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Zéro absolu. La température zéro absolu est le point où le mouvement moléculaire s’arrête.

Qu'est-ce que le zéro absolu (généralement zéro) ? Cette température existe-t-elle réellement quelque part dans l’univers ? Pouvons-nous refroidir quoi que ce soit jusqu'au zéro absolu à vrai vie? Si vous vous demandez s'il est possible de vaincre la vague de froid, explorons les confins des températures froides...

Qu'est-ce que le zéro absolu (généralement zéro) ? Cette température existe-t-elle réellement quelque part dans l’univers ? Pouvons-nous refroidir quoi que ce soit jusqu’au zéro absolu dans la vraie vie ? Si vous vous demandez s'il est possible de vaincre la vague de froid, explorons les confins des températures froides...

Même si vous n’êtes pas physicien, vous connaissez probablement le concept de température. La température est une mesure de la quantité d’énergie aléatoire interne d’un matériau. Le mot « interne » est très important. Lancez une boule de neige, et même si le mouvement principal sera assez rapide, la boule de neige restera assez froide. D’un autre côté, si vous regardez les molécules d’air qui volent dans une pièce, une molécule d’oxygène ordinaire est en train de frire à des milliers de kilomètres par heure.

Nous avons tendance à rester silencieux lorsqu'il s'agit de détails techniques, alors juste pour les experts, notons que la température est un peu plus compliquée que ce que nous disions. La véritable définition de la température implique la quantité d'énergie que vous devez dépenser pour chaque unité d'entropie (le désordre, si vous voulez un mot plus clair). Mais oublions les subtilités et concentrons-nous simplement sur le fait que des molécules aléatoires d'air ou d'eau dans la glace se déplaceront ou vibreront de plus en plus lentement à mesure que la température baisse.

Zéro absolu- il s'agit d'une température de -273,15 degrés Celsius, -459,67 Fahrenheit et seulement 0 Kelvin. C'est le point où le mouvement thermique s'arrête complètement.

Est-ce que tout s'arrête ?

Dans l’examen classique de la question, tout s’arrête au zéro absolu, mais c’est à ce moment-là que le terrible visage de la mécanique quantique apparaît au coin de la rue. L’une des prédictions de la mécanique quantique qui a gâché le sang de nombreux physiciens est qu’on ne peut jamais mesurer la position exacte ou l’impulsion d’une particule avec une parfaite certitude. C’est ce qu’on appelle le principe d’incertitude de Heisenberg.

Si vous pouviez refroidir une pièce scellée jusqu'au zéro absolu, des choses étranges se produiraient (nous en parlerons plus tard). La pression de l’air chuterait jusqu’à presque zéro et, comme la pression de l’air s’oppose généralement à la gravité, l’air s’effondrerait en une très fine couche sur le sol.

Mais même ainsi, si vous pouvez mesurer des molécules individuelles, vous découvrirez quelque chose d'intéressant : elles vibrent et tournent, juste un peu d'incertitude quantique à l'œuvre. Pour mettre les points sur les i : si l’on mesure la rotation des molécules gaz carbonique Au zéro absolu, vous constaterez que les atomes d’oxygène volent autour du carbone à plusieurs kilomètres par heure – beaucoup plus vite que vous ne le pensiez.

La conversation aboutit à une impasse. Quand on parle du monde quantique, le mouvement perd son sens. À ces échelles, tout est défini par l’incertitude, ce n’est donc pas que les particules soient stationnaires, c’est juste qu’on ne peut jamais les mesurer comme si elles étaient stationnaires.

Jusqu'où pouvez-vous descendre ?

La poursuite du zéro absolu se heurte essentiellement aux mêmes problèmes que la poursuite de la vitesse de la lumière. Atteindre la vitesse de la lumière nécessite une quantité infinie d’énergie, et atteindre le zéro absolu nécessite l’extraction d’une quantité infinie de chaleur. Ces deux processus sont impossibles, voire impossibles.

Bien que nous n’ayons pas encore atteint l’état réel du zéro absolu, nous en sommes très proches (même si « très » dans ce cas est un concept très vague ; comme une comptine : deux, trois, quatre, quatre et un moitié, quatre sur une ficelle, quatre sur l'épaisseur d'un cheveu, cinq). Le plus basse température, jamais enregistré sur Terre, a été enregistré en Antarctique en 1983, à -89,15 degrés Celsius (184K).

Bien sûr, si l’on souhaite se rafraîchir de manière enfantine, il faut plonger dans les profondeurs de l’espace. L'univers entier est baigné dans les restes du rayonnement du Big Bang, dans les régions les plus vides de l'espace - 2,73 degrés Kelvin, ce qui est à peine plus froid que la température de l'hélium liquide que nous avons pu obtenir sur Terre il y a un siècle.

Mais les physiciens des basses températures utilisent les rayons gelés pour faire passer la technologie à un niveau supérieur. nouveau niveau. Vous serez peut-être surpris d’apprendre que les rayons gelés prennent la forme de lasers. Mais comment? Les lasers sont censés brûler.

Tout est vrai, mais les lasers ont une caractéristique - on pourrait même dire, l'ultime : toute la lumière est émise à une seule fréquence. Les atomes neutres ordinaires n’interagissent pas du tout avec la lumière à moins que la fréquence ne soit réglée avec précision. Si un atome vole vers une source lumineuse, la lumière reçoit un décalage Doppler et atteint une fréquence plus élevée. L’atome absorbe moins d’énergie photonique qu’il ne le pourrait. Ainsi, si vous réglez le laser plus bas, les atomes se déplaçant rapidement absorberont la lumière et, en émettant un photon dans une direction aléatoire, ils perdront en moyenne un peu d'énergie. Si vous répétez le processus, vous pouvez refroidir le gaz à une température inférieure à un nanoKelvin, soit un milliardième de degré.

Tout prend un ton plus extrême. Le record mondial de température la plus basse se situe à moins d’un dixième de milliard de degrés au-dessus du zéro absolu. Les appareils qui parviennent à piéger les atomes dans champs magnétiques. La « température » ne dépend pas tant des atomes eux-mêmes que du spin des noyaux atomiques.

Maintenant, pour rétablir la justice, nous devons faire preuve d’un peu de créativité. Lorsque nous imaginons habituellement quelque chose gelé jusqu’à un milliardième de degré, nous obtenons probablement une image de molécules d’air gelées sur place. On peut même imaginer un dispositif apocalyptique destructeur qui gèle le dos des atomes.

En fin de compte, si vous souhaitez vraiment connaître les basses températures, il n’y a qu’à attendre. Après environ 17 milliards d'années rayonnement de fond dans l'Univers se refroidira jusqu'à 1K. Dans 95 milliards d’années, la température sera d’environ 0,01 K. Dans 400 milliards d’années, l’espace lointain sera aussi froid que l’expérience la plus froide sur Terre, et encore plus froid par la suite.

Si vous vous demandez pourquoi l'univers se refroidit si rapidement, remerciez nos vieux amis : l'entropie et l'énergie noire. L’univers est en mode accélération, entrant dans une période de croissance exponentielle qui se poursuivra éternellement. Les choses vont geler très vite.

Qu’est-ce qui nous importe ?

Bien sûr, tout cela est merveilleux, et battre des records est aussi agréable. Mais à quoi ça sert ? Eh bien, il existe de nombreuses bonnes raisons de comprendre les basses températures, et pas seulement en tant que gagnant.

Les braves gens du NIST, par exemple, aimeraient simplement faire montre cool. Les normes de temps sont basées sur des éléments tels que la fréquence de l'atome de césium. Si l’atome de césium bouge trop, cela crée une incertitude dans les mesures, ce qui finira par entraîner un dysfonctionnement de l’horloge.

Mais plus important encore, surtout d’un point de vue scientifique, les matériaux se comportent de manière folle à des températures extrêmement basses. Par exemple, tout comme un laser est constitué de photons synchronisés les uns avec les autres – à la même fréquence et phase – un matériau connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein peut être créé. Dans ce document, tous les atomes sont dans le même état. Ou imaginez un amalgame dans lequel chaque atome perd son individualité et la masse entière réagit comme un seul super-atome nul.

À très basse température, de nombreux matériaux deviennent superfluides, ce qui signifie qu’ils peuvent n’avoir aucune viscosité, s’empiler en couches ultra fines et même défier la gravité pour obtenir un minimum d’énergie. De plus, à basse température, de nombreux matériaux deviennent supraconducteurs, ce qui signifie qu’il n’y a plus de résistance électrique.

Les supraconducteurs sont capables de réagir aux champs magnétiques externes de manière à les annuler complètement à l’intérieur du métal. En conséquence, vous pouvez combiner une température froide et un aimant et obtenir quelque chose comme la lévitation.

Pourquoi y a-t-il un zéro absolu, mais pas un maximum absolu ?

Regardons l'autre extrême. Si la température est simplement une mesure de l’énergie, alors nous pouvons simplement imaginer que les atomes se rapprochent de plus en plus de la vitesse de la lumière. Cela ne peut pas durer éternellement, n'est-ce pas ?

La réponse courte est : nous ne savons pas. Il est possible qu'il existe littéralement une température infinie, mais s'il existe une limite absolue, le jeune univers fournit des indices assez intéressants sur ce dont il s'agit. La température la plus élevée jamais connue (du moins dans notre univers) s'est probablement produite à l'époque de Planck.

C'est 10^-43 secondes après le Big Bang que la gravité s'est séparée de la mécanique quantique et que la physique est devenue exactement ce qu'elle est aujourd'hui. La température à cette époque était d’environ 10 ^ 32 K. C’est sept milliards de fois plus chaud que l’intérieur de notre Soleil.

Encore une fois, nous ne savons pas du tout s’il s’agit de la température la plus chaude possible. Puisque nous n’avons même pas de grand modèle de l’univers à l’époque de Planck, nous ne sommes même pas sûrs que l’univers ait atteint un tel état. Quoi qu’il en soit, nous sommes bien plus proches du zéro absolu que de la chaleur absolue.

Températures zéro absolu

Température zéro absolu- c'est la limite de température minimale qu'un corps physique peut avoir. Le zéro absolu est à l'origine d'une échelle de température absolue, telle que l'échelle Kelvin. Sur l'échelle Celsius, le zéro absolu correspond à une température de −273,15 °C.

On pense que le zéro absolu est inaccessible dans la pratique. Son existence et sa position sur l'échelle de température découlent de l'extrapolation des phénomènes physiques observés, et une telle extrapolation montre qu'au zéro absolu, l'énergie du mouvement thermique des molécules et des atomes d'une substance doit être égale à zéro, c'est-à-dire le mouvement chaotique des particules. s'arrête et forme une structure ordonnée, occupant une position claire dans les nœuds du réseau cristallin. Cependant, même à température nulle absolue, les mouvements réguliers des particules qui composent la matière subsisteront. Les oscillations restantes, comme les oscillations du point zéro, sont dues aux propriétés quantiques des particules et au vide physique qui les entoure.

À l'heure actuelle, dans les laboratoires de physique, il est possible d'obtenir des températures dépassant le zéro absolu de quelques millionièmes de degré seulement ; y parvenir lui-même, selon les lois de la thermodynamique, est impossible.

Remarques

Littérature

G. Burmine. Assaut sur le zéro absolu. - M. : « Littérature jeunesse », 1983.

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Fondation Wikimédia. 2010.

Température zéro absolu
Température zéro absolu

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Échelle de température absolue

Température thermodynamique absolue- Mouvement thermique chaotique sur le plan des particules de gaz telles que les atomes et les molécules. Il existe deux définitions de la température. L’un d’un point de vue cinétique moléculaire, l’autre d’un point de vue thermodynamique. Température (du latin temperatura proprement dit ... ... Wikipédia

Échelle de température absolue- Mouvement thermique chaotique sur le plan des particules de gaz telles que les atomes et les molécules. Il existe deux définitions de la température. L’un d’un point de vue cinétique moléculaire, l’autre d’un point de vue thermodynamique. Température (du latin temperatura proprement dit ... ... Wikipédia

Selon vous, où se trouve l’endroit le plus froid de notre Univers ? Aujourd'hui, c'est la Terre. Par exemple, la température à la surface de la Lune est de -227 degrés Celsius et la température du vide qui nous entoure est de 265 degrés en dessous de zéro. Cependant, dans un laboratoire sur Terre, une personne peut atteindre des températures beaucoup plus basses pour étudier les propriétés des matériaux à des températures ultra-basses. Les matériaux, les atomes individuels et même la lumière, soumis à un refroidissement extrême, commencent à présenter des propriétés inhabituelles.

La première expérience de ce type a été réalisée au début du XXe siècle par des physiciens qui étudiaient les propriétés électriques du mercure à des températures ultra-basses. À -262 degrés Celsius, le mercure commence à présenter des propriétés supraconductrices, réduisant la résistance au courant électrique à presque zéro. D'autres expériences ont également révélé d'autres propriétés intéressantes matériaux refroidis, y compris la superfluidité, qui se traduit par des « fuites » de matière à travers des cloisons solides et des conteneurs fermés.

La science a déterminé la température la plus basse possible - moins 273,15 degrés Celsius, mais une telle température est pratiquement inaccessible. En pratique, la température est une mesure approximative de l’énergie contenue dans un objet, donc le zéro absolu indique que le corps n’émet rien et qu’aucune énergie ne peut être extraite de cet objet. Malgré cela, les scientifiques tentent de se rapprocher le plus possible du zéro absolu : le record actuel a été établi en 2003 dans le laboratoire du Massachusetts Institute of Technology. Les scientifiques ne sont qu’à 810 milliardièmes de degré du zéro absolu. Ils ont refroidi un nuage d’atomes de sodium, maintenu en place par un puissant champ magnétique.

Il semblerait : quelle est la signification pratique de telles expériences ? Il s'avère que les chercheurs s'intéressent à un concept tel que le condensat de Bose-Einstein, qui est un état particulier de la matière - pas un gaz, un solide ou un liquide, mais simplement un nuage d'atomes ayant le même état quantique. Cette forme de substance a été prédite par Einstein et le physicien indien Satyendra Bose en 1925 et n'a été obtenue que 70 ans plus tard. L'un des scientifiques qui ont atteint cet état de la matière est Wolfgang Ketterle, qui a reçu pour sa découverte prix Nobel dans le domaine de la physique.

L’une des propriétés remarquables des condensats de Bose-Einstein (BEC) est leur capacité à contrôler le mouvement des rayons lumineux. Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse de 300 000 km par seconde, ce qui constitue la vitesse maximale atteignable dans l'Univers. Mais la lumière peut voyager plus lentement si elle voyage à travers la matière plutôt que dans le vide. Avec l'aide de KBE, vous pouvez ralentir le mouvement de la lumière à basse vitesse, voire l'arrêter. En raison de la température et de la densité du condensat, l'émission de lumière est ralentie et peut être « captée » et convertie directement en électricité. Ce courant peut être transféré vers un autre nuage CBE et reconverti en rayonnement lumineux. Cette fonctionnalité est très demandée pour les télécommunications et la technologie informatique. Ici, je ne comprends pas un peu - après tout, des appareils qui convertissent les ondes lumineuses en électricité et vice versa existent DÉJÀ... Apparemment, l'utilisation du CBE permet d'effectuer cette conversion plus rapidement et avec plus de précision.

L'une des raisons pour lesquelles les scientifiques sont si désireux d'obtenir le zéro absolu est la tentative de comprendre ce qui se passe et est arrivé à notre Univers, quelles lois thermodynamiques s'y appliquent. Dans le même temps, les chercheurs comprennent qu'il est pratiquement impossible d'extraire jusqu'au bout toute l'énergie d'un atome.

Tout corps physique, y compris tous les objets de l'Univers, a une température minimale ou sa limite. Le point de départ de toute échelle de température est considéré comme la valeur du zéro absolu de température. Mais ce n'est qu'en théorie. Le mouvement chaotique des atomes et des molécules, qui cèdent alors leur énergie, n'a pas encore été stoppé dans la pratique.

C’est la principale raison pour laquelle le zéro absolu ne peut pas être atteint. Il y a encore des débats sur les conséquences de ce processus. Du point de vue de la thermodynamique, cette limite est inaccessible, puisque le mouvement thermique des atomes et des molécules s'arrête complètement et qu'un réseau cristallin se forme.

Les représentants de la physique quantique envisagent la présence d’oscillations nulles minimales à des températures nulles absolues.

Quelle est la valeur du zéro absolu de température et pourquoi elle ne peut pas être atteinte

Lors de la Conférence générale des poids et mesures, une référence ou un point de référence a été établi pour la première fois pour les instruments de mesure qui déterminent les indicateurs de température.

Actuellement, dans le Système International d'Unités, le point de référence de l'échelle Celsius est 0°C pour la congélation et 100°C pour l'ébullition, la valeur du zéro absolu des températures est égale à −273,15°C.

Utiliser les valeurs de température sur l'échelle Kelvin selon le même Système international unités de mesure, l'eau bouillante se produira à une valeur de référence de 99,975°C, le zéro absolu est égal à 0. Fahrenheit sur l'échelle correspond à -459,67 degrés.

Mais si ces données sont obtenues, pourquoi alors est-il impossible d’atteindre le zéro absolu dans la pratique ? À titre de comparaison, nous pouvons prendre la vitesse bien connue de la lumière, qui est égale à la valeur physique constante de 1 079 252 848,8 km/h.

Cependant, cette valeur ne peut pas être atteinte en pratique. Cela dépend de la longueur d’onde de transmission, des conditions et de l’absorption requise d’une grande quantité d’énergie par les particules. Pour obtenir la valeur du zéro absolu, il faut une grande production d'énergie et l'absence de ses sources pour l'empêcher de pénétrer dans les atomes et les molécules.

Mais même dans des conditions de vide complet, les scientifiques n’ont pu obtenir ni la vitesse de la lumière ni le zéro absolu.

Pourquoi est-il possible d’atteindre des températures approximativement nulles, mais pas le zéro absolu ?

Ce qui se passera lorsque la science sera sur le point d’atteindre la température extrêmement basse du zéro absolu ne relève que de la théorie de la thermodynamique et de la physique quantique. Quelle est la raison pour laquelle le zéro absolu ne peut pas être atteint dans la pratique ?

Toutes les tentatives connues pour refroidir une substance jusqu'à la limite la plus basse en raison d'une perte d'énergie maximale ont conduit au fait que la capacité thermique de la substance a également atteint une valeur minimale. Les molécules n’étaient tout simplement plus capables de restituer l’énergie restante. En conséquence, le processus de refroidissement s’est arrêté sans atteindre le zéro absolu.

En étudiant le comportement des métaux dans des conditions proches du zéro absolu, les scientifiques ont découvert qu'une diminution maximale de la température devrait provoquer une perte de résistance.

Mais l'arrêt du mouvement des atomes et des molécules n'a conduit qu'à la formation d'un réseau cristallin, à travers lequel les électrons qui passaient transféraient une partie de leur énergie aux atomes stationnaires. Là encore, il n’a pas été possible d’atteindre le zéro absolu.

En 2003, la température n’était qu’à un demi-milliardième de 1°C du zéro absolu. Les chercheurs de la NASA ont utilisé une molécule de Na pour mener des expériences, qui se trouvait toujours dans un champ magnétique et abandonnait son énergie.

La réalisation la plus proche a été réalisée par des scientifiques de l'Université de Yale, qui ont atteint en 2014 un chiffre de 0,0025 Kelvin. Le composé résultant, le monofluorure de strontium (SrF), n'a duré que 2,5 secondes. Et à la fin, il s’est quand même désintégré en atomes.

La température limite à laquelle le volume d'un gaz parfait devient égal à zéro est considérée comme la température zéro absolue. Cependant, le volume de gaz réels à température zéro absolue ne peut pas disparaître. Cette limite de température a-t-elle alors un sens ?

La température limite, dont l'existence découle de la loi de Gay-Lussac, a du sens, puisqu'il est pratiquement possible de rapprocher les propriétés d'un gaz réel des propriétés d'un gaz idéal. Pour ce faire, il faut prélever un gaz de plus en plus raréfié, pour que sa densité tende vers zéro. En effet, à mesure que la température diminue, le volume d'un tel gaz va tendre vers la limite, proche de zéro.

Trouvons la valeur du zéro absolu sur l'échelle Celsius. Volume équivalent VV formule (3.6.4) zéro et en tenant compte du fait que

La température du zéro absolu est donc

* Valeur du zéro absolu plus précise : -273,15 °C.

Il s’agit de la température extrême, la plus basse de la nature, du « plus grand ou dernier degré de froid », dont Lomonossov avait prédit l’existence.

Échelle Kelvin

Kelvin William (Thomson W.) (1824-1907) - un physicien anglais exceptionnel, l'un des fondateurs de la thermodynamique et de la théorie cinétique moléculaire des gaz.

Kelvin a introduit l'échelle de température absolue et a donné l'une des formulations de la deuxième loi de la thermodynamique sous la forme de l'impossibilité de convertir complètement la chaleur en travail. Il a calculé la taille des molécules en mesurant l’énergie de surface du liquide. Dans le cadre de la pose du câble télégraphique transatlantique, Kelvin a développé la théorie des oscillations électromagnétiques et a dérivé une formule pour la période d'oscillations libres dans un circuit. Pour ses réalisations scientifiques, W. Thomson a reçu le titre de Lord Kelvin.

Le scientifique anglais W. Kelvin a introduit l'échelle de température absolue. La température zéro sur l'échelle Kelvin correspond au zéro absolu, et l'unité de température sur cette échelle est égale à un degré sur l'échelle Celsius, donc température absolue T est lié à la température sur l'échelle Celsius par la formule

(3.7.6)

La figure 3.11 montre l'échelle absolue et l'échelle Celsius à des fins de comparaison.

L'unité SI de température absolue est appelée le kelvin (en abrégé K). Par conséquent, un degré sur l’échelle Celsius équivaut à un degré sur l’échelle Kelvin : 1 °C = 1 K.

Ainsi, la température absolue, selon la définition donnée par la formule (3.7.6), est une grandeur dérivée qui dépend de la température Celsius et de la valeur de a déterminée expérimentalement. Pourtant, c’est d’une importance fondamentale.

Du point de vue de la théorie de la cinétique moléculaire, la température absolue est liée à l'énergie cinétique moyenne du mouvement chaotique des atomes ou des molécules. À T = O K le mouvement thermique des molécules s'arrête. Ceci sera abordé plus en détail au chapitre 4.

Dépendance du volume à la température absolue

En utilisant l'échelle de Kelvin, la loi de Gay-Lussac (3.6.4) peut être écrite sous une forme plus simple. Parce que

(3.7.7)

Le volume d'un gaz d'une masse donnée à pression constante est directement proportionnel à la température absolue.

Il s'ensuit que le rapport des volumes de gaz de même masse dans divers étatsà la même pression est égal au rapport des températures absolues :

(3.7.8)

Il existe une température minimale possible à laquelle le volume (et la pression) d'un gaz parfait disparaît. C'est la température du zéro absolu :-273 °C. Il est pratique de compter la température à partir du zéro absolu. C’est ainsi que l’échelle de température absolue est construite.