Абсолютний нуль вказує температуру, рівну -273 градуси за шкалою Цельсія, і являє собою температуру, нижче якої не може бути ні за яких умов охолоджене жодне тіло. Це доведено англійським фізиком Кельвіном (Вільямом Томсоном).
З його міркувань випливає, що тиск даної маси газу, укладеної в постійний обсяг, прямо пропорційно абсолютній температурі. Це-новий вираз закону Шарля.
Для порівняння: тиск газу, укладеного в постійний обсяг, не є прямо пропорційним температурі, відрахувавши за шкалою Цельсія, бо ця шкала встановлена умовно, без будь-якого зв'язку з законами розширення газу.
Енергія коливального і поступального теплового руху частинок матерії різко спрямовується до нуля:
- рух атомів і молекул майже припиняється (є ще квантові ефекти.)
-тіла скорочуються в розмірах
-Питома теплоємність теж прагне до нуля.
-----------------
Все стає "замороженим"!
А процеси фізичні НЕ ВСЕ припиняються - атоми то не зруйновані - лектрончікі мотаються по своїх орбітах.
Температура, при якій частинки речовини мають мінімальну кількість руху, що зберігається тільки завдяки квантовомеханічної руху, - це температура абсолютного нуля. Температури абсолютного нуля досягти неможливо. При температурі абсолютного нуля тепловий рух припиняється. Це твердження, проте, аж ніяк не означає, що припиняється всяке взагалі рух частинок всередині тіла.
Абсолютна температура пропорційна середньої кінетичної енергії поступального руху молекул речовини. У цьому полягає фізичний зміст абсолютної температури.
з пониженням температури на градус речовина стискається на 13.15 обсягу. (Від обсягу при нулі за Цельсієм). при абсолютному нулі речовина має стиснутися так, що перестане існувати.
У механіці під фізичним тілом найчастіше розуміється матеріальна точка. Це якась абстракція, головним властивістю якої є факт того, що реальними розмірами тіла для вирішення конкретного завдання можна знехтувати. Іншими словами, матеріальна точка - це цілком конкретне фізичне тіло, яке має розміри, форму та інші подібні характеристики, але вони зовсім не важливі для того, щоб вирішити наявну завдання. Наприклад, якщо потрібно порахувати середню швидкість об'єкта на певній ділянці шляху, з його довжиною при вирішенні завдання можна абсолютно не рахуватися. Ще один тип фізичних тіл, що розглядається механікою - це абсолютно тверде тіло. Механіка такого тіла точно така ж, як і механіка матеріальної точки, але додатково володіє і іншими властивостями. Абсолютно тверде тіло складається з матеріальних точок, але ні відстань між ними, ні розподіл маси не змінюються під навантаженнями, яким піддається тіло. Це означає, що воно не може бути деформоване. Щоб визначити положення абсолютно твердого тіла, досить задати прив'язану до нього систему координат, звичайно декартову. У більшості випадків центр маси є також і центром системи координат. У природі абсолютно твердого тіла не існує, але для вирішення багатьох завдань така абстракція дуже зручна, хоча в релятивістській механіці вона не розглядається, тому що при рухах, швидкість яких порівнянна зі швидкістю світла, ця модель демонструє внутрішні протиріччя. Протилежністю абсолютно твердого тіла є деформується тіло, частинки якого можуть зміщуватися один щодо одного. Існують особливі типи фізичних тіл і в інших галузях фізики. Наприклад, в термодинаміці введено поняття абсолютно чорного тіла. Це ідеальна модель, таке фізичне тіло, яке поглинає абсолютно все електромагнітне випромінювання, що потрапляє на нього. При цьому, саме воно цілком може продукувати електромагнітне випромінювання і мати будь-який колір. Приклад об'єкта, який найбільш наближений за властивостями до абсолютно чорного тіла - це Сонце. Якщо взяти речовини, поширені за Землі, то можна згадати про сажі, яка поглинає 99% випромінювання, що потрапляє на неї, крім інфрачервоного, з поглинанням якого ця речовина справляється набагато гірше.
Абсолютний нуль температури (рідше - абсолютний нуль температури) - мінімальна межа. яку може мати фізичне тіло у Всесвіті. Абсолютний нуль служить початком відліку абсолютної температурної шкали, наприклад, шкали. У 1954 році X Генеральна конференція з мір та ваг встановила термодинамічну температурну шкалу з однією - води, температура якої прийнята 273,16 К (точно), що відповідає 0,01 ° C, так що за шкалою абсолютного нуля відповідає температура -273,15 ° C.
В рамках застосовності абсолютний нуль на практиці недосяжний. Його існування і положення на температурній шкалі випливає з спостережуваних фізичних явищ, при цьому така екстраполяція показує, що при абсолютному нулі теплового руху молекул і атомів речовини повинна бути дорівнює нулю, тобто рух частинок припиняється, і вони утворюють впорядковану структуру, займаючи чітке положення в вузлах (рідкий становить виняток). Однак, з точки зору і при абсолютному нулі температури існують. які обумовлені частинок і. їх навколишнього.
В 1703 р французький фізик (фр. Guillaume Amontons) представив повітряний. в якому за нуль шкали приймалася температура, при якій повітря «втрачає всю свою пружність». Розраховане їм значення склало -239,5 ° C.
У кінетичної теорії теплоти М. В. Ломоносова теплота пояснюється «коловоротні» рухом. Припинення руху означає граничну ступінь холоду (за сучасною термінологією, абсолютний нуль).
У вийшла в 1779 р роботі «пірометрами» німецький учений (нім. Johann Heinrich Lambert) уточнив отримане Амонтоном значення і отримав -270 ° C.
При температурах, близьких до абсолютного нуля, на можуть спостерігатися чисто квантові ефекти, такі як:
- Г. Бурмін. Штурм абсолютного нуля. - М. «Дитяча література», 1983
Абсолютний нуль температури. Температура, яка визначається формулою (2.6), очевидно, не може бути негативною, так як всі величини, що стоять в лівій чисти (2.6), свідомо позитивні. Отже, найменше можливе значення температури T є T = 0, коли або тиск p. або обсяг V дорівнюють нулю. Граничну температуру, при якій тиск ідеального газу звертається в нуль при фіксованому обсязі або обсяг ідеального газу прагне до нуля при незмінному тиску, називають абсолютним нулем температури. Це найнижча температура в природі, та «найбільша або остання ступінь холоду», існування якої передбачав Ломоносов.
Абсолютна шкала температур. Англійський учений У. Кельвін ввів абсолютну шкалу температур. Нульова температура по абсолютній шкалі (її називають також шкалою Кельвіна) відповідає абсолютного нуля, а кожна одиниця температури по цій шкалі дорівнює градусу за шкалою Цельсія.
Одиниця абсолютної температури в СІ називається Кельвіном (позначається літерою K).
Постійна Больцмана. Визначимо коефіцієнт k у формулі (2.6) так, щоб один кельвін дорівнював градусу за шкалою Цельсія.
Ми знаємо значення Θ при 0 ° C і 100 ° C (формули 2.2 і 2.4). Позначимо абсолютну температуру при 0 ° C через T 1. а при 100 ° C через T 2. Тоді
називається постійної Больцмана в честь великого австрійського фізика Л. Больцмана, одного із засновників молекулярно-кінетичної теорії газів.
Постійна Больцмана пов'язує температуру Θ в енергетичних одиницях з температурою T в кельвінах. Це одна з найбільш важливих постійних молекулярно-кінетичної теорії.
Больцман Людвіг (1844-1906) - великий австрійський фізик, один з основоположників молекулярно-кінетичної теорії. У працям Больцмана молекулярно-кінетична теорія вперше постала як логічно струнка, послідовна фізична теорія. Больцман багато зробив для розвитку і популяризації теорії електромагнітного поля Максвелла. Борець за вдачею, він пристрасно відстоював необхідність молекулярного тлумачення теплових явищ і прийняв на себе основний тягар боротьби з вченими, що заперечували існування молекул.
Зв'язок абсолютної шкали і шкали Цельсія. Знаючи постійну Больцмана, можна знайти значення абсолютного нуля за шкалою Цельсія. Для цього знайдемо спочатку значення абсолютної температури, відповідне 0 ° C.
Один кельвін і один градус шкали Цельсія збігаються. Тому будь-яке значення абсолютної температури T буде на 273 градуси вище відповідної температури t за Цельсієм:
Але зміна абсолютної температури Δ T дорівнює зміні температури за шкалою Цельсія Δ t. Δ T = Δ t.
На малюнку 27 для порівняння зображені абсолютна шкала і шкала Цельсія. Абсолютного нуля відповідає температура t = -273 ° C. (Більш точне значення абсолютного нуля: -273,15 ° C.)
Ліві частини рівнянь однакові. Значить, повинні бути рівні і їх праві частини. Звідси випливає зв'язок між середньою кінетичної енергією поступального руху молекул і температурою:
Середня кінетична енергія хаотичного руху молекул газу пропорційна абсолютній температурі. Чим вище температура, тим швидше рухаються молекули. Таким чином, висунута раніше здогад про зв'язок температури з середньою швидкістю молекул отримала надійне обгрунтування.
Співвідношення між температурою і середньої кінетичної енергією поступального руху молекул (2.9) встановлено для розріджених газів. Однак воно виявляється справедливим для будь-яких речовин, рух атомів або молекул яких підпорядковується законам механіки Ньютона. Воно вірно для рідин і твердих тіл, у яких атоми можуть лише коливатися біля положень рівноваги у вузлах кристалічної решітки.
При наближенні температури до абсолютного нуля енергія теплового руху молекул також наближається до нуля.
Залежність тиску газу від його концентрації і температури. Підставляючи (2.9) в формулу (1.18), отримаємо вираз, що показує залежність тиску газу від концентрації молекул і температури:
З формули (2.10) (цю формулу можна також отримати з рівняння (2.6)) випливає, що при однакових тисках і температурах концентрація молекул у всіх газів одна і та ж. Звідси випливає закон Авогадро, відомий вам з курсу хімії VIII класу: в рівних обсягах газів при однакових температурах і тисках міститься однакове число молекул.
1. Які властивості макроскопічних тіл використовуються для вимірювання температури? 2. У чому перевага використання розріджених газів для виміру температури? 3. Як пов'язані обсяг, тиск і число молекул різних газів в стані теплової рівноваги? 4. Який фізичний зміст постійної Больцмана? 5. Які переваги має абсолютна шкала температур у порівнянні з іншими шкалами? 6. Чому дорівнює абсолютний нуль температури за шкалою Цельсія? 7. Як залежить від температури середня кінетична енергія поступального руху молекул? 8. Як пов'язано тиск газу з його температурою і концентрацією молекул? 9. Який фізичний зміст абсолютного нуля температури?
Вибір в якості основних точок температурної шкали точок танення льоду і кипіння води абсолютно довільний. Отримана таким чином температурна шкала виявилася незручною для теоретичних досліджень.
Спираючись на закони термодинаміки, Кельвіном вдалося побудувати так звану абсолютну температурну шкалу (її нині називають термодинамічної шкалою температур або шкалою Кельвіна), абсолютно не залежну ні від природи термометрического тіла, ні від обраного термометрического параметра. Однак принцип побудови такої шкали виходить за межі шкільної програми. Ми розглянемо це питання, використовуючи інші міркування.
З формули (2) випливають два можливих способу встановлення температурної шкали: використання зміни тиску певної кількості газу при постійному обсязі або зміна обсягу при постійному тиску. Таку шкалу називають ідеальною газової шкалою температури.
Температура, яка визначається рівністю (2), називається абсолютною температурою. Абсолютна температура Τ не може бути негативною, так як зліва в рівності (2) стоять свідомо позитивні величини (точніше, вона не може бути різних знаків, вона може бути або позитивною, або негативною. Це залежить від вибору знака постійної k. Так як умовилися температуру потрійної точки вважати позитивною, то абсолютна температура може бути тільки позитивною). Отже, найменше можливе значення температури Т = 0 є температура, коли тиск або обсяг дорівнюють нулю.
Гранична температура, при якій тиск ідеального газу звертається в нуль при фіксованому обсязі або обсяг ідеального газу прагне до нуля (тобто газ як би повинен стиснутися в "точку") при постійному тиску, називається абсолютним нулем. Це найнижча температура в природі.
З рівності (3), з огляду на, що \ (
\ Mathcal h W_K \ mathcal i = \ frac \). випливає фізичний зміст абсолютного нуля: абсолютний нуль - температура, при якій має припинитися теплове поступальний рух молекул. Абсолютний нуль недосяжний.
У Міжнародній системі одиниць (СІ) використовують абсолютну термодинамічну шкалу температур. За нульову температуру по цій шкалі прийнятий абсолютний нуль. В якості другої опорної точки прийнята температура, при якій знаходяться в динамічній рівновазі вода, лід і насичений пар, так звана потрійна точка (за шкалою Цельсія температура потрійної точки дорівнює 0,01 ° С). Кожна одиниця абсолютної температури, яка називається Кельвіном (позначається 1 К), дорівнює градусу Цельсія.
Занурюючи колбу газового термометра в тане лід, а потім в киплячу воду при нормальному атмосферному тиску, виявили, що тиск газу в другому випадку в 1,3661 рази більше, ніж в першому. З огляду на це і користуючись формулою (2), можна визначити, що температура танення льоду T0 = 273,15 К.
Дійсно, запишемо рівняння (2) для температури T0 танення льоду і температури кипіння води (T0 + 100):
Розділимо друге рівняння на перше, отримаємо: