Temperatur unter 0 Kelvin. Absoluter Nullpunkt

> Absoluter Nullpunkt

Erfahren Sie, was es bedeutet absolute Nulltemperatur und der Wert der Entropie. Finden Sie heraus, wie hoch die Temperatur des absoluten Nullpunkts auf der Celsius- und Kelvin-Skala ist.

Absoluter Nullpunkt– Mindesttemperatur. Dies ist der Punkt, an dem die Entropie ihren niedrigsten Wert erreicht.

Lernziel

• Verstehen Sie, warum der absolute Nullpunkt ein natürlicher Indikator für den Nullpunkt ist.

Hauptpunkte

• Der absolute Nullpunkt ist universell, das heißt, bei diesem Indikator befindet sich alle Materie im Grundzustand.
• K hat eine quantenmechanische Nullpunktsenergie. Aber in der Interpretation kann die kinetische Energie Null sein und die thermische Energie verschwindet.
• Maximal niedrige Temperatur unter Laborbedingungen erreichte er 10-12 K. Der minimale natürliche Wert beträgt 1 K (Ausdehnung der Gase im Bumerangnebel).

Bedingungen

• Die Entropie ist ein Maß dafür, wie gleichmäßig Energie in einem System verteilt ist.
• Die Thermodynamik ist ein Wissenschaftszweig, der Wärme und ihren Zusammenhang mit Energie und Arbeit untersucht.

Der absolute Nullpunkt ist die minimale Temperatur, bei der die Entropie ihren niedrigsten Wert erreicht. Das heißt, dies ist der kleinste Indikator, der im System beobachtet werden kann. Dies ist ein universelles Konzept und fungiert als Nullpunkt im System der Temperatureinheiten.

Druck-Temperatur-Diagramm für verschiedene Gase mit konstantem Volumen. Beachten Sie, dass alle Diagramme auf einen Druck von Null bei einer Temperatur extrapoliert werden

Ein System am absoluten Nullpunkt ist immer noch mit quantenmechanischer Nullpunktsenergie ausgestattet. Nach dem Unschärfeprinzip lässt sich die Position von Teilchen nicht mit absoluter Genauigkeit bestimmen. Wird ein Teilchen am absoluten Nullpunkt verschoben, verfügt es immer noch über eine minimale Energiereserve. Aber in der klassischen Thermodynamik kann die kinetische Energie Null sein und die thermische Energie verschwindet.

Der Nullpunkt einer thermodynamischen Skala, beispielsweise Kelvin, entspricht dem absoluten Nullpunkt. Internationale Vereinbarung fanden heraus, dass die Temperatur des absoluten Nullpunkts 0 K auf der Kelvin-Skala und -273,15 °C auf der Celsius-Skala erreicht. Die Substanz zeigt bei minimalen Temperaturen Quanteneffekte wie Supraleitung und Supraflüssigkeit. Die niedrigste Temperatur unter Laborbedingungen betrug 10-12 K und in natürlichen Umgebung– 1K (schnelle Gasexpansion im Bumerangnebel).

Eine schnelle Expansion von Gasen führt zu einer minimalen beobachteten Temperatur

Der absolute Temperaturnullpunkt entspricht 273,15 Grad Celsius unter Null, 459,67 unter Null Fahrenheit. Für die Kelvin-Temperaturskala ist diese Temperatur selbst die Nullmarke.

Die Essenz der absoluten Nulltemperatur

Das Konzept des absoluten Nullpunkts entspringt dem Wesen der Temperatur. Jeder Körper, der etwas verschenkt Außenumgebung während . Gleichzeitig sinkt die Körpertemperatur, d.h. es bleibt weniger Energie übrig. Theoretisch kann dieser Prozess so lange andauern, bis die Energiemenge ein solches Minimum erreicht, dass der Körper sie nicht mehr abgeben kann.
Ein entfernter Vorbote einer solchen Idee findet sich bereits bei M.V. Lomonosov. Der große russische Wissenschaftler erklärte Wärme durch „rotierende“ Bewegung. Folglich ist der maximale Abkühlungsgrad ein vollständiger Stopp dieser Bewegung.

Nach modernen Konzepten ist der absolute Nullpunkt der Temperatur, bei der Moleküle das niedrigste mögliche Energieniveau haben. Mit weniger Energie, d.h. Bei einer niedrigeren Temperatur kann kein physischer Körper existieren.

Theorie und Praxis

Der absolute Temperaturnullpunkt ist ein theoretisches Konzept; es ist im Prinzip unmöglich, ihn in der Praxis zu erreichen, selbst in wissenschaftlichen Labors mit der modernsten Ausrüstung. Doch den Wissenschaftlern gelingt es, die Substanz auf sehr tiefe Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abzukühlen.

Bei solchen Temperaturen erlangen Stoffe erstaunliche Eigenschaften, die sie unter normalen Umständen nicht haben können. Quecksilber, das „lebendiges Silber“ genannt wird, weil es sich in einem nahezu flüssigen Zustand befindet, wird bei dieser Temperatur fest – bis zu dem Punkt, dass es zum Einschlagen von Nägeln verwendet werden kann. Manche Metalle werden spröde, beispielsweise Glas. Gummi wird genauso hart. Wenn Sie bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt mit einem Hammer auf einen Gummigegenstand schlagen, zerbricht dieser wie Glas.

Diese Eigenschaftsänderung hängt auch mit der Natur der Wärme zusammen. Je höher die Temperatur des physischen Körpers ist, desto intensiver und chaotischer bewegen sich die Moleküle. Mit sinkender Temperatur wird die Bewegung weniger intensiv und die Struktur wird geordneter. So wird ein Gas zu einer Flüssigkeit und eine Flüssigkeit zu einem Feststoff. Die ultimative Ordnungsebene ist die Kristallstruktur. Bei extrem niedrigen Temperaturen wird es sogar von Substanzen aufgenommen, die normalerweise amorph bleiben, wie zum Beispiel Gummi.

Auch bei Metallen treten interessante Phänomene auf. Die Atome des Kristallgitters schwingen mit geringerer Amplitude, die Elektronenstreuung nimmt ab und damit der elektrische Widerstand. Das Metall erhält Supraleitung, deren praktische Anwendung sehr verlockend erscheint, wenn auch schwierig zu erreichen ist.

Der absolute Nullpunkt entspricht einer Temperatur von −273,15 °C.

Es wird angenommen, dass der absolute Nullpunkt in der Praxis unerreichbar ist. Seine Existenz und Position auf der Temperaturskala ergibt sich aus der Extrapolation der beobachteten Daten physikalische Phänomene, während eine solche Extrapolation zeigt, dass beim absoluten Nullpunkt die Energie der thermischen Bewegung von Molekülen und Atomen einer Substanz gleich Null sein sollte, d Knoten des Kristallgitters. Tatsächlich bleiben jedoch auch bei der absoluten Nulltemperatur die regelmäßigen Bewegungen der Teilchen, aus denen die Materie besteht, bestehen. Die übrigen Schwingungen, etwa Nullpunktsschwingungen, sind auf die Quanteneigenschaften der Teilchen und das sie umgebende physikalische Vakuum zurückzuführen.

Bisher ist es in physikalischen Laboratorien möglich, Temperaturen zu erreichen, die den absoluten Nullpunkt nur um wenige Millionstel Grad überschreiten; es selbst zu erreichen, ist nach den Gesetzen der Thermodynamik unmöglich.

Anmerkungen

Literatur

• G. Burmin. Angriff auf den absoluten Nullpunkt. - M.: „Kinderliteratur“, 1983.

siehe auch

Wikimedia-Stiftung. 2010.

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ABSOLUTER NULLPUNKT, die Temperatur, bei der alle Komponenten des Systems die geringste Energiemenge haben, die nach den Gesetzen der QUANTENMECHANIK zulässig ist; Null auf der Kelvin-Temperaturskala oder 273,15°C (459,67° Fahrenheit). Bei dieser Temperatur... Wissenschaftliches und technisches Enzyklopädisches Wörterbuch

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Absoluter Nullpunkt (Null). Razg. Vernachlässigt Eine unbedeutende, unbedeutende Person. FSRY, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 V Null. 1. Jarg. Sie sagen Scherzen. Eisen. Über schwere Vergiftung. Juganows, 471; Vakhitov 2003, 22. 2. Zharg. Musik Genau, in voller Übereinstimmung mit... ... Großes Wörterbuch russischer Sprichwörter

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Der Begriff „Temperatur“ tauchte zu einer Zeit auf, als Physiker dachten, dass warme Körper aus mehr einer bestimmten Substanz – Kalorien – bestehen als dieselben Körper, aber aus kalten. Und die Temperatur wurde als ein Wert interpretiert, der der Kalorienmenge im Körper entspricht. Seitdem wird die Temperatur jedes Körpers in Grad gemessen. Tatsächlich handelt es sich jedoch um ein Maß für die kinetische Energie bewegter Moleküle, und auf dieser Grundlage sollte sie gemäß dem Einheitensystem C in Joule gemessen werden.

Das Konzept der „absoluten Nulltemperatur“ stammt aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Demnach ist der Prozess der Wärmeübertragung von einem kalten Körper auf einen heißen Körper unmöglich. Dieses Konzept wurde vom englischen Physiker W. Thomson eingeführt. Für seine Leistungen in der Physik wurden ihm der Adelstitel „Lord“ und der Titel „Baron Kelvin“ verliehen. Im Jahr 1848 schlug W. Thomson (Kelvin) die Verwendung einer Temperaturskala vor, bei der er den absoluten Nullpunkt, der extremer Kälte entspricht, als Ausgangspunkt und Grad Celsius als Divisionswert nahm. Die Kelvin-Einheit ist 1/27316 der Temperatur des Tripelpunkts von Wasser (ca. 0 Grad C), d. h. Temperatur, bei der reines Wasser kommt sofort in drei Formen vor: Eis, flüssiges Wasser und Dampf Temperatur ist die minimal mögliche niedrige Temperatur, bei der die Bewegung von Molekülen aufhört und eine Extraktion aus der Substanz nicht mehr möglich ist Wärmeenergie. Seitdem ist die absolute Temperaturskala nach ihm benannt.

Die Temperatur wird auf verschiedenen Skalen gemessen

Die am häufigsten verwendete Temperaturskala heißt Celsius-Skala. Es basiert auf zwei Punkten: der Temperatur von Wasser von Flüssigkeit zu Dampf und von Wasser zu Eis. A. Celsius schlug 1742 vor, den Abstand zwischen Referenzpunkten in 100 Intervalle zu unterteilen und Wasser als Null anzunehmen, wobei der Gefrierpunkt 100 Grad beträgt. Doch der Schwede K. Linnaeus schlug das Gegenteil vor. Seitdem ist das Wasser bei null Grad Celsius gefroren. Obwohl es genau bei Celsius kochen sollte. Der absolute Nullpunkt Celsius entspricht minus 273,16 Grad Celsius.

Es gibt mehrere weitere Temperaturskalen: Fahrenheit, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. Sie haben unterschiedliche Teilungspreise. Beispielsweise basiert die Reaumur-Skala ebenfalls auf den Referenzpunkten Kochen und Gefrieren von Wasser, hat jedoch 80 Unterteilungen. Die 1724 erschienene Fahrenheit-Skala wird im Alltag nur in einigen Ländern der Welt verwendet, darunter auch in den USA; Das eine ist die Temperatur der Mischung aus Wassereis und Ammoniak und das andere ist die Temperatur des menschlichen Körpers. Die Skala ist in einhundert Unterteilungen unterteilt. Null Celsius entspricht 32. Die Umrechnung von Grad in Fahrenheit kann mit der Formel erfolgen: F = 1,8 °C + 32. Umgekehrte Umrechnung: C = (F – 32)/1,8, wobei: F – Grad Fahrenheit, C – Grad Celsius. Wenn Sie zu faul zum Zählen sind, wenden Sie sich an einen Online-Dienst zur Umrechnung von Celsius in Fahrenheit. Geben Sie in das Feld die Gradzahl Celsius ein, klicken Sie auf „Berechnen“, wählen Sie „Fahrenheit“ und klicken Sie auf „Start“. Das Ergebnis erscheint sofort.

Benannt nach dem englischen (genauer schottischen) Physiker William J. Rankin, einem Zeitgenossen Kelvins und einem der Begründer der technischen Thermodynamik. In seiner Skala gibt es drei wichtige Punkte: Der Anfang ist der absolute Nullpunkt, der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 491,67 Grad Rankine und der Siedepunkt von Wasser liegt bei 671,67 Grad. Die Anzahl der Divisionen zwischen dem Gefrieren von Wasser und seinem Sieden beträgt sowohl für Rankine als auch für Fahrenheit 180.

Die meisten dieser Skalen werden ausschließlich von Physikern verwendet. Und 40 % der heute befragten amerikanischen Schulkinder Abschlussklassen Sie sagten, dass sie nicht wüssten, was der absolute Nullpunkt sei.