Zero absolutne

Punkt zerowy absolutny oznacza dolną wartość graniczną temperatury , tj. najniższą możliwą temperaturę, którą można osiągnąć tylko teoretycznie i nie można jej obniżyć poniżej. To zero absolutne określa początek absolutnej skali temperatury i jest definiowane jako 0  Kelvina , co jest równe -273,15  stopnia Celsjusza .

Istnienie i wartość absolutnego punktu zerowego można ekstrapolować lub sprawdzać pod kątem wiarygodności z różnych kontekstów . Pierwsze prawo Gay-Lussaca opisuje zależność między temperaturą a objętością gazu - przy zerach absolutnych ta objętość gazu byłaby równa zeru. Jeśli sprowadzisz energię cieplną , która odnosi się do nieuporządkowanego ruchu cząstek w materii makroskopowej, do najniższej możliwej wartości, gdzie, rzecz jasna, ruch cząstek nie może być już zmniejszony, również osiągnąłeś zero absolutne.

Zgodnie z twierdzeniem Nernsta lub równoważną mu trzecią zasadą termodynamiki absolutny punkt zerowy nie może zostać osiągnięty; jednak rzeczywiste temperatury mogą być osiągane w pobliżu zera bezwzględnego bez żadnych ograniczeń. Dzięki chłodzeniu laserowemu próbki można schłodzić do kilku miliardowych części Kelwina.

Skala Kelvina jest skalą proporcjonalną Inne skale temperatury odnoszą się do arbitralnie ustawionego punktu zerowego, takiego jak skala Celsjusza , której punkt zerowy był pierwotnie punktem zamarzania wody.

fabuła

W 1699 Guillaume Amontons odkrył, że objętość pewnej ilości gazu zmienia się liniowo wraz z jego temperaturą. Ponieważ jednak objętość gazu nie powinna być ujemna, doszedł do wniosku, że musi istnieć punkt zera absolutnego, w którym objętość gazu będzie równa zeru. Ekstrapolując swoje zmierzone wartości, oszacował położenie tego punktu zerowego i doszedł do wartości minus 248 stopni Celsjusza. Jednak ta metoda musi być postrzegane bardzo krytycznie, ponieważ prawo zmniejszania objętości stosuje się tylko do gazów doskonałych , lecz nie do substancji, które zmieniają swój fizyczny stan, na przykład stan ciekły.

William Thomson, 1. baron Kelvin odkrył w 1848 roku, że to nie zmniejszenie objętości jest decydujące dla tego pytania, ale utrata energii. Nie ma znaczenia, czy jest to substancja gazowa czy stała. Thomson następnie zaproponował zdefiniowanie nowej, bezwzględnej skali temperatury, do której zmiana objętości jest proporcjonalna. Ta nowa skala temperatury nie ma już wartości ujemnych, zaczyna się od zera (odpowiada to minus 273,15 stopnia Celsjusza, patrz właściwości skali Kelvina) i zwiększa się tak, że różnica temperatur jednego Kelvina odpowiada różnicy temperatur jednego stopnia Celsjusza. Ten sam rozmiar kroku został osiągnięty przez ustalenie, że Kelvin jest 273,16 częścią temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody - to jest 0,01 ° C. Jednostka dla tej skali temperatury była początkowo nazywana stopniem A (A dla bezwzględnego), później K (K dla Kelvina ). Kelvin jest z definicji od 1967 roku nie uzupełniony o stopnie (°).

nieruchomości

Układy fizyczne o temperaturze bliskiej zeru bezwzględnego wykazują pewne szczególne zachowania, takie jak nadciekłość i kondensacja Bosego-Einsteina . Te zakresy temperatur fizyki niskich temperatur można osiągnąć tylko za pomocą specjalnych metod.

Przy normalnym ciśnieniu wszystkie pierwiastki są stałe w stanie zerowym, z wyjątkiem helu , który jest tam w fazie ciekłej lub nadciekłej.

Twierdzenie Nernsta czyni twierdzenia termodynamiczne o punkcie zerowym w związku z entropią . Kryształy doskonałe osiągają stałą wartość entropii w punkcie zerowym , ponieważ entropia jest zdefiniowana zgodnie z definicją statystyczną jako logarytm liczby możliwych mikrostanów pomnożonych przez stałą Boltzmanna i istnieje tylko jedna możliwa realizacja obserwowanego makrostanu . W szkłach (amorficznych) istnieje kilka jednakowych realizacji energetycznych stanu z , tak że entropia jest różna od zera. ${\ styl wyświetlania S}$${\ styl wyświetlania S = k _ {\ rm {B}} \ ln 1 = 0}$ ${\ styl wyświetlania k _ {\ rm {B}}}$${\ styl wyświetlania T = 0 \, {\ rm {K}}}$

Wartości poniżej zera bezwzględnego

Układy termodynamiczne z nieograniczoną przestrzenią fazową nie mogą osiągać ujemnych temperatur. Jeśli jednak opisać stan inwersji populacji , który nie jest stanem w równowadze termodynamicznej , w obliczeniach opisujących rozkład prawdopodobieństwa pojawiają się ujemne temperatury bezwzględne. Takie ujemne temperatury odpowiadają wówczas stanom bardziej energetycznym (tj. w pewien sposób gorętszym).

Takie ujemne wartości uzyskali eksperymentalnie naukowcy monachijscy dla gazu atomowego. Udało im się spaść poniżej zera absolutnego o jedną miliardową K. Aby uzyskać odwrócenie rozkładu Boltzmanna , atomom określonego gazu wyznaczono górną granicę ich energii.

literatura

• Tom Shachtman : Mroźne temperatury. W poszukiwaniu zera absolutnego (= rororo 6118 rororo Science. Książka non-fiction ). Rowohlt-Taschenbuch-Verlag, Reinbek koło Hamburga 2001, ISBN 3-499-61118-X .
• Kurt Mendelssohn : Poszukiwanie zera absolutnego. Kindler, Monachium 1966.

linki internetowe

Wikisłownik: zero absolutne  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Indywidualne dowody

1. ↑ David Lindley: Stopnie Kelvin: Opowieść o geniuszu, wynalazku i tragedii . National Academies Press, 2004, s. 99 ( ograniczony podgląd w wyszukiwarce Google Book). 
2. ↑ Braun S. i in.: Ujemna temperatura bezwzględna dla ruchowych stopni swobody. W: Nauka. 4 stycznia 2013, dostęp 24 lutego 2021 .