Абсолютный ноль температуры

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 «Воронежский Государственный Педагогический Университет»

 

 

                                      Кафедра общей физики

 

 

 

 

 

                                              РЕФЕРАТ

на тему: «Абсолютный ноль температуры»

 

 

 

 

 

                                                           Выполнила: студентка 1-го курса, ФМФ,     

                                                            ПИ, Кондратенко Ирина Александровна

                                                                         

                                                       Проверил: ассистент кафедры общей

                                                       физики Афонин Г.В.

 

 

 

 

                                             Воронеж-2013

                                              Содержание

Введение……………………………………………………….3

1.Абсолютный ноль…………………………………………...4

2.История………………………………………………………6

3.Явления, наблюдаемые вблизи абсолютного нуля………..9

Заключение……………………………………………………11

Список используемой литературы…………………………..12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                Введение

На протяжении многих лет  исследователи ведут наступление  на абсолютный нуль температуры. Как известно, температура, равная абсолютному нулю, характеризует основное состояние системы многих частиц — состояние с наименьшей возможной энергией, при которой атомы и молекулы совершают так называемые «нулевые» колебания. Таким образом, глубокое охлаждение, близкое к абсолютному нулю (считается, что сам абсолютный нуль на практике недостижим), открывает неограниченные возможности для изучения свойств вещества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                 1. Абсолютный ноль

Абсолютный нуль температуры (реже — абсолютный ноль температуры) — минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. В 1954 X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C[1].

В рамках применимости термодинамики  абсолютный нуль на практике недостижим. Его существование и положение  на температурной шкале следует  из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки (жидкий гелий составляет исключение). Однако, с точки зрения квантовой физики и при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего.

 При стремлении температуры системы к абсолютному нулю к нулю стремятся и ее энтропия, теплоемкость, коэффициент теплового расширения, прекращается хаотическое движение частиц, составляющих систему. Одним словом вещество становится супервеществом с сверхпроводимостью и сверхтекучестью.

 Абсолютный нуль температуры на практике  недостижим, а получение температур, предельно приближающихся к нему, представляет сложную экспериментальную проблему, но уже получены температуры, лишь на миллионные доли градуса отстоящие от абсолютного нуля. [1].

Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия, приравнивая объем V нулю и учитывая, что

 получим

 Отсюда абсолютный  нуль температуры равен -273°С.

Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая  или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.[2]

Рис.1. Абсолютная шкала и  шкала Цельсия 

Единица абсолютной температуры  в системе СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.

 Таким образом, абсолютная температура является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения а. Однако она имеет фундаментальное значение.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана  со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При  Т = О К тепловое движение молекул  прекращается.

 

 

                                             2. История

Физическое понятие «абсолютный  нуль температуры» имеет для современной  науки очень важное значение: с  ним тесно связано такое понятие, как сверхпроводимость, открытие которой  произвело настоящий фурор во второй половине ХХ века.

Чтобы понять, что же такое  абсолютный ноль, следует обратиться к работам таких известных  физиков, как Г. Фаренгейт, А. Цельсий, Ж. Гей-Люссак и У. Томсон. Именно они  сыграли ключевую роль в создании используемых до сих пор основных температурных шкал.

Первым свою температурную  шкалу предложил в 1714 году немецкий физик Г. Фаренгейт. При этом за абсолютный нуль, то есть за самую низкую точку  этой шкалы, была принята температура  смеси, которая включала в себя снег и нашатырь. Следующим важным показателем  стала нормальная температура тела человека, которая стала равняться 1000. Соответственно, каждое деление  данной шкалы получило название «градус  Фаренгейта», а сама шкала – «шкалы Фаренгейта».

Спустя 30 лет шведский астроном А. Цельсий предложил свою температурную  шкалу, где основными точками  стали температура таяния льда и  точка кипения воды. Эта шкала  получила название «шкалы Цельсия», она  до сих пор популярна в большинстве  стран мира, в том числе и  в России.

В 1802 году, проводя свои знаменитые опыты, французский ученый Ж. Гей-Люссак обнаружил, что объем массы газа при постоянном давлении находится  в прямой зависимости от температуры. Но самое любопытное состояло в том, что при изменении температуры  на 10 по шкале Цельсия, объем газа увеличивался или уменьшался на одну и ту же величину. Произведя необходимые  вычисления, Гей-Люссак установил, что  эта величина равнялась 1/273 от объема газа. Из этого закона следовал напрашивающийся вывод: температура, равная -273°С, является наименьшей температурой, даже подойдя к которой вплотную, достичь ее невозможно. Именно эта температура получила название «абсолютный нуль температуры». Более того, абсолютный нуль стал отправной точкой для создания шкалы абсолютной температуры, активное участие в котором принял английский физик У. Томсон, известный также, как лорд Кельвин. Его основное исследование касалось доказательства того, что ни одно тело в природе не может быть охлаждено ниже, чем абсолютный нуль. При этом он активно использовал второй закон термодинамики, поэтому, введенная им в 1848 году абсолютная шкала температур стала называться термодинамической или «шкалой Кельвина».В последующие годы и десятилетия происходило только числовое уточнение понятия «абсолютный ноль».

Рис.2. Соотношение между температурными шкалами Фаренгейта (F), Цельсия (C) и Кельвина (K).

 Стоит также обратить внимание, что абсолютный ноль играет очень важную роль в системе СИ. Все дело в том, что в 1960 году на очередной Генеральной конференции по мерам и весам единица термодинамической температуры – кельвин – стала одной из шести основных единиц измерений. При этом специально оговаривалось, что один градус Кельвина

численно равен одному градусу Цельсия, только вот точкой отсчета «по Кельвину» принято  считать абсолютный ноль.

Основной физический смысл  абсолютного нуля состоит в том, что, согласно основным физическим законам, при такой температуре энергия  движения элементарных частиц, таких  как атомы и молекулы, равна  нулю, и в этом случае должно прекратиться любое хаотическое движение этих самых частиц. При температуре, равной абсолютному нулю, атомы и молекулы должны занять четкое положение в  основных пунктах кристаллической  решетки, образуя упорядоченную  систему.

В настоящее время, используя  специальное оборудование, ученые смогли получить температуру, лишь на несколько  миллионных долей превышающую абсолютный ноль. Достичь же самой этой величины физически невозможно из-за  второго закона термодинамики. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     3.Явления, наблюдаемые вблизи абсолютного нуля

При температурах, близких  к абсолютному нулю, на макроскопическом уровне могут наблюдаться чисто  квантовые эффекты, такие как:

1.Сверхроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании. Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4.2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

2.Сверхтекучесть — способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости), возникающем при понижении температуры к абсолютному нулю (термодинамическая фаза), протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.

Сверхтекучесть объясняется  следующим образом. Поскольку атомы  гелия являются бозонами, квантовая  механика допускает нахождение в  одном состоянии произвольного  числа частиц. Вблизи абсолютного  нуля температур все атомы гелия  оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

3. Конденсат Бозе - Эйнштейна — агрегатное состояние вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.

 

                             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        Заключение

Изучение свойств вещества вблизи абсолютного нуля представляет большой интерес для науки  и техники.

 Многие свойства вещества, завуалированные при комнатных  температурах тепловыми явлениями  (например, тепловыми шумами), при  понижении температуры начинают  все более и более проявляться,  позволяя в чистом виде изучать  закономерности и связи, присущие  данному веществу. Исследования  в области низких температур  позволили открыть много новых  явлений природы, таких, например, как сверхтекучесть гелия и  сверхпроводимость металлов.

 При низких температурах  резко меняются свойства материалов. Одни металлы повышают свою  прочность, становятся пластичными,  другие становятся хрупкими, как  стекло.

 Изучение физико-химических  свойств при низких температурах  позволит в будущем создать  новые вещества с заранее заданными  свойствами. Все это весьма ценно  для конструирования и создания  космических кораблей, станций и  приборов.

 Известно, что при радиолокационных  исследованиях космических тел  принимаемый радиосигнал весьма  мал и его трудно выделить  из различных шумов. Созданные  недавно учеными молекулярные  генераторы и усилители работают  при весьма низких температурах  и поэтому обладают очень низким  уровнем шума.

 Низкотемпературные электрические  и магнитные свойства металлов, полупроводников и диэлектриков  позволяют разработать принципиально  новые радиотехнические устройства  микроскопических размеров.

 Сверхнизкие температуры  используются для создания вакуума,  необходимого, например, для работы  гигантских ускорителей ядерных  частиц.

 

                         Список используемой литературы

1. http://wikipedia.org
2. http://rudocs.exdat.com
3. http://fb.ru