CC BY
9
УДК 53
Абдусамиев А. А. студент 2 курса Кучкаров А.М. студент 2 курса Сорокин А.А. студент 2 курса Кузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачева филиал в г. Прокопьевске Россия, г. Прокопьевск ВБЛИЗИ АБСОЛЮТНОГО НУЛЯ
Аннотация: ^атья посвещена о физичесиких явлениях, которые наблюдаются вблизи абсолютного нуля. Это явление называется температура. Из данной статьи читатель узнает все о возникновении температуры Вселенной. Температура играет важную роль в повседневной жизни, в познании природы, исследовании новых явлений.
Ключевые слова: температура, жидкость, воздух, давление, шкала.
Abdusamiev A.A. student, 2 year, branch of the Kuzbass State Technical University. T.F. Gorbachev in the city of Prokopyevsk
Russia, Prokopyevsk Kuchkarov A.M. student, 2 year, branch of the Kuzbass State Technical University. T.F. Gorbachev in the city of Prokopyevsk
Russia, Prokopyevsk Sorokin A.A.
student, 2 year, branch of the Kuzbass State Technical University. T.F. Gorbachev in the city of Prokopyevsk
Russia, Prokopyevsk
NEAR ABSOLUTE ZERO
Annotation: The article is devoted to physical phenomena that are observed near absolute zero. This phenomenon is called temperature. From this article, the reader will learn all about the occurrence of the temperature of the universe. Temperature plays an important role in everyday life, in the knowledge of nature, the study of new phenomena.
Keywords: temperature, liquid, air, pressure, scale.
Привычное, знакомое с детства каждому понятие температуры далеко не так просто, и едва ли можно найти другое физическое понятие, определение которого так резко расходилось бы с житейским пониманием этого слова. Определение температуры как степени нагретости тела кажется нам простым и понятным, потому что связано с физиологическим ощущением
тепла. Однако понятия «тёплый», «холодный», «горячий» весьма относительны.
Температура 0 0 C воспринимается нами в разное время года по -разному: в январе - как «тепло» (оттепель), а в августе - как «холодно» (заморозок). Измерение температуры связано с установлением теплового равновесия. Если происходит соприкосновение тел, имеющих разную температуру, то происходит передача энергии от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой до момента, когда температуры тел станут равными. Для установления температурного равновесия требуется некоторое время. Когда измеряют температуру тела человека, то держат термометр под мышкой 7 - 10 минут.
Изобретение первого термометра обычно приписывается Галилею. При повышении температуры воздух, находящийся в шарике термометра, расширялся и заставлял воду в трубке опускаться на несколько делений вниз. Подобный термометр легко изготовить самим. Вместо шарика можно взять небольшой пузырёк от пенициллина с резиновой крышкой, через которую пропущена стеклянная трубочка. Свободный конец трубочки надо опустить в стакан с подкрашенной водой. При лёгком нагревании пузырька рукой из трубочки выйдет немного воздуха, а при охлаждении пузырька в трубочку поднимется подкрашенная вода. Чтобы прибор мог называться термометром, надо позади пузырька прикрепить шкалу.
Вам, конечно, понятно, насколько несовершенен был первый термометр. На его показания влияло не только изменение температуры, но и атмосферное давление. Кроме того, термометр Галилея не имел нулевого деления и градусы были совершенно произвольные, поэтому показания различных термометров были разные. С первой попыткой ввести нуль в термометрическую шкалу мы встречаемся в термометре бургомистра города Магдебурга Отто Герике. Этот термометр состоял из медного шара с U-образной трубкой, в которую был налит спирт. На поверхности спирта в открытом колене плавал поплавок, а от него шла нитка, перекинутая через блок. На конце нитки была подвешена фигурка ангела, держащего в руках палочку, которой он показывал деление шкалы, нарисованной на стене дома. Шар был выкрашен в голубой цвет, на нём нарисованы звёзды и выведена гордая надпись «Perpetuum mobile». За нуль Герике выбрал температуру того осеннего дня 1600 года, когда был первый заморозок в городе Магдебурге. Термометр Герике имел тот же недостаток, что и термометр Галилея -его показания зависели от атмосферного давления. В термометре Реомюра один градус означал расширение спирта на 0,001 первоначального объёма. За нуль он принял температуру тающего льда. При таком масштабе точка кипения воды соответствовала температуре 80 градусов.
Фаренгейт, желая избежать отрицательных значений температур, принял за нуль градусов наиболее низкую, искусственно достигнутую в то время температуру смеси снега, соли и нашатыря.
Термометр Цельсия первоначально имел такую шкалу: точка кипения воды был принята за нуль, а точка замерзания воды - за 100 градусов. Лишь в 1742 году была введена современная шкала этого термометра.
Из стопятидесятилетней истории создания термометра ясно, что нуль шкалы, т.е. исходная точка для отсчёта температуры. Выбрана произвольно, кроме того, на показания термометра большое влияние оказывает выбор вещества, которым заполнена трубочка (спирт, гелий. Ртуть, водород. азот).между тем точное определение температуры не должно зависеть от выбора вещества, заполняющего термометр. В основу «термодинамической шкалы температур», или шкалы Кельвина, положена формула Карно, которая не содержит величин, зависящих от природы вещества. Для определения одной из температур, Т1 или Т2, нужно произвольно выбрать какое-либо значение другой. Определение температуры сводится, таким образом, к определению КПД машины Карно, работающей в данных температурных пределах, И к выбору начальной температуры. Во введённой в СССР с 1 января 1963 года Международной системе единиц (СИ) за единицу измерения температуры принимается градус Кельвина (К)по термодинамической шкале, в которой для температуры тройной точки воды установлено значение 273,16 К.
Как понять такое определение? Тройной точкой называется температура, при которой все три состояния (лёд, вода и пар)находятся в равновесии. Тройная точка характеризуется давлением пара 4,58 мм РТ. Ст. и температурой 0,00750 С (округлённо 0,010 С). Только при этой температуре лёд, вода и пар могут находиться при одном давлении.
Разность между температурами какого-нибудь состояния в термодинамической и стоградусной шкалах составит
273,160 - 0,010 =273,150.
Таким образом, температура исходной точки термодинамической шкалы (абсолютный нуль)по шкале Цельсия равна: 00 - 273,150 = -273, 150 С.
В школе мы пишем упрощённо: Т= + 273, где Т -абсолютная температура (К), t - температура по шкале Цельсия (0С).
На уроках физики учащиеся подходят к понятию абсолютного нуля, исходя из молекулярно-кинетических представлений и рассмотрения графиков закона Гей-Люссака или Шарля. При нагревании на 10 С объём газа увеличивается на 1/273 часть первоначального объёма при 00 С, если давление остаётся постоянным. Если же газ нагревается в замкнутом сосуде, то давление увеличивается на 1/273 часть давления при 00 С. Очевидно, если охладить газ до -2730 С, то давление уменьшится до нуля. Так как давление газа вызвано ударами беспорядочно движущихся молекул о стенки сосуда. То по мере понижения его температуры до нуля прекращается тепловое поступательное движение молекул. Охладить - значит замедлить движение молекул. Но нельзя замедлить движение молекул после того, как их движение прекратилось. Температура, при которой прекращается тепловое
поступательное движение молекул, называется абсолютным нулём. Мысль о том, что должен существовать такой нижний предел температуры, при котором прекращается тепловое движение молекул, высказывал ещё М.В.Ломоносов.
Заметим, однако, что прекращение поступательного движения молекул не означает полного прекращения движения материи: сохраняется вращательное движение молекул, колебательное движение атомов и ещё более мелких частиц. По современным представлениям, даже при абсолютном нуле у частиц остаётся некоторая энергия, называемая «нулевой энергией».
Первое знакомство с поведением тел при низких температурах началось с тех пор, как Фарадею удалось получить жидкий аммиак, жидкий хлор, углекислый газ. Учёных XIX века поражали свойства сжижаемых газов. При испарении эти сжиженные газы сильно охлаждались, и с их помощью удавалось перевести в жидкое состояние следующий, более стойкий газ. Но некоторые газы, среди них и воздух. Не сжижались ни под каким давлением.
В 1960 году Дмитрий Иванович Менделеев пришёл к мысли, что для всякой жидкости существует предельная температура, выше которой она может быть только паром или газом. Эту температуру он назвал температурой абсолютного кипения. Через несколько лет ирландский физик Эндрьюс ввёл понятие «критическая температура». Чтобы перевести газ в жидкое состояние, его надо охладить до температуры, ниже критической. Наконец, в 1882 году польские физики З. Врублевский и К. Ольшевский получили жидкий воздух. В наши дни жидкий воздух нашёл очень широкое применение на производстве и в лабораторной практике.
В настоящее время физики достигли столь низких температур, что от абсолютного нуля их отделяет 0,000020 С. При температурах, близких к абсолютному нулю, удалось обратить в жидкое. А затем и в твёрдое состояние все известные газы. «Сухой лёд» (твёрдая углекислота), получается при - 73 0 С, жидкий азот - при -195,4 0 С, жидкий гелий - при -268,8 0 С. Гелий -единственный газ, который не может быть обращён в твёрдое состояние, если его не сжать до давления 2,5*106 Па и выше. Именно при исследовании гелия глазам удивлённых физиков открылся мир необычайных явлений, противоречащих нашим обычным представлениям о свойствах вещества.
Прежде всего, опишем явление «сверхтекучести» гелия, открытое в 1938 году советским академиком П.Л. Капицей. Известно, что всякая жидкость обладает вязкостью, вызываемой трением внутренних слоёв друг о друга. Чем сильнее это трение, тем больше вязкость жидкости. При нагревании вязкость жидкости, как правило, уменьшается, жидкость становится более текучей. Это можно наблюдать по вытеканию жидкости из узких отверстий в сосуде. При охлаждении вязкость жидкости увеличивается.
Но жидкий гелий оказался жидкостью, наделённой необыкновенными свойствами. При температуре 2,18 К жидкий гелий внезапно, скачком
совершенно теряет вязкость. В таком состоянии он может свободно протекать через сколь угодно малые капилляры, и для поддержания течения такой жидкости нет необходимости в разности давлений между концами участка струи. Гелий в таком состоянии получил название «сверхтекучего» академики Л.Д. Ландау и Н.Н. Боголюбов объяснили явление сверхтекучести, исходя из представлений квантовой физики. Не вдаваясь в подробности, отметим лишь основное положение теории.
В отличие от обычных жидкостей и газов в движении частиц сверхтекучей жидкости проявляется высокая степень упорядоченности, вызванная тем, что хаотическое движение частиц при приближении к абсолютному нулю прекращается.
Удивительно и наблюдаемое изменение теплопроводности жидкого гелия. Обычно теплопроводность изменяется параллельно изменению вязкости. При нагревании жидкости вязкость уменьшается и одновременно уменьшается теплопроводность. У гелия же при температуре ниже 2,18 K наблюдается противоположное явление: вязкость внезапно, скачком, уменьшается до нуля, а теплопроводность очень сильно увеличивается. Очевидно, энергия в этом случае передаётся конвекционными потоками, которые легко образуются в условиях сверхтекучести.
Не менее удивительным и неожиданным оказалось явление сверхпроводимости, наблюдаемое при температурах, близких к абсолютному нулю. Присущее всем веществам свойство сопротивления электрическому току у некоторых металлов и соединений при сверхнизких температурах пропадает. Электрический ток, проходя через такой проводник, перестаёт нагревать его, а в замкнутом проводнике ток, однажды возбуждённый. Продолжает циркулировать неограниченно долго.
Это явление было открыто в 1914 году голландским физиком Каммерлинг-Оннесом при исследовании проводимости ртути. Теоретическое объяснении явлению сверхпроводимости дал Н.Н. Боголюбов.
Сопротивление электрическому току обусловлено соударением соударением электронов с колеблющимися атомами и ионами металла. При понижении температуры колебания атомов уменьшаются и электроны встречают меньше препятствий на своём пути. При наступлении сверхпроводимости колебания решётки утрачивают беспорядочный характер, вследствие чего упорядочивается движение электронов, чем и объясняется лёгкость прохождения их через решётку.
Возникает вопрос: могут ли низкие температуры иметь практическое значение?
Жидкие газы используются в технике. Например, сжижение воздуха используется для разделения его на составные части: неон, азот. Аргон, кислород и др. Полученные таким образом газы нашли широкое применение. Так кислород в смеси с ацетиленом употребляют для сварки металлов. Большое значение имеет кислородное дутьё для ускорения металлургических процессов.
Аргон, неон и другие инертные газы используют для наполнения электрических ламп накаливания, азот используют в химической промышленности.
Жидкий кислород применяют для взрывных работ, при строительстве каналов и т. д. Жидкий воздух и другие жидкие газы применяются в физических, химических, биологических и других лабораториях для проведения опытов при низких температурах, для улавливания паров воды. Ртути и других веществ в целях создания высокого вакуума. Давление наиболее летучего газа - гелия - при температуре 0,1 К равно около 10 -26 Па. В таком разряжённом состоянии в 1 м 3 газа содержится всего одна молекула. А в межзвёздном пространстве, как полагают, одна молекула приходится на 1 см 3. Таким образом, с помощью низких температур в лабораторной установке достигнуто разряжение, во много раз превосходящее существующее в природе.
Использованные источники:
1. Олейник, Б. Н. Приборы и методы температурных измерений : учеб. пособие для сред. спец. учеб. заведений по спец. "Электротеплотехн. измерения" / [Б. Н. Олейник, С. И. Лаздина, В. П. Лаздин, О. М. Жагулло] .— М. : Изд-во стандартов, 1987 .— 296 с.
2. Вепшек, Я. Измерение низких температур электрическими методами / Я. Вепшек ; Пер. с чеш. М.Я. Аркина .— Москва : Энергия, 1980 .— 224 с.
3. Геращенко О. А., Федоров В. Г., «Тепловые и температурные измерения»: Справочное руководство. Киев: «Наукова думка», 1965.
