Was ist die absolute nulltemperatur. Was ist die physikalische Bedeutung des absoluten Nullpunkts?

> Absoluter Nullpunkt

Erfahren Sie, was gleich ist absolute Nulltemperatur und Entropiewert. Finden Sie heraus, wie hoch die Temperatur des absoluten Nullpunkts auf der Celsius- und Kelvin-Skala ist.

Absoluter Nullpunkt– Mindesttemperatur. Dies ist die Marke, bei der die Entropie ihren niedrigsten Wert erreicht.

Lernaufgabe

• Verstehe, warum der absolute Nullpunkt ein natürlicher Indikator für den Nullpunkt ist.

Wichtige Punkte

• Der absolute Nullpunkt ist universell, dh alle Materie befindet sich mit diesem Indikator im Grundzustand.
• K hat eine quantenmechanische Nullenergie. Aber in der Interpretation kann die kinetische Energie Null sein und die thermische Energie verschwindet.
• Die niedrigstmögliche Temperatur unter Laborbedingungen erreichte 10-12 K. Die minimale natürliche Temperatur betrug 1 K (Ausdehnung von Gasen im Bumerang-Nebel).

Bedingungen

• Entropie ist ein Maß dafür, wie gleichmäßig Energie in einem System verteilt ist.
• Thermodynamik ist ein Wissenschaftszweig, der Wärme und ihre Beziehung zu Energie und Arbeit untersucht.

Der absolute Nullpunkt ist die Mindesttemperatur, bei der die Entropie ihren niedrigsten Wert erreicht. Das heißt, dies ist der kleinste Indikator, der im System beobachtet werden kann. Dies ist ein universelles Konzept und fungiert als Nullpunkt im System der Temperatureinheiten.

Druck-Temperatur-Diagramm für verschiedene Gase mit konstantem Volumen. Beachten Sie, dass alle Diagramme auf Nulldruck bei einer Temperatur extrapoliert sind.

Ein System am absoluten Nullpunkt ist immer noch mit quantenmechanischer Nullenergie ausgestattet. Nach der Unschärferelation kann die Position der Teilchen nicht mit absoluter Genauigkeit bestimmt werden. Wird ein Teilchen am absoluten Nullpunkt verschoben, so hat es noch eine minimale Energiereserve. Aber in der klassischen Thermodynamik kann die kinetische Energie Null sein und die thermische Energie verschwindet.

Der Nullpunkt einer thermodynamischen Skala, wie Kelvin, entspricht dem absoluten Nullpunkt. Eine internationale Vereinbarung hat festgelegt, dass die Temperatur des absoluten Nullpunkts 0 K auf der Kelvin-Skala und -273,15 °C auf der Celsius-Skala erreicht. Substanz bei minimaler Temperatur zeigt Quanteneffekte wie Supraleitung und Suprafluidität. Die niedrigste Temperatur unter Laborbedingungen betrug 10-12 K und in der natürlichen Umgebung - 1 K (schnelle Expansion von Gasen im Bumerang-Nebel).

Die schnelle Expansion von Gasen führt zu der minimal beobachteten Temperatur

Die Grenztemperatur, bei der das Volumen eines idealen Gases null wird, wird als absolute Nulltemperatur angenommen. Das Volumen realer Gase bei absoluter Nulltemperatur kann jedoch nicht verschwinden. Ist diese Temperaturbegrenzung dann sinnvoll?

Die Grenztemperatur, deren Existenz sich aus dem Gay-Lussac-Gesetz ergibt, ist sinnvoll, da es praktisch möglich ist, die Eigenschaften eines realen Gases an die Eigenschaften eines idealen anzunähern. Dazu ist es notwendig, ein zunehmend verdünntes Gas zu nehmen, damit seine Dichte gegen Null geht. Tatsächlich wird das Volumen eines solchen Gases mit abnehmender Temperatur zum Grenzwert nahe Null tendieren.

Lassen Sie uns den Wert des absoluten Nullpunkts auf der Celsius-Skala finden. Volumen gleichsetzen vin Formel (3.6.4) auf Null und unter Berücksichtigung dessen

Daher ist die absolute Nulltemperatur

* Ein genauerer Wert für den absoluten Nullpunkt: -273,15 °C.

Dies ist die begrenzende, niedrigste Temperatur in der Natur, jene „größte oder letzte Kältestufe“, deren Existenz Lomonossow voraussagte.

Kelvin-Skala

Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - ein herausragender englischer Physiker, einer der Begründer der Thermodynamik und der molekularkinetischen Gastheorie.

Kelvin führte die absolute Temperaturskala ein und gab eine der Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik in Form der Unmöglichkeit der vollständigen Umwandlung von Wärme in Arbeit. Er berechnete die Größe von Molekülen anhand der Messung der Oberflächenenergie einer Flüssigkeit. Im Zusammenhang mit der Verlegung des transatlantischen Telegrafenkabels entwickelte Kelvin die Theorie der elektromagnetischen Schwingungen und leitete eine Formel für die Dauer freier Schwingungen im Stromkreis ab. Für wissenschaftliche Verdienste erhielt W. Thomson den Titel Lord Kelvin.

Der englische Wissenschaftler W. Kelvin führte die absolute Temperaturskala ein. Die Nulltemperatur auf der Kelvin-Skala entspricht dem absoluten Nullpunkt, und die Temperatureinheit auf dieser Skala entspricht Grad Celsius, also der absoluten Temperatur T bezieht sich auf die Temperatur auf der Celsius-Skala durch die Formel

(3.7.6)

Abbildung 3.11 zeigt zum Vergleich die absolute Skala und die Celsius-Skala.

Die SI-Einheit der absoluten Temperatur heißt Kelvin (abgekürzt als K). Ein Grad Celsius entspricht also einem Grad Kelvin: 1 °C = 1 K.

Somit ist die absolute Temperatur per Definition durch Formel (3.7.6) eine abgeleitete Größe, die von der Celsius-Temperatur und dem experimentell bestimmten Wert von a abhängt. Es ist jedoch von grundlegender Bedeutung.

Aus Sicht der molekularkinetischen Theorie steht die absolute Temperatur im Zusammenhang mit der durchschnittlichen kinetischen Energie der zufälligen Bewegung von Atomen oder Molekülen. Bei T =Über Um die thermische Bewegung von Molekülen zu stoppen. Darauf wird in Kapitel 4 näher eingegangen.

Volumen gegen absolute Temperatur

Unter Verwendung der Kelvin-Skala kann das Gay-Lussac-Gesetz (3.6.4) in einer einfacheren Form geschrieben werden. Als

(3.7.7)

Das Volumen eines Gases einer gegebenen Masse bei konstantem Druck ist direkt proportional zur absoluten Temperatur.

Daraus folgt, dass das Verhältnis der Gasvolumina gleicher Masse in verschiedenen Zuständen bei gleichem Druck gleich dem Verhältnis der absoluten Temperaturen ist:

(3.7.8)

Es gibt eine minimal mögliche Temperatur, bei der das Volumen (und der Druck) eines idealen Gases verschwindet. Dies ist die absolute Nulltemperatur:-273 °С. Es ist praktisch, die Temperatur vom absoluten Nullpunkt aus zu messen. So ist die absolute Temperaturskala aufgebaut.

Absoluter Nullpunkt (absoluter Nullpunkt) - der Beginn der absoluten Temperatur, beginnend bei 273,16 K unter dem Tripelpunkt von Wasser (dem Gleichgewichtspunkt von drei Phasen - Eis, Wasser und Wasserdampf); am absoluten Nullpunkt stoppt die Bewegung der Moleküle, und sie befinden sich in einem Zustand von „Null“-Bewegungen. Oder: die niedrigste Temperatur, bei der ein Stoff keine thermische Energie enthält.

Absoluter Nullpunkt Anfang absolute Temperaturanzeige. Entspricht -273,16 ° C. Gegenwärtig ist es physikalischen Labors gelungen, eine Temperatur zu erreichen, die den absoluten Nullpunkt nur um wenige Millionstel Grad übersteigt, aber nach den Gesetzen der Thermodynamik ist es unmöglich, dies zu erreichen. Beim absoluten Nullpunkt wäre das System in einem Zustand mit der geringstmöglichen Energie (in diesem Zustand würden Atome und Moleküle „Null“-Schwingungen machen) und hätte eine Entropie von Null (Null Störung). Das Volumen eines idealen Gases am absoluten Nullpunkt muss gleich Null sein, und um diesen Punkt zu bestimmen, wird das Volumen des realen Heliumgases gemessen konsistent Absenken der Temperatur, bis es sich bei niedrigem Druck (-268,9 ° C) verflüssigt, und Extrapolieren auf die Temperatur, bei der das Gasvolumen ohne Verflüssigung auf Null gehen würde. Absolute Temperatur thermodynamisch Die Skala wird in Kelvin gemessen, gekennzeichnet durch das Symbol K. Absolut thermodynamisch die Skala und die Celsius-Skala sind einfach relativ zueinander verschoben und stehen in Beziehung zu K = °C + 273,16 °.

Geschichte

Das Wort "Temperatur" entstand zu einer Zeit, als die Menschen glaubten, dass heißere Körper eine größere Menge einer speziellen Substanz enthielten - kalorisch als weniger erhitzte. Daher wurde Temperatur als Stärke einer Mischung aus Körpersubstanz und Kalorien wahrgenommen. Aus diesem Grund heißen die Maßeinheiten für die Stärke alkoholischer Getränke und die Temperatur gleich – Grad.

Aus der Tatsache, dass die Temperatur die kinetische Energie von Molekülen ist, wird deutlich, dass es am natürlichsten ist, sie in Energieeinheiten (d.h. im SI-System in Joule) zu messen. Die Temperaturmessung begann jedoch lange vor der Entstehung der molekularkinetischen Theorie, sodass praktische Skalen die Temperatur in konventionellen Einheiten – Grad – messen.

Kelvin-Skala

In der Thermodynamik wird die Kelvin-Skala verwendet, bei der die Temperatur vom absoluten Nullpunkt gemessen wird (dem Zustand, der der theoretisch minimal möglichen inneren Energie des Körpers entspricht), und ein Kelvin entspricht 1/273,16 der Entfernung vom absoluten Nullpunkt bis der Tripelpunkt von Wasser (der Zustand, in dem Eis, Wasser und Wasserpaare im Gleichgewicht sind. Die Boltzmann-Konstante wird verwendet, um Kelvin in Energieeinheiten umzuwandeln. Es werden auch abgeleitete Einheiten verwendet: Kilokelvin, Megakelvin, Millikelvin usw.

Celsius

Im Alltag wird die Celsius-Skala verwendet, bei der der Gefrierpunkt von Wasser mit 0 und der Siedepunkt von Wasser bei Atmosphärendruck mit 100 ° angenommen wird. Da die Gefrier- und Siedepunkte von Wasser nicht genau definiert sind, wird die Celsius-Skala derzeit anhand der Kelvin-Skala definiert: Grad Celsius entspricht Kelvin, der absolute Nullpunkt wird mit -273,15 °C angenommen. Die Celsius-Skala ist praktisch sehr praktisch, da Wasser auf unserem Planeten sehr verbreitet ist und unser Leben darauf basiert. Null Grad Celsius ist ein besonderer Punkt für die Meteorologie, da das Gefrieren des atmosphärischen Wassers alles erheblich verändert.

Fahrenheit

In England und insbesondere in den USA wird die Fahrenheit-Skala verwendet. Diese Skala wird durch 100 Grad von der Temperatur des kältesten Winters in der Stadt, in der Fahrenheit lebte, bis zur Temperatur des menschlichen Körpers geteilt. Null Grad Celsius sind 32 Grad Fahrenheit und ein Grad Fahrenheit sind 5/9 Grad Celsius.

Die aktuelle Definition der Fahrenheit-Skala lautet wie folgt: Es ist eine Temperaturskala, von der 1 Grad (1 °F) gleich 1/180 der Differenz zwischen dem Siedepunkt von Wasser und dem Schmelzen von Eis bei atmosphärischem Druck ist. und der Schmelzpunkt von Eis beträgt +32 °F. Die Temperatur auf der Fahrenheit-Skala hängt mit der Temperatur auf der Celsius-Skala (t ° С) durch das Verhältnis t ° С = 5/9 (t ° F - 32), 1 ° F = 5/9 ° С zusammen. 1724 von G. Fahrenheit vorgeschlagen.

Reaumur-Skala

Vorgeschlagen 1730 von R. A. Reaumur, der das von ihm erfundene Alkoholthermometer beschrieb.

Einheit - Grad Réaumur (°R), 1 °R entspricht 1/80 des Temperaturintervalls zwischen den Referenzpunkten - der Temperatur von schmelzendem Eis (0 °R) und kochendem Wasser (80 °R)

1°R = 1,25°C.

Heute ist die Waage nicht mehr in Gebrauch, sie ist am längsten in Frankreich, im Heimatland des Autors, erhalten geblieben.

Vergleich der Temperaturskalen

Beschreibung	Kelvin	Celsius	Fahrenheit	Newton	Réaumur
Absoluter Nullpunkt		−273.15	−459.67	−90.14	−218.52
Schmelzpunkt der Fahrenheit-Mischung (Salz und Eis in gleichen Mengen)			0	−5.87
Gefrierpunkt von Wasser (Normalbedingungen)		0	32	0
Durchschnittliche menschliche Körpertemperatur¹		36.8	98.2	12.21
Siedepunkt von Wasser (Normalbedingungen)		100	212	33
Oberflächentemperatur der Sonne	5800	5526	9980	1823

Die normale menschliche Körpertemperatur beträgt 36,6 °C ±0,7 °C oder 98,2 °F ±1,3 °F. Der allgemein angegebene Wert von 98,6 °F ist eine exakte Fahrenheit-Umrechnung des deutschen Werts von 37 °C aus dem 19. Jahrhundert. Da dieser Wert nach modernen Konzepten nicht in den Bereich der normalen Temperatur fällt, können wir sagen, dass er eine übermäßige (falsche) Genauigkeit enthält. Einige Werte in dieser Tabelle wurden gerundet.

Vergleich von Fahrenheit- und Celsius-Skalen

(von- Fahrenheit-Skala, o C- Celsius-Skala)

ÖF	ÖC		ÖF	ÖC		ÖF	ÖC		ÖF	ÖC
-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

Um Grad Celsius in Kelvin umzurechnen, verwenden Sie die Formel T=t+T0 wobei T die Temperatur in Kelvin ist, t die Temperatur in Grad Celsius ist, T 0 = 273,15 Kelvin. Ein Grad Celsius entspricht in der Größe einem Kelvin.

Der absolute Nullpunkt entspricht einer Temperatur von −273,15 °C.

Es wird angenommen, dass der absolute Nullpunkt in der Praxis unerreichbar ist. Seine Existenz und Position auf der Temperaturskala folgt aus der Extrapolation der beobachteten physikalischen Phänomene, während eine solche Extrapolation zeigt, dass am absoluten Nullpunkt die Energie der thermischen Bewegung von Molekülen und Atomen einer Substanz gleich Null sein muss, d.h Die chaotische Bewegung der Teilchen hört auf und sie bilden eine geordnete Struktur, die eine klare Position in den Knoten des Kristallgitters einnimmt. Tatsächlich bleiben jedoch selbst bei absoluter Nulltemperatur die regelmäßigen Bewegungen der Teilchen, aus denen die Materie besteht, bestehen. Die verbleibenden Schwankungen, etwa Nullpunktsschwingungen, sind auf die Quanteneigenschaften der Teilchen und das sie umgebende physikalische Vakuum zurückzuführen.

Bisher konnten Physikalische Laboratorien Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt nur um wenige Millionstel Grad messen; Es ist nach den Gesetzen der Thermodynamik unmöglich, dies zu erreichen.

Anmerkungen

Literatur

• G. Burmin. Sturm auf den absoluten Nullpunkt. - M.: "Kinderliteratur", 1983.

siehe auch

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

Sehen Sie, was "Absolute Zero" in anderen Wörterbüchern ist:

ABSOLUTE NULL, die Temperatur, bei der alle Komponenten eines Systems die geringste Energiemenge haben, die nach den Gesetzen der QUANTENMECHANIK zulässig ist; Null auf der Kelvin-Temperaturskala oder 273,15 °C (459,67 °F). Bei dieser Temperatur... Wissenschaftliches und technisches Lexikon

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ABSOLUTE NULLTEMPERATUR- der Ursprung der thermodynamischen Temperaturskala; befindet sich bei 273,16 K (Kelvin) unter (see) Wasser, d.h. gleich 273,16 ° C (Celsius). Der absolute Nullpunkt ist die niedrigste Temperatur in der Natur und fast unerreichbar ... Große polytechnische Enzyklopädie

Dies ist die minimale Temperaturgrenze, die ein physischer Körper haben kann. Der absolute Nullpunkt ist der Ausgangspunkt für eine absolute Temperaturskala, wie z. B. die Kelvin-Skala. Auf der Celsius-Skala entspricht der absolute Nullpunkt einer Temperatur von −273,15 °C. ... ... Wikipedia

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Null- Absoluter Nullpunkt … Wörterbuch der russischen Redewendungen

Null und Null n., m., verwenden. Komp. oft Morphologie: (nein) was? Null und Null, warum? null und null, (sehen) was? null und null, was? null und null, worüber? ungefähr null, null; pl. was? Nullen und Nullen, (nein) was? Nullen und Nullen, warum? Nullen und Nullen, (ich verstehe) ... ... Wörterbuch von Dmitriev

Absoluter Nullpunkt (Null). Razg. Vernachlässigung Eine unbedeutende, unbedeutende Person. FSRYA, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 Auf Null. 1. Jarg. Sie sagen Pendeln. Eisen. Über schwere Vergiftungen. Juganow, 471; Wachitow 2003, 22. 2. Jarg. Musik Genau, in voller Übereinstimmung mit ... ... Großes Wörterbuch der russischen Sprichwörter

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Wenn der Wetterbericht Temperaturen um den Gefrierpunkt vorhersagt, sollten Sie nicht auf die Eisbahn gehen: Das Eis wird schmelzen. Die Schmelztemperatur von Eis wird mit null Grad Celsius angenommen – der gebräuchlichsten Temperaturskala.
Wir kennen die negativen Grade der Celsius-Skala - Grad<ниже нуля>, Kältegrade. Die niedrigste Temperatur auf der Erde wurde in der Antarktis gemessen: -88,3 °C. Außerhalb der Erde sind sogar noch niedrigere Temperaturen möglich: Auf der Mondoberfläche kann es um Mitternacht -160°C erreichen.
Aber nirgendwo kann es zu beliebig niedrigen Temperaturen kommen. Extrem niedrige Temperatur - absoluter Nullpunkt - auf der Celsius-Skala entspricht - 273,16 °.
Die absolute Temperaturskala, die Kelvin-Skala, geht vom absoluten Nullpunkt aus. Eis schmilzt bei 273,16° Kelvin und Wasser siedet bei 373,16° K. Somit ist Grad K gleich Grad C. Aber auf der Kelvin-Skala sind alle Temperaturen positiv.
Warum ist 0°K die Kältegrenze?
Wärme ist die chaotische Bewegung von Atomen und Molekülen der Materie. Wenn eine Substanz gekühlt wird, wird ihr Wärmeenergie entzogen, und in diesem Fall wird die zufällige Bewegung von Partikeln geschwächt. Am Ende bei starker Abkühlung thermisch<пляска>Partikel fast vollständig aufhört. Atome und Moleküle würden bei einer Temperatur, die als absoluter Nullpunkt angenommen wird, vollständig einfrieren. Nach den Prinzipien der Quantenmechanik würde am absoluten Nullpunkt zwar die thermische Bewegung der Teilchen aufhören, aber die Teilchen selbst würden nicht einfrieren, da sie nicht vollständig in Ruhe sein können. Daher müssen die Teilchen am absoluten Nullpunkt noch eine Art Bewegung beibehalten, die Null genannt wird.

Aber eine Substanz auf eine Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt zu kühlen, ist eine Idee, die so sinnlos ist wie etwa die Absicht<идти медленнее, чем стоять на месте>.

Darüber hinaus ist sogar das Erreichen des exakten absoluten Nullpunkts fast unmöglich. Man kann ihm nur näher kommen. Denn auf keinen Fall kann einem Stoff seine gesamte thermische Energie entzogen werden. Ein Teil der thermischen Energie bleibt während der tiefsten Abkühlung erhalten.
Wie erreichen sie ultratiefe Temperaturen?
Das Einfrieren einer Substanz ist schwieriger als das Erhitzen. Das zeigt zumindest ein Vergleich der Bauweise von Herd und Kühlschrank.
In den meisten Haushalts- und Industriekühlschränken wird Wärme durch die Verdunstung einer speziellen Flüssigkeit abgeführt - Freon, das durch Metallrohre zirkuliert. Das Geheimnis ist, dass Freon nur bei einer ausreichend niedrigen Temperatur in einem flüssigen Zustand bleiben kann. In der Kühlkammer erwärmt es sich aufgrund der Hitze der Kammer und kocht und verwandelt sich in Dampf. Der Dampf wird jedoch vom Kompressor komprimiert, verflüssigt und gelangt in den Verdampfer, wodurch der Verlust an verdampfendem Freon ausgeglichen wird. Für den Betrieb des Kompressors wird Energie verbraucht.
Bei Tiefkühlgeräten ist der Kälteträger eine superkalte Flüssigkeit – flüssiges Helium. Farblos, leicht (8-mal leichter als Wasser), siedet es unter atmosphärischem Druck bei 4,2 °K und im Vakuum bei 0,7 °K. Eine noch niedrigere Temperatur hat das leichte Isotop Helium: 0,3°K.
Es ist ziemlich schwierig, einen permanenten Heliumkühlschrank einzurichten. Geforscht wird einfach in flüssigen Heliumbädern. Und um dieses Gas zu verflüssigen, wenden Physiker verschiedene Techniken an. Beispielsweise wird vorgekühltes und komprimiertes Helium expandiert, indem es durch ein dünnes Loch in eine Vakuumkammer freigesetzt wird. Gleichzeitig nimmt die Temperatur weiter ab und ein Teil des Gases wird flüssig. Es ist effizienter, das gekühlte Gas nicht nur zu expandieren, sondern es auch arbeiten zu lassen - den Kolben zu bewegen.
Das dabei entstehende flüssige Helium wird in speziellen Thermosflaschen – Dewargefäßen – gelagert. Die Kosten für diese kälteste Flüssigkeit (die einzige, die nicht am absoluten Nullpunkt gefriert) sind ziemlich hoch. Dennoch findet flüssiges Helium immer mehr Anwendung, nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in verschiedenen technischen Geräten.
Die niedrigsten Temperaturen wurden auf andere Weise erreicht. Es stellt sich heraus, dass die Moleküle einiger Salze, wie Kalium-Chrom-Alaun, entlang magnetischer Kraftlinien rotieren können. Dieses Salz wird mit flüssigem Helium auf 1°K vorgekühlt und in ein starkes Magnetfeld gebracht. Dabei rotieren die Moleküle entlang der Kraftlinien und die freigesetzte Wärme wird durch flüssiges Helium abgeführt. Dann wird das Magnetfeld scharf entfernt, die Moleküle drehen sich wieder in verschiedene Richtungen und die verbrauchten

diese Arbeit führt zu einer weiteren Abkühlung des Salzes. So erhielt man eine Temperatur von 0,001 K. Durch ein im Prinzip ähnliches Verfahren kann man unter Verwendung anderer Substanzen eine noch niedrigere Temperatur erhalten.
Die niedrigste Temperatur, die bisher auf der Erde gemessen wurde, beträgt 0,00001 °K.

Superfluidität

Substanzen, die in flüssigen Heliumbädern auf ultratiefe Temperaturen gefroren werden, verändern sich deutlich. Gummi wird spröde, Blei wird stahlhart und belastbar, viele Legierungen erhöhen die Festigkeit.

Flüssiges Helium selbst verhält sich eigenartig. Bei Temperaturen unter 2,2 °K erhält es eine für gewöhnliche Flüssigkeiten beispiellose Eigenschaft - Suprafluidität: Ein Teil davon verliert vollständig an Viskosität und fließt ohne Reibung durch die engsten Schlitze.
Dieses Phänomen wurde 1937 vom sowjetischen Physiker Akademiker P. JI entdeckt. Kapitsa, wurde dann von Akademiker JI erklärt. D. Landau.
Es stellt sich heraus, dass sich bei ultratiefen Temperaturen die Quantengesetze des Verhaltens von Materie merklich auszuwirken beginnen. Wie eines dieser Gesetze verlangt, kann Energie nur in ganz bestimmten Portionen – Quanten – von Körper zu Körper übertragen werden. Im flüssigen Helium gibt es so wenige Wärmequanten, dass sie nicht für alle Atome ausreichen. Ein Teil der Flüssigkeit ohne Wärmequanten bleibt auf absoluter Nulltemperatur, seine Atome nehmen überhaupt nicht an zufälligen thermischen Bewegungen teil und interagieren in keiner Weise mit den Gefäßwänden. Dieser Teil (er wurde Helium-H genannt) besitzt Suprafluidität. Mit sinkender Temperatur wird Helium-II immer mehr, und am absoluten Nullpunkt würde alles Helium zu Helium-H werden.
Die Suprafluidität ist mittlerweile sehr detailliert untersucht und hat sogar eine nützliche praktische Anwendung gefunden: Mit ihrer Hilfe ist es möglich, Helium-Isotope zu trennen.

Supraleitung

In der Nähe des absoluten Nullpunkts treten äußerst merkwürdige Änderungen in den elektrischen Eigenschaften bestimmter Materialien auf.
1911 machte der niederländische Physiker Kamerling-Onnes eine unerwartete Entdeckung: Es stellte sich heraus, dass bei einer Temperatur von 4,12 ° K der elektrische Widerstand in Quecksilber vollständig verschwindet. Merkur wird zum Supraleiter. Der im supraleitenden Ring induzierte elektrische Strom klingt nicht ab und kann fast ewig fließen.
Über einem solchen Ring schwebt eine supraleitende Kugel in der Luft und fällt nicht wie aus einem Märchen.<гроб Магомета>, weil seine Schwere durch die magnetische Abstoßung zwischen Ring und Kugel kompensiert wird. Schließlich erzeugt der ungedämpfte Strom im Ring ein Magnetfeld, das wiederum einen elektrischen Strom in der Kugel und damit ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld induziert.
Neben Quecksilber haben Zinn, Blei, Zink und Aluminium eine Supraleitfähigkeit nahe dem absoluten Nullpunkt. Diese Eigenschaft wurde in 23 Elementen und über hundert verschiedenen Legierungen und anderen chemischen Verbindungen gefunden.
Die Temperaturen, bei denen Supraleitung auftritt (kritische Temperaturen), liegen in einem ziemlich weiten Bereich, von 0,35 °K (Hafnium) bis 18 °K (Niob-Zinn-Legierung).
Das Phänomen der Supraleitung sowie der Super-
Flüssigkeit, im Detail untersucht. Die Abhängigkeiten kritischer Temperaturen von der inneren Struktur von Materialien und dem äußeren Magnetfeld werden gefunden. Es wurde eine tiefgreifende Theorie der Supraleitung entwickelt (ein wichtiger Beitrag wurde vom sowjetischen Wissenschaftler Akademiker N. N. Bogolyubov geleistet).
Die Essenz dieses paradoxen Phänomens ist wiederum rein quantenmechanisch. Bei ultratiefen Temperaturen dringen Elektronen ein

Supraleiter bilden ein System paarweise verbundener Teilchen, die keine Energie an das Kristallgitter abgeben können, sondern Energiequanten aufwenden, um es zu erwärmen. Elektronenpaare bewegen sich wie<танцуя>, zwischen<прутьями решетки>- Ionen und umgehen sie ohne Kollisionen und Energieübertragung.
Supraleitung wird zunehmend in der Technik eingesetzt.
So kommen beispielsweise supraleitende Solenoide zum Einsatz – in flüssiges Helium getauchte Supraleiterspulen. In ihnen kann der einmal induzierte Strom und damit das Magnetfeld beliebig lange gespeichert werden. Es kann einen gigantischen Wert erreichen – über 100.000 Oersted. In Zukunft werden zweifellos leistungsstarke industrielle supraleitende Geräte auftauchen - Elektromotoren, Elektromagnete usw.
In der Funkelektronik beginnen hochempfindliche Verstärker und Generatoren elektromagnetischer Wellen eine bedeutende Rolle zu spielen, die besonders gut in Bädern mit flüssigem Helium – dort dem Inneren – funktionieren<шумы>Ausrüstung. In der elektronischen Computertechnologie verspricht man sich eine glänzende Zukunft für supraleitende Schalter mit geringer Leistung – Kryotrons (siehe Art.<Пути электроники>).
Es ist nicht schwer vorstellbar, wie verlockend es wäre, den Betrieb solcher Geräte auf höhere, zugänglichere Temperaturen zu bringen. Kürzlich wurde die Hoffnung geweckt, Polymerfilm-Supraleiter zu schaffen. Die besondere Natur der elektrischen Leitfähigkeit in solchen Materialien verspricht eine brillante Gelegenheit, die Supraleitung auch bei Raumtemperatur aufrechtzuerhalten. Wissenschaftler suchen beharrlich nach Möglichkeiten, diese Hoffnung zu verwirklichen.

In den Tiefen der Sterne

Und jetzt blicken wir in das Reich der heißesten Sache der Welt - in die Eingeweide der Sterne. Wo Temperaturen Millionen von Grad erreichen.
Die chaotische thermische Bewegung in Sternen ist so intensiv, dass ganze Atome dort nicht existieren können: Sie werden in unzähligen Kollisionen zerstört.
Daher kann ein so stark erhitzter Stoff weder fest noch flüssig noch gasförmig sein. Es befindet sich im Zustand eines Plasmas, d.h. einer Mischung aus elektrisch geladenen Teilchen<осколков>Atome - Atomkerne und Elektronen.
Plasma ist eine Art Aggregatzustand. Da seine Teilchen elektrisch geladen sind, gehorchen sie empfindlich elektrischen und magnetischen Kräften. Daher ist die unmittelbare Nähe zweier Atomkerne (sie tragen eine positive Ladung) ein seltenes Phänomen. Nur bei hohen Dichten und enormen Temperaturen können sich Atomkerne, die miteinander kollidieren, nahe kommen. Dann finden thermonukleare Reaktionen statt - die Energiequelle für Sterne.
Der uns nächste Stern - die Sonne - besteht hauptsächlich aus Wasserstoffplasma, das im Inneren des Sterns auf bis zu 10 Millionen Grad erhitzt wird. Unter solchen Bedingungen kommt es, wenn auch selten, zu engen Begegnungen von schnellen Wasserstoffkernen – Protonen. Manchmal interagieren sich nähernde Protonen: Nachdem sie die elektrische Abstoßung überwunden haben, geraten sie schnell in die Macht riesiger nuklearer Anziehungskräfte<падают>einander und verschmelzen. Hier findet eine sofortige Umordnung statt: Anstelle von zwei Protonen erscheinen ein Deuteron (der Kern eines schweren Wasserstoffisotops), ein Positron und ein Neutrino. Die freigesetzte Energie beträgt 0,46 Millionen Elektronenvolt (Mev).
Jedes einzelne Sonnenproton kann im Durchschnitt einmal in 14 Milliarden Jahren eine solche Reaktion eingehen. Aber es gibt so viele Protonen in den Eingeweiden der Leuchte, dass hier und da dieses unwahrscheinliche Ereignis stattfindet – und unser Stern mit seiner gleichmäßigen, blendenden Flamme brennt.
Die Synthese von Deuteronen ist nur der erste Schritt bei solaren thermonuklearen Transformationen. Das neugeborene Deuteron verbindet sich sehr bald (im Durchschnitt nach 5,7 Sekunden) mit einem weiteren Proton. Es gibt einen Kern aus leichtem Helium und ein Gammaquant elektromagnetischer Strahlung. 5,48 MeV Energie werden freigesetzt.
Schließlich können im Durchschnitt alle eine Million Jahre zwei Kerne aus leichtem Helium konvergieren und verschmelzen. Dann entsteht ein gewöhnlicher Heliumkern (Alphateilchen) und es werden zwei Protonen abgespalten. 12,85 MeV Energie werden freigesetzt.
Diese dreistufig<конвейер>thermonukleare Reaktionen ist nicht die einzige. Es gibt noch eine weitere Kette nuklearer Transformationen, schnellere. Die Atomkerne von Kohlenstoff und Stickstoff nehmen daran teil (ohne verbraucht zu werden). Aber in beiden Fällen werden Alphateilchen aus Wasserstoffkernen synthetisiert. Bildlich gesprochen das solare Wasserstoffplasma<сгорает>, sich in etwas verwandeln<золу>- Heliumplasma. Und bei der Synthese jedes Gramms Heliumplasma werden 175.000 kWh Energie freigesetzt. Große Menge!
Jede Sekunde strahlt die Sonne 4.1033 Erg Energie ab und verliert dabei 4.1012 g (4 Millionen Tonnen) Materie an Gewicht. Aber die Gesamtmasse der Sonne beträgt 2 1027 Tonnen, was bedeutet, dass in einer Million Jahren aufgrund der Emission von Strahlung die Sonne<худеет>nur ein Zehnmillionstel seiner Masse. Diese Zahlen veranschaulichen eindrucksvoll die Effektivität thermonuklearer Reaktionen und den gigantischen Heizwert der Sonnenenergie.<горючего>- Wasserstoff.
Kernfusion scheint die Hauptenergiequelle für alle Sterne zu sein. Bei unterschiedlichen Temperaturen und Dichten des Sterninneren finden unterschiedliche Arten von Reaktionen statt. Insbesondere Solar<зола>- Heliumkerne - bei 100 Millionen Grad wird es selbst thermonuklear<горючим>. Dann können aus Alphateilchen noch schwerere Atomkerne – Kohlenstoff und sogar Sauerstoff – synthetisiert werden.
Nach Ansicht vieler Wissenschaftler ist unsere gesamte Metagalaxie als Ganzes auch das Ergebnis einer thermonuklearen Fusion, die bei einer Temperatur von einer Milliarde Grad stattfand (siehe Art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Zur künstlichen Sonne

Der außergewöhnliche Kaloriengehalt von thermonuklearen<горючего>veranlasste die Wissenschaftler, nach einer künstlichen Implementierung von Kernfusionsreaktionen zu suchen.
<Горючего>Auf unserem Planeten gibt es viele Wasserstoffisotope. Beispielsweise kann aus Lithiummetall in Kernreaktoren superschweres Wasserstofftritium gewonnen werden. Und schwerer Wasserstoff - Deuterium ist Teil von schwerem Wasser, das aus gewöhnlichem Wasser extrahiert werden kann.
Schwerer Wasserstoff, der aus zwei Gläsern gewöhnlichem Wasser extrahiert wird, würde in einem Fusionsreaktor so viel Energie liefern, wie das Verbrennen eines Fasses Superbenzin jetzt liefert.
Die Schwierigkeit liegt in der Vorwärmung<горючее>auf Temperaturen, bei denen es sich mit mächtigem thermonuklearem Feuer entzünden kann.
Dieses Problem wurde erstmals in der Wasserstoffbombe gelöst. Dort werden Wasserstoffisotope durch die Explosion einer Atombombe in Brand gesetzt, die mit einer Erhitzung der Substanz auf viele zehn Millionen Grad einhergeht. In einer Version der Wasserstoffbombe ist der thermonukleare Brennstoff eine chemische Verbindung von schwerem Wasserstoff mit leichtem Lithium – Deuterid von leichtem l und t und i. Dieses weiße Pulver, ähnlich wie Speisesalz,<воспламеняясь>aus<спички>, die Atombombe, explodiert sofort und erzeugt eine Temperatur von Hunderten von Millionen Grad.
Um eine friedliche thermonukleare Reaktion einzuleiten, muss man zunächst lernen, wie man ohne die Hilfe einer Atombombe kleine Dosen eines ausreichend dichten Plasmas von Wasserstoffisotopen auf Temperaturen von Hunderten von Millionen Grad erhitzt. Dieses Problem ist eines der schwierigsten in der modernen angewandten Physik. Wissenschaftler aus aller Welt arbeiten seit vielen Jahren daran.
Wir haben bereits gesagt, dass es die chaotische Bewegung von Teilchen ist, die die Erwärmung von Körpern erzeugt, und die durchschnittliche Energie ihrer zufälligen Bewegung entspricht der Temperatur. Einen kalten Körper aufzuheizen bedeutet, diese Störung in irgendeiner Weise zu erzeugen.
Stellen Sie sich vor, zwei Gruppen von Läufern rennen schnell aufeinander zu. Also kollidierten sie, vermischten sich, eine Menge begann, Verwirrung. Großes Durcheinander!
Etwa auf die gleiche Weise versuchten die Physiker zunächst, eine hohe Temperatur zu erreichen - indem sie Hochdruck-Gasstrahlen drückten. Das Gas wurde auf 10.000 Grad erhitzt. Früher war es ein Rekord: Die Temperatur ist höher als auf der Sonnenoberfläche.
Aber mit dieser Methode ist eine weitere, ziemlich langsame, nicht explosionsartige Erwärmung des Gases unmöglich, da sich thermische Unordnung sofort in alle Richtungen ausbreitet und die Wände der Experimentierkammer und die Umgebung erwärmt. Die entstehende Wärme verlässt das System schnell und kann nicht isoliert werden.
Werden die Gasstrahlen durch Plasmaströmungen ersetzt, bleibt das Problem der Wärmedämmung sehr schwierig, aber es besteht auch Hoffnung auf dessen Lösung.
Plasma kann zwar nicht durch Gefäße aus der feuerfeststen Substanz vor Wärmeverlust geschützt werden. Beim Kontakt mit festen Wänden kühlt das heiße Plasma sofort ab. Andererseits kann man versuchen, das Plasma zu halten und aufzuheizen, indem man seine Ansammlung in einem Vakuum erzeugt, so dass es die Wände der Kammer nicht berührt, sondern im Nichts hängt, ohne irgendetwas zu berühren. Dabei sollte man sich zunutze machen, dass Plasmateilchen nicht wie Gasatome neutral, sondern elektrisch geladen sind. Daher unterliegen sie in Bewegung der Wirkung magnetischer Kräfte. Es stellt sich das Problem: ein speziell konfiguriertes Magnetfeld zu arrangieren, in dem das heiße Plasma wie in einem Beutel mit unsichtbaren Wänden hängen würde.
Die einfachste Form eines solchen elektrischen Feldes entsteht automatisch, wenn starke elektrische Strompulse durch das Plasma geleitet werden. In diesem Fall werden magnetische Kräfte um das Plasmafilament herum induziert, die dazu neigen, das Filament zu komprimieren. Das Plasma löst sich von den Wänden der Entladungsröhre und die Temperatur steigt in einem Teilchenstrom nahe der Filamentachse auf 2 Millionen Grad an.
In unserem Land wurden solche Experimente bereits 1950 unter der Leitung von Academicians JI durchgeführt. A. Artsimovich und M. A. Leontovich.
Eine andere Versuchsrichtung ist die Verwendung einer Magnetflasche, die 1952 vom sowjetischen Physiker G. I. Budker, jetzt Akademiker, vorgeschlagen wurde. Die Magnetflasche wird in ein Korktron gestellt - eine zylindrische Vakuumkammer, die mit einer äußeren Wicklung ausgestattet ist, die sich an den Enden der Kammer verdickt. Der durch die Wicklung fließende Strom erzeugt in der Kammer ein Magnetfeld. Seine Kraftlinien im mittleren Teil verlaufen parallel zu den Erzeugenden des Zylinders, und an den Enden sind sie zusammengedrückt und bilden magnetische Stopfen. Plasmapartikel, die in eine Magnetflasche injiziert werden, kräuseln sich um die Kraftlinien und werden von den Korken reflektiert. Dadurch bleibt das Plasma einige Zeit in der Flasche. Wenn die Energie der in die Flasche eingebrachten Plasmateilchen hoch genug ist und es genügend von ihnen gibt, gehen sie komplexe Kraftwechselwirkungen ein, ihre anfänglich geordnete Bewegung verschränkt sich, wird ungeordnet – die Temperatur von Wasserstoffkernen steigt auf mehrere zehn Millionen Grad .
Zusätzliche Erwärmung wird durch elektromagnetische erreicht<ударами>B. durch Plasma, Magnetfeldkompression usw. Nun wird das Plasma aus schweren Wasserstoffkernen auf Hunderte von Millionen Grad erhitzt. Dies kann zwar entweder kurzzeitig oder bei geringer Plasmadichte erfolgen.
Um eine selbsterhaltende Reaktion anzuregen, ist es notwendig, die Temperatur und Dichte des Plasmas weiter zu erhöhen. Dies ist schwer zu erreichen. Das Problem ist jedoch, davon sind die Wissenschaftler überzeugt, unbestreitbar lösbar.

GB Anfilov

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