Cero absoluto. La temperatura cero absoluta es el punto donde se detiene el movimiento molecular.
¿Qué es el cero absoluto (normalmente cero)? ¿Existe realmente esta temperatura en algún lugar del universo? ¿Podemos enfriar algo al cero absoluto en vida real? Si se pregunta si es posible vencer la ola de frío, exploremos los confines más lejanos de las temperaturas frías...
¿Qué es el cero absoluto (normalmente cero)? ¿Existe realmente esta temperatura en algún lugar del universo? ¿Podemos enfriar algo al cero absoluto en la vida real? Si se pregunta si es posible vencer la ola de frío, exploremos los confines más lejanos de las temperaturas frías...
Incluso si no eres físico, probablemente estés familiarizado con el concepto de temperatura. La temperatura es una medida de la cantidad de energía aleatoria interna de un material. La palabra "interno" es muy importante. Lanza una bola de nieve, y aunque el movimiento principal será bastante rápido, la bola de nieve permanecerá bastante fría. Por otro lado, si nos fijamos en las moléculas de aire que vuelan por una habitación, veremos que una molécula de oxígeno normal se fríe a miles de kilómetros por hora.
Solemos quedarnos callados cuando se trata de detalles técnicos, así que solo para los expertos, tengamos en cuenta que la temperatura es un poco más complicada de lo que dijimos. La verdadera definición de temperatura implica cuánta energía necesitas gastar por cada unidad de entropía (desorden, si quieres una palabra más clara). Pero saltemos las sutilezas y centrémonos únicamente en el hecho de que las moléculas aleatorias de aire o agua en el hielo se moverán o vibrarán cada vez más lentamente a medida que baje la temperatura.
Cero absoluto- Esta es una temperatura de -273,15 grados Celsius, -459,67 Fahrenheit y sólo 0 Kelvin. Este es el punto donde el movimiento térmico se detiene por completo.
¿Todo se detiene?
En la consideración clásica de la cuestión, todo se detiene en el cero absoluto, pero es en este momento cuando la terrible cara de la mecánica cuántica asoma a la vuelta de la esquina. Una de las predicciones de la mecánica cuántica que ha echado a perder la sangre a no pocos físicos es que nunca se podrá medir la posición exacta o el momento de una partícula con absoluta certeza. Esto se conoce como principio de incertidumbre de Heisenberg.
Si pudieras enfriar una habitación sellada al cero absoluto, sucederían cosas extrañas (más sobre esto más adelante). La presión del aire caería casi a cero y, dado que la presión del aire normalmente se opone a la gravedad, el aire colapsaría formando una capa muy delgada sobre el suelo.
Pero aun así, si puedes medir moléculas individuales, encontrarás algo interesante: vibran y giran, sólo un poco de incertidumbre cuántica en acción. Para poner los puntos sobre las íes: si se mide la rotación de las moléculas dióxido de carbono En el cero absoluto, descubrirá que los átomos de oxígeno vuelan alrededor del carbono a varios kilómetros por hora, mucho más rápido de lo que pensaba.
La conversación llega a un callejón sin salida. Cuando hablamos del mundo cuántico, el movimiento pierde su significado. En estas escalas, todo está definido por la incertidumbre, por lo que no es que las partículas sean estacionarias, es solo que nunca se pueden medir como si fueran estacionarias.
¿Cuan bajo Puedes ir?
La búsqueda del cero absoluto enfrenta esencialmente los mismos problemas que la búsqueda de la velocidad de la luz. Para alcanzar la velocidad de la luz se requiere una cantidad infinita de energía, y alcanzar el cero absoluto requiere la extracción de una cantidad infinita de calor. Ambos procesos son imposibles, en todo caso.
A pesar de que todavía no hemos alcanzado el estado real del cero absoluto, estamos muy cerca de él (aunque “muy” en este caso es un concepto muy vago; como una canción infantil: dos, tres, cuatro, cuatro y un la mitad, cuatro en una cuerda, cuatro por un pelo, cinco). lo mas baja temperatura, jamás registrado en la Tierra, se registró en la Antártida en 1983, a -89,15 grados Celsius (184K).
Por supuesto, si quieres refrescarte de forma infantil, tendrás que sumergirte en las profundidades del espacio. El universo entero está bañado por los restos de radiación del Big Bang, en las regiones más vacías del espacio: 2,73 grados Kelvin, una temperatura un poco más fría que la temperatura del helio líquido que pudimos obtener en la Tierra hace un siglo.
Pero los físicos de bajas temperaturas están utilizando rayos congelantes para llevar la tecnología al siguiente nivel. nuevo nivel. Quizás le sorprenda saber que los rayos congelantes toman la forma de láseres. ¿Pero cómo? Se supone que los láseres arden.
Todo es cierto, pero los láseres tienen una característica, incluso se podría decir, la definitiva: toda la luz se emite en una frecuencia. Los átomos neutros ordinarios no interactúan en absoluto con la luz a menos que la frecuencia esté sintonizada con precisión. Si un átomo vuela hacia una fuente de luz, la luz recibe un desplazamiento Doppler y alcanza una frecuencia más alta. El átomo absorbe menos energía fotónica de la que podría. Entonces, si ajustas el láser más bajo, los átomos que se mueven rápidamente absorberán luz y, al emitir un fotón en una dirección aleatoria, perderán un poco de energía en promedio. Si repites el proceso, puedes enfriar el gas a una temperatura de menos de un nanoKelvin, una milmillonésima de grado.
Todo adquiere un tono más extremo. El récord mundial de temperatura más baja está a menos de una décima de mil millones de grados por encima del cero absoluto. Los dispositivos que logran esto atrapan átomos en campos magnéticos. La “temperatura” depende no tanto de los átomos mismos sino del espín de los núcleos atómicos.
Ahora, para restablecer la justicia, debemos ser un poco creativos. Cuando normalmente imaginamos algo congelado hasta una milmillonésima de grado, probablemente tengamos una imagen incluso de moléculas de aire congelándose en su lugar. Incluso se puede imaginar un dispositivo apocalíptico destructivo que congele la espalda de los átomos.
En definitiva, si realmente quieres experimentar bajas temperaturas, lo único que tienes que hacer es esperar. Después de unos 17 mil millones de años Radiación de fondo en el Universo se enfriará a 1K. Dentro de 95 mil millones de años la temperatura será de aproximadamente 0,01 K. Dentro de 400 mil millones de años, el espacio profundo será tan frío como el experimento más frío realizado en la Tierra, y aún más frío después de eso.
Si se pregunta por qué el universo se está enfriando tan rápidamente, agradezca a nuestros viejos amigos: la entropía y la energía oscura. El universo está en modo de aceleración, entrando en un período de crecimiento exponencial que continuará para siempre. Las cosas se congelarán muy rápidamente.
¿Qué nos importa?
Todo esto, por supuesto, es maravilloso, y batir récords también es agradable. ¿Pero cuál es el punto? Bueno, hay muchas buenas razones para entender las bajas temperaturas, y no sólo como un ganador.
A la buena gente del NIST, por ejemplo, simplemente le gustaría hacer reloj genial. Los estándares de tiempo se basan en cosas como la frecuencia del átomo de cesio. Si el átomo de cesio se mueve demasiado, se crea incertidumbre en las mediciones, lo que eventualmente provocará un mal funcionamiento del reloj.
Pero lo más importante, especialmente desde una perspectiva científica, es que los materiales se comportan como locos a temperaturas extremadamente bajas. Por ejemplo, así como un láser está hecho de fotones que están sincronizados entre sí, en la misma frecuencia y fase, también se puede crear un material conocido como condensado de Bose-Einstein. En él, todos los átomos se encuentran en el mismo estado. O imaginemos una amalgama en la que cada átomo pierde su individualidad y toda la masa reacciona como un superátomo nulo.
A temperaturas muy bajas, muchos materiales se vuelven superfluidos, lo que significa que no pueden tener ninguna viscosidad, apilarse en capas ultrafinas e incluso desafiar la gravedad para lograr un mínimo de energía. Además, a bajas temperaturas, muchos materiales se vuelven superconductores, lo que significa que no hay resistencia eléctrica.
Los superconductores son capaces de responder a los campos magnéticos externos de tal manera que los anulan completamente dentro del metal. Como resultado, puedes combinar una temperatura fría y un imán y obtener algo así como levitación.
¿Por qué existe el cero absoluto, pero no el máximo absoluto?
Miremos el otro extremo. Si la temperatura es simplemente una medida de energía, entonces podemos imaginar que los átomos se acercan cada vez más a la velocidad de la luz. Esto no puede durar para siempre, ¿verdad?
La respuesta corta es: no lo sabemos. Es posible que exista literalmente algo llamado temperatura infinita, pero si hay un límite absoluto, el universo joven proporciona algunas pistas bastante interesantes sobre lo que es. La temperatura más alta jamás conocida (al menos en nuestro universo) probablemente ocurrió durante lo que se conoce como la época de Planck.
Fue un momento 10^-43 segundos después del Big Bang cuando la gravedad se separó de la mecánica cuántica y la física se convirtió exactamente en lo que es ahora. La temperatura en ese momento era de aproximadamente 10 ^ 32 K. Esto es un septillón de veces más caliente que el interior de nuestro Sol.
Nuevamente, no estamos del todo seguros de si esta es la temperatura más alta que podría haber. Dado que ni siquiera tenemos un modelo grande del universo en la época de Planck, ni siquiera estamos seguros de que el universo alcanzara tal estado. En cualquier caso, estamos muchas veces más cerca del cero absoluto que del calor absoluto.
Temperaturas cero absoluto
Temperatura cero absoluta- este es el límite mínimo de temperatura que puede tener un cuerpo físico. El cero absoluto sirve como origen de una escala de temperatura absoluta, como la escala Kelvin. En la escala Celsius, el cero absoluto corresponde a una temperatura de -273,15 °C.
Se cree que el cero absoluto es inalcanzable en la práctica. Su existencia y posición en la escala de temperatura se deriva de la extrapolación de los fenómenos físicos observados, y dicha extrapolación muestra que en el cero absoluto la energía del movimiento térmico de las moléculas y átomos de una sustancia debe ser igual a cero, es decir, el movimiento caótico de las partículas. se detiene, y forman una estructura ordenada, ocupando una posición clara en los nodos de la red cristalina. Sin embargo, de hecho, incluso a una temperatura del cero absoluto, los movimientos regulares de las partículas que componen la materia permanecerán. El resto de oscilaciones, como las del punto cero, se deben a las propiedades cuánticas de las partículas y al vacío físico que las rodea.
Actualmente, en los laboratorios físicos se han podido obtener temperaturas que superan el cero absoluto sólo en unas millonésimas de grado; lograrlo por sí solo, según las leyes de la termodinámica, es imposible.
Notas
Literatura
- G. Burmin. Asalto al cero absoluto. - M.: “Literatura infantil”, 1983.
ver también
Fundación Wikimedia. 2010.
- Temperatura cero absoluta
- Temperatura cero absoluta
Vea qué es “temperatura cero absoluta” en otros diccionarios:
Temperatura cero absoluta- La temperatura cero absoluta es el límite mínimo de temperatura que puede tener un cuerpo físico. El cero absoluto sirve como punto de partida para una escala de temperatura absoluta, como la escala Kelvin. En la escala Celsius, el cero absoluto corresponde a... ... Wikipedia
CERO ABSOLUTO- CERO ABSOLUTO, la temperatura a la cual todos los componentes del sistema tienen la menor cantidad de energía permitida por las leyes de la MECÁNICA CUÁNTICA; cero en la escala de temperatura Kelvin, o 273,15°C (459,67° Fahrenheit). A esta temperatura... Diccionario enciclopédico científico y técnico.
Escala de temperatura absoluta
Temperatura termodinámica absoluta- Movimiento térmico caótico en el plano de partículas de gas como átomos y moléculas. Hay dos definiciones de temperatura. Uno desde el punto de vista cinético molecular, el otro desde el punto de vista termodinámico. Temperatura (del latín temperatura propiamente dicha ... ... Wikipedia
Escala de temperatura absoluta- Movimiento térmico caótico en el plano de partículas de gas como átomos y moléculas. Hay dos definiciones de temperatura. Uno desde el punto de vista cinético molecular, el otro desde el punto de vista termodinámico. Temperatura (del latín temperatura propiamente dicha ... ... Wikipedia
¿Dónde crees que está el lugar más frío de nuestro Universo? Hoy esto es la Tierra. Por ejemplo, la temperatura de la superficie de la Luna es de -227 grados centígrados y la temperatura del vacío que nos rodea es de 265 grados bajo cero. Sin embargo, en un laboratorio en la Tierra, una persona puede alcanzar temperaturas mucho más bajas para estudiar las propiedades de los materiales a temperaturas ultrabajas. Los materiales, los átomos individuales e incluso la luz, sometidos a un enfriamiento extremo, comienzan a exhibir propiedades inusuales.
El primer experimento de este tipo lo llevaron a cabo a principios del siglo XX unos físicos que estudiaron las propiedades eléctricas del mercurio a temperaturas ultrabajas. A -262 grados Celsius, el mercurio comienza a exhibir propiedades superconductoras, reduciendo la resistencia a la corriente eléctrica a casi cero. Otros experimentos también revelaron otros propiedades interesantes materiales enfriados, incluida la superfluidez, que se expresa en la "fuga" de materia a través de tabiques sólidos y de contenedores cerrados.
La ciencia ha determinado la temperatura más baja posible: -273,15 grados centígrados, pero prácticamente esa temperatura es inalcanzable. En la práctica, la temperatura es una medida aproximada de la energía contenida en un objeto, por lo que el cero absoluto indica que el cuerpo no está emitiendo nada, y no se puede extraer energía de ese objeto. Pero a pesar de esto, los científicos están tratando de acercarse lo más posible a la temperatura del cero absoluto; el récord actual se estableció en 2003 en el laboratorio del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Los científicos están a sólo 810 milmillonésimas de grado del cero absoluto. Enfriaron una nube de átomos de sodio, mantenida en su lugar por un poderoso campo magnético.
Al parecer, ¿cuál es el significado práctico de tales experimentos? Resulta que los investigadores están interesados en un concepto como el condensado de Bose-Einstein, que es un estado especial de la materia, no gaseoso, sólido o líquido, sino simplemente una nube de átomos con el mismo estado cuántico. Esta forma de la sustancia fue predicha por Einstein y el físico indio Satyendra Bose en 1925, y se obtuvo sólo 70 años después. Uno de los científicos que logró este estado de la materia es Wolfgang Ketterle, quien recibió por su descubrimiento premio Nobel en el campo de la física.
Una de las propiedades notables de los condensados de Bose-Einstein (BEC) es la capacidad de controlar el movimiento de los rayos de luz. En el vacío, la luz viaja a una velocidad de 300.000 km por segundo, y ésta es la velocidad máxima que se puede alcanzar en el Universo. Pero la luz puede viajar más lentamente si viaja a través de la materia y no en el vacío. Con la ayuda de KBE, es posible ralentizar el movimiento de la luz a velocidades bajas e incluso detenerlo. Debido a la temperatura y densidad del condensado, la emisión de luz se ralentiza y puede "captarse" y convertirse directamente en electricidad. Esta corriente puede transferirse a otra nube CBE y convertirse nuevamente en radiación luminosa. Esta característica tiene una gran demanda en telecomunicaciones y tecnologia computacional. Aquí no entiendo un poco: después de todo, YA existen dispositivos que convierten ondas de luz en electricidad y viceversa... Aparentemente, el uso de CBE permite que esta conversión se realice de manera más rápida y precisa.
Una de las razones por las que los científicos están tan ansiosos por obtener el cero absoluto es un intento de comprender lo que está sucediendo y sucedió en nuestro Universo, qué leyes termodinámicas se aplican en él. Al mismo tiempo, los investigadores entienden que extraer toda la energía del átomo hasta el final es prácticamente inalcanzable.
Cualquier cuerpo físico, incluidos todos los objetos del Universo, tiene una temperatura mínima o su límite. Se considera que el punto de partida de cualquier escala de temperatura es el valor del cero absoluto de temperatura. Pero esto es sólo en teoría. El movimiento caótico de átomos y moléculas, que en este momento ceden su energía, aún no se ha detenido en la práctica.
Esta es la razón principal por la que no se pueden alcanzar temperaturas del cero absoluto. Todavía hay debates sobre las consecuencias de este proceso. Desde el punto de vista de la termodinámica, este límite es inalcanzable, ya que el movimiento térmico de átomos y moléculas se detiene por completo y se forma una red cristalina.
Los representantes de la física cuántica prevén la presencia de oscilaciones mínimas de cero a temperaturas del cero absoluto.
¿Cuál es el valor de la temperatura del cero absoluto y por qué no se puede alcanzar?
En la Conferencia General de Pesas y Medidas se estableció por primera vez un punto de referencia o referencia para los instrumentos de medida que determinan los indicadores de temperatura.
Actualmente, en el Sistema Internacional de Unidades, el punto de referencia de la escala Celsius es 0°C para congelación y 100°C para ebullición, el valor del cero absoluto es igual a −273,15°C.
Utilizando valores de temperatura en la escala Kelvin según el mismo Sistema internacional En unidades de medida, el agua hirviendo se producirá a un valor de referencia de 99,975°C, el cero absoluto es igual a 0. Fahrenheit en la escala corresponde a -459,67 grados.
Pero, si se obtienen estos datos, ¿por qué es imposible alcanzar temperaturas del cero absoluto en la práctica? A modo de comparación, podemos tomar la conocida velocidad de la luz, que es igual al valor físico constante de 1.079.252.848,8 km/h.
Sin embargo, este valor no se puede alcanzar en la práctica. Depende de la longitud de onda de transmisión, de las condiciones y de la absorción requerida de una gran cantidad de energía por parte de las partículas. Para obtener el valor del cero absoluto se requiere una gran producción de energía y la ausencia de fuentes que impidan su entrada en átomos y moléculas.
Pero incluso en condiciones de vacío total, los científicos no pudieron obtener ni la velocidad de la luz ni la temperatura del cero absoluto.
¿Por qué es posible alcanzar temperaturas aproximadamente cero, pero no el cero absoluto?
Lo que sucederá cuando la ciencia pueda acercarse a alcanzar la temperatura extremadamente baja del cero absoluto queda sólo en la teoría de la termodinámica y la física cuántica. ¿Cuál es la razón por la que en la práctica no se pueden alcanzar temperaturas del cero absoluto?
Todos los intentos conocidos de enfriar una sustancia hasta el límite más bajo mediante la máxima pérdida de energía llevaron al hecho de que la capacidad calorífica de la sustancia también alcanzó un valor mínimo. Las moléculas simplemente ya no podían ceder la energía restante. Como resultado, el proceso de enfriamiento se detuvo sin llegar al cero absoluto.
Al estudiar el comportamiento de los metales en condiciones cercanas al cero absoluto, los científicos descubrieron que una disminución máxima de la temperatura debería provocar una pérdida de resistencia.
Pero el cese del movimiento de átomos y moléculas solo condujo a la formación de una red cristalina, a través de la cual los electrones que pasaban transfirieron parte de su energía a los átomos estacionarios. Una vez más, no fue posible alcanzar el cero absoluto.
En 2003, la temperatura estaba a sólo 500 milésimas de 1°C del cero absoluto. Los investigadores de la NASA utilizaron para realizar experimentos una molécula de Na, que siempre estaba en un campo magnético y cedía su energía.
El logro más cercano lo lograron los científicos de la Universidad de Yale, quienes en 2014 alcanzaron la cifra de 0,0025 Kelvin. El compuesto resultante, monofluoruro de estroncio (SrF), duró sólo 2,5 segundos. Y al final aun así se desintegró en átomos.
La temperatura límite a la que el volumen de un gas ideal se vuelve igual a cero se considera temperatura del cero absoluto. Sin embargo, el volumen de gases reales a temperatura del cero absoluto no puede desaparecer. ¿Tiene sentido entonces este límite de temperatura?
La temperatura límite, cuya existencia se deriva de la ley de Gay-Lussac, tiene sentido, ya que es prácticamente posible acercar las propiedades de un gas real a las propiedades de uno ideal. Para hacer esto, es necesario tomar un gas cada vez más enrarecido, de modo que su densidad tienda a cero. De hecho, a medida que disminuye la temperatura, el volumen de dicho gas tenderá al límite, cercano a cero.
Encontremos el valor del cero absoluto en la escala Celsius. Igualar el volumen VV fórmula (3.6.4) cero y teniendo en cuenta que
Por tanto, la temperatura del cero absoluto es
* Valor cero absoluto más preciso: -273,15 °C.
Esta es la temperatura más baja y extrema de la naturaleza, ese "mayor o último grado de frío", cuya existencia predijo Lomonosov.
escala kelvin
Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907): destacado físico inglés, uno de los fundadores de la termodinámica y la teoría cinética molecular de los gases.
Kelvin introdujo la escala de temperatura absoluta y dio una de las formulaciones de la segunda ley de la termodinámica en forma de la imposibilidad de convertir completamente el calor en trabajo. Calculó el tamaño de las moléculas midiendo la energía superficial del líquido. En relación con el tendido del cable telegráfico transatlántico, Kelvin desarrolló la teoría de las oscilaciones electromagnéticas y dedujo una fórmula para el período de oscilaciones libres en un circuito. Por sus logros científicos, W. Thomson recibió el título de Lord Kelvin.
El científico inglés W. Kelvin introdujo la escala de temperatura absoluta. La temperatura cero en la escala Kelvin corresponde al cero absoluto y la unidad de temperatura en esta escala es igual a un grado en la escala Celsius, por lo que temperatura absoluta t está relacionado con la temperatura en la escala Celsius mediante la fórmula
(3.7.6)
La Figura 3.11 muestra la escala absoluta y la escala Celsius para comparar.
La unidad SI de temperatura absoluta se llama kelvin (abreviado K). Por lo tanto, un grado en la escala Celsius es igual a un grado en la escala Kelvin: 1 °C = 1 K.
Por tanto, la temperatura absoluta, según la definición dada por la fórmula (3.7.6), es una cantidad derivada que depende de la temperatura Celsius y del valor de a determinado experimentalmente. Sin embargo, es de fundamental importancia.
Desde el punto de vista de la teoría cinética molecular, la temperatura absoluta está relacionada con la energía cinética promedio del movimiento caótico de átomos o moléculas. En t= Ok, el movimiento térmico de las moléculas se detiene. Esto se discutirá con más detalle en el Capítulo 4.
Dependencia del volumen de la temperatura absoluta.
Utilizando la escala Kelvin, la ley de Gay-Lussac (3.6.4) se puede escribir de una forma más sencilla. Porque
(3.7.7)
El volumen de un gas de una masa determinada a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
De ello se deduce que la relación de volúmenes de gas de la misma masa en varios estados a la misma presión es igual a la relación de temperaturas absolutas:
(3.7.8)
Existe una temperatura mínima posible a la que el volumen (y la presión) de un gas ideal desaparecen. Esta es la temperatura del cero absoluto:-273°C. Es conveniente contar la temperatura desde el cero absoluto. Así se construye la escala de temperatura absoluta.