trubkami. Tajemství spočívá v tom, že freon může zůstat v kapalném stavu pouze při dostatečně nízké teplotě. V chladicí komoře se vlivem tepla komory zahřívá a vaří a mění se v páru. Pára je však kompresorem stlačena, zkapalněna a vstupuje do výparníku, čímž se kompenzuje ztráta vypařujícího se freonu. Energie se spotřebuje na provoz kompresoru.
V hlubinných chladicích zařízeních je nositelem chladu superchladná kapalina – kapalné helium. Bezbarvý, lehký (8krát lehčí než voda), vře za atmosférického tlaku při 4,2 °K a ve vakuu při 0,7 °K. Ještě nižší teplota je dána světelným izotopem helia: 0,3°K.
Zařídit stálou heliovou lednici je poměrně obtížné. Výzkum se provádí jednoduše v kapalných héliových lázních. A ke zkapalnění tohoto plynu používají fyzici různé techniky. Například předchlazené a stlačené helium expanduje jeho uvolněním přes tenký otvor do vakuové komory. Teplota přitom stále klesá a část plynu se mění v kapalinu. Efektivnější je ochlazený plyn nejen rozpínat, ale také ho přimět k práci – pohybovat pístem.
Vzniklé kapalné helium se ukládá do speciálních termosek – Dewarových nádob. Cena této nejchladnější kapaliny (jediné, která nezamrzá na absolutní nule) je poměrně vysoká. Přesto se nyní kapalné helium stále více využívá nejen ve vědě, ale také v různých technických zařízeních.
Nejnižších teplot bylo dosaženo jiným způsobem. Ukazuje se, že molekuly některých solí, například kamence draselného a chromitého, se mohou otáčet podél magnetických siločar. Tato sůl je předběžně ochlazena kapalným heliem na 1°K a umístěna do silného magnetického pole. V tomto případě molekuly rotují podél siločar a uvolněné teplo je odebíráno kapalným héliem. Poté se magnetické pole ostře odstraní, molekuly se opět otočí různými směry a utratí se
tato práce vede k dalšímu ochlazování soli. Tak byla získána teplota 0,001 ° K. Podobným způsobem v principu s použitím jiných látek lze získat ještě nižší teplotu.
Nejnižší dosud získaná teplota na Zemi je 0,00001°K.
Látka zmrazená na ultra nízké teploty v kapalných héliových lázních se výrazně mění. Pryž se stává křehkou, olovo se stává tvrdým jako ocel a pružným, mnoho slitin zvyšuje pevnost.
Samotné kapalné helium se chová zvláštním způsobem. Při teplotách pod 2,2 °K získává pro běžné kapaliny nevídanou vlastnost - supratekutost: část zcela ztrácí viskozitu a protéká bez jakéhokoli tření nejužšími štěrbinami.
Tento jev, objevený v roce 1937 sovětským fyzikem akademikem P. JI. Kapitsa, pak vysvětlil akademik JI. D. Landau.
Ukazuje se, že při ultranízkých teplotách začínají znatelně ovlivňovat kvantové zákony chování hmoty. Jak jeden z těchto zákonů vyžaduje, energie může být přenášena z těla do těla pouze ve zcela určitých porcích - kvantech. V kapalném heliu je tak málo tepelných kvant, že jich není dost pro všechny atomy. Část kapaliny, zbavená tepelných kvant, zůstává na teplotě absolutní nuly, její atomy se vůbec neúčastní náhodného tepelného pohybu a nijak neinteragují se stěnami nádoby. Tato část (nazývaná helium-H) má supratekutost. S klesající teplotou je helium-II stále více a více a při absolutní nule by se veškeré helium změnilo na helium-H.
Supratekutost byla nyní velmi podrobně studována a dokonce se ukázalo, že je užitečná praktické využití: s jeho pomocí je možné oddělit izotopy helia.
V blízkosti absolutní nuly dochází k mimořádně kuriózním změnám elektrických vlastností určitých materiálů.
V roce 1911 holandský fyzik Kamerling-Onnes učinil nečekaný objev: ukázalo se, že při teplotě 4,12 ° K elektrický odpor ve rtuti úplně zmizí. Merkur se stává supravodičem. Elektrický proud indukovaný v supravodivém prstenci se nerozpadá a může téci téměř věčně.
Nad takovým prstencem se bude supravodivá kulička vznášet ve vzduchu a nespadne jako z pohádky.<гроб Магомета>, protože jeho tíže je kompenzována magnetickým odpuzováním mezi kroužkem a kuličkou. Netlumený proud v prstenci totiž vytvoří magnetické pole a to zase indukuje v kouli elektrický proud a spolu s ním i opačně nasměrované magnetické pole.
Kromě rtuti mají cín, olovo, zinek a hliník supravodivost blízkou absolutní nule. Tato vlastnost byla nalezena u 23 prvků a více než stovky různých slitin a dalších chemických sloučenin.
Teploty, při kterých se objevuje supravodivost (kritické teploty), jsou v poměrně širokém rozmezí, od 0,35 °K (hafnium) do 18 °K (slitina niob-cín).
Fenomén supravodivosti, stejně jako supravodivosti
tekutost, podrobně studovaná. Závislosti kritických teplot na vnitřní struktura materiály a vnější magnetické pole. Byla vyvinuta hluboká teorie supravodivosti (významný příspěvek přinesl sovětský vědec akademik N. N. Bogolyubov).
Podstata tohoto paradoxního jevu je opět čistě kvantová. Při ultranízkých teplotách vnikají elektrony
supravodič tvoří systém párově vázaných částic, které nemohou vydávat energii krystalová mřížka, utratit kvanta energie na její zahřátí. Dvojice elektronů se pohybují podobně<танцуя>, mezi<прутьями решетки>- ionty a obejít je bez kolizí a přenosu energie.
V technologii se stále více využívá supravodivost.
Do praxe se dostávají například supravodivé solenoidy – supravodivé cívky ponořené do kapalného helia. Jednou indukovaný proud a následně i magnetické pole v nich může být uloženo na libovolně dlouhou dobu. Může dosáhnout gigantické hodnoty - přes 100 000 orerstedů. V budoucnu se nepochybně objeví výkonná průmyslová supravodivá zařízení - elektromotory, elektromagnety atd.
V radioelektronice začínají hrát významnou roli supercitlivé zesilovače a generátory. elektromagnetické vlny, které zvláště dobře fungují v koupelích s kapalným heliem - tam vnitřní<шумы>zařízení. V elektronické výpočetní technice je slibná světlá budoucnost pro nízkoenergetické supravodivé spínače - kryotrony (viz čl.<Пути электроники>).
Není těžké si představit, jak lákavé by bylo posunout provoz takových zařízení na vyšší, dostupnější teploty. V Nedávno otevírá se naděje na vytvoření polymerních filmových supravodičů. Zvláštní povaha elektrické vodivosti v takových materiálech slibuje skvělou příležitost k udržení supravodivosti i při pokojových teplotách. Vědci vytrvale hledají způsoby, jak tuto naději realizovat.
A nyní se podíváme do říše toho nejžhavějšího na světě – do útrob hvězd. Kde teploty dosahují milionů stupňů.
Chaotický tepelný pohyb ve hvězdách je tak intenzivní, že tam nemohou existovat celé atomy: jsou zničeny v nesčetných srážkách.
Proto látka tak silně zahřátá nemůže být ani pevná, kapalná, ani plynná. Je ve stavu plazmy, tj. směsi elektricky nabitých<осколков>atomy - atomová jádra a elektrony.
Plazma je druh skupenství hmoty. Protože jeho částice jsou elektricky nabité, citlivě poslouchají elektrické a magnetické síly. Proto je těsná blízkost dvou atomových jader (nesou kladný náboj) vzácným jevem. Pouze při vysokých hustotách a obrovských teplotách do sebe narážejí atomová jádra schopen se přiblížit. Poté probíhají termonukleární reakce – zdroj energie pro hvězdy.
Nám nejbližší hvězda – Slunce se skládá převážně z vodíkového plazmatu, které se v útrobách hvězdy zahřívá až na 10 milionů stupňů. Za takových podmínek dochází k blízkým setkáním rychlých vodíkových jader - protonů, i když vzácně. Někdy se blížící se protony vzájemně ovlivňují: po překonání elektrického odpuzování upadnou do síly obra jaderné síly přitažlivost, rychlá<падают>navzájem a splývat. Zde dochází k okamžitému přeskupení: místo dvou protonů se objeví deuteron (jádro těžkého izotopu vodíku), pozitron a neutrino. Uvolněná energie je 0,46 milionů elektronvoltů (Mev).
Každý jednotlivý sluneční proton může vstoupit do takové reakce v průměru jednou za 14 miliard let. Ale v útrobách svítidla je tolik protonů, že tu a tam dojde k této nepravděpodobné události – a naše hvězda hoří svým rovnoměrným, oslnivým plamenem.
Syntéza deuteronů je pouze prvním krokem ve sluneční termice jaderné přeměny. Novorozený deuteron se velmi brzy (v průměru po 5,7 sekundách) spojí s jedním dalším protonem. Objeví se jádro lehkého helia a gama záření elektromagnetická radiace. Uvolní se 5,48 MeV energie.
Konečně, v průměru jednou za milion let se dvě jádra lehkého helia mohou sblížit a splynout. Poté se vytvoří obyčejné jádro helia (částice alfa) a odštěpí se dva protony. Uvolní se 12,85 MeV energie.
Tento třístupňový<конвейер>termonukleární reakce není jediná. Existuje další řetězec jaderných přeměn, rychlejší. Podílejí se na něm (aniž by se spotřebovávaly) atomová jádra uhlíku a dusíku. Ale v obou případech jsou částice alfa syntetizovány z jader vodíku. Obrazně řečeno, sluneční vodíkové plazma<сгорает>, měnící se na<золу>- heliové plazma. A v procesu syntézy každého gramu heliového plazmatu se uvolní 175 tisíc kWh energie. Skvělé množství!
Každou sekundu vyzáří Slunce 4 1033 ergů energie a ztrácí 4 1012 g (4 miliony tun) hmoty. Celková hmotnost Slunce je však 2 1027 t. To znamená, že za milion let díky emisi záření Slunce<худеет>pouze jednu desetimiliontinu své hmotnosti. Tato čísla výmluvně ilustrují účinnost termonukleárních reakcí a gigantickou výhřevnost sluneční energie.<горючего>- vodík.
Termonukleární fúze se zdá být hlavním zdrojem energie pro všechny hvězdy. Při různých teplotách a hustotách hvězdných vnitřků probíhají různé typy reakcí. Zejména solární<зола>- jádra helia - při 100 milionech stupňů se sama stává termonukleární<горючим>. Pak lze z částic alfa syntetizovat ještě těžší atomová jádra – uhlík a dokonce i kyslík.
Podle mnoha vědců je celá naše Metagalaxie jako celek také plodem termonukleární fúze, která probíhala při teplotě miliardy stupňů (viz čl.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Mimořádný obsah kalorií termonukleární<горючего>přiměl vědce k hledání umělé implementace reakcí jaderné fúze.
<Горючего>Na naší planetě je mnoho izotopů vodíku. Například supertěžký vodík tritium lze získat z kovového lithia v jaderných reaktorech. A těžký vodík – deuterium je součástí těžké vody, kterou lze extrahovat z obyčejné vody.
Těžký vodík extrahovaný ze dvou sklenic obyčejné vody by ve fúzním reaktoru poskytl tolik energie, jako nyní poskytuje spálení sudu prémiového benzinu.
Obtíž spočívá v předehřívání<горючее>na teploty, při kterých se může vznítit mohutným termonukleárním požárem.
Tento problém byl poprvé vyřešen ve vodíkové bombě. Izotopy vodíku se tam zapálí výbuchem atomová bomba, což je doprovázeno zahřátím látky na mnoho desítek milionů stupňů. V jedné verzi vodíkové bomby je termonukleární palivo chemická sloučenina těžký vodík s lehkým lithiem - deuterid lehkého la tai. Tento bílý prášek, podobný kuchyňské soli,<воспламеняясь>z<спички>, což je atomová bomba, okamžitě exploduje a vytvoří teplotu stovek milionů stupňů.
K zahájení mírové termonukleární reakce se člověk musí nejprve naučit, jak bez služeb atomové bomby zahřát malé dávky dostatečně husté plazmy izotopů vodíku na teploty stovek milionů stupňů. Tento problém je jedním z nejobtížnějších v moderní aplikované fyzice. Vědci z celého světa na tom pracují už řadu let.
Již jsme si řekli, že právě chaotický pohyb částic vytváří zahřívání těles a průměrná energie jejich náhodného pohybu odpovídá teplotě. Zahřát studené tělo znamená vytvořit tuto poruchu jakýmkoli způsobem.
Představte si, že se k sobě rychle řítí dvě skupiny běžců. Takže se srazili, smíchali, začal dav, zmatek. Velký nepořádek!
Přibližně stejným způsobem se fyzici nejprve pokoušeli získat vysokou teplotu - tlačením vysokotlakých trysek plynu. Plyn se zahřál až na 10 tisíc stupňů. Svého času to byl rekord: teplota je vyšší než na povrchu Slunce.
Ale s touto metodou je další, dosti pomalé, nevýbušné zahřívání plynu nemožné, protože tepelná porucha se okamžitě šíří všemi směry a ohřívá stěny experimentální komory a prostředí. Vzniklé teplo rychle opouští systém a není možné jej izolovat.
Pokud jsou proudy plynu nahrazeny proudy plazmy, zůstává problém tepelné izolace velmi obtížný, ale existuje také naděje na jeho řešení.
Pravda, plazma nemůže být chráněna před tepelnými ztrátami nádobami vyrobenými ani z té nejodolnější látky. Při kontaktu s pevnými stěnami se horké plazma okamžitě ochladí. Na druhé straně se lze pokusit udržet a zahřát plazmu vytvořením její akumulace ve vakuu tak, aby se nedotýkala stěn komory, ale visela v prázdnotě, aniž by se něčeho dotkla. Zde je třeba využít skutečnosti, že částice plazmatu nejsou neutrální, jako atomy plynu, ale jsou elektricky nabité. Proto v pohybu podléhají působení magnetických sil. Nastává problém: uspořádat magnetické pole speciální konfigurace, ve kterém by žhavé plazma viselo jako v pytli s neviditelnými stěnami.
Nejjednodušší forma takového elektrického pole se vytváří automaticky, když plazmou procházejí silné pulzy elektrického proudu. V tomto případě se kolem plazmového vlákna indukují magnetické síly, které mají tendenci vlákno stlačovat. Plazma se oddělí od stěn výbojkové trubice a teplota se v blízkosti osy vlákna zvýší na 2 miliony stupňů v přívalu částic.
U nás se takové pokusy prováděly již v roce 1950 pod vedením akademiků JI. A. Artsimovič a M.A. Leontovič.
Dalším směrem experimentů je použití magnetické láhve, navržené v roce 1952 sovětským fyzikem G. I. Budkerem, nyní akademikem. Magnetická láhev je umístěna v corktronu - válcové vakuové komoře vybavené vnějším vinutím, které se na koncích komory zahušťuje. Proud procházející vinutím vytváří v komoře magnetické pole. Jeho siločáry ve střední části jsou rovnoběžné s tvořícími přímkami válce a na koncích jsou stlačeny a tvoří magnetické zátky. Částice plazmy vstřikované do magnetické láhve se kroutí kolem siločar a odrážejí se od zátek. Výsledkem je, že plazma je nějakou dobu udržována uvnitř láhve. Pokud je energie částic plazmatu vnesená do lahvičky dostatečně vysoká a je jich dostatek, vstupují do složitých silových interakcí, jejich původně uspořádaný pohyb se zamotává, stává se neuspořádaným - teplota jader vodíku stoupá na desítky milionů stupňů .
Dodatečného ohřevu je dosaženo elektromagnetickým<ударами>plazmatem, kompresí magnetického pole atd. Nyní je plazma jader těžkého vodíku zahřátá na stovky milionů stupňů. Je pravda, že to lze provést buď krátkodobě, nebo při nízké hustotě plazmatu.
Pro vybuzení samoudržující reakce je nutné dále zvyšovat teplotu a hustotu plazmatu. Toho je obtížné dosáhnout. Problém je však, jak jsou vědci přesvědčeni, nepopiratelně řešitelný.
G.B. Anfilov
Zveřejňování fotografií a citování článků z našich stránek na jiných zdrojích je povoleno za předpokladu, že je uveden odkaz na zdroj a fotografie.
