Absolute Nulldefinition. Absolute Nulltemperatur
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 Es kommt sofort in drei Formen vor: Eis, flüssiges Wasser und Dampf. Temperatur ist die tiefstmögliche Temperatur, bei der die Bewegung von Molekülen aufhört und es nicht mehr möglich ist, einem Stoff Wärmeenergie zu entziehen. 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 des Phasenübergangs 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. Absoluter 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 menschlicher Körper. 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 Grad Celsius ein, klicken Sie auf „Berechnen“, wählen Sie „Fahrenheit“ und klicken Sie auf „Start“. Das Ergebnis erscheint sofort.
Benannt nach dem englischen (genauer gesagt schottischen) Physiker William J. Rankin, ehemaliger Zeitgenosse Kelvin und einer 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 High-School-Schüler gaben an, dass sie nicht wissen, was der absolute Nullpunkt 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.
Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was „Absoluter Nullpunkt“ ist:
ABSOLUT NULL, die Temperatur, die alle Komponenten des Systems haben geringste Menge nach den Gesetzen der Quantenmechanik zulässige Energie; Null auf der Kelvin-Temperaturskala oder 273,15°C (459,67° Fahrenheit). Bei dieser Temperatur... Wissenschaftliches und technisches Enzyklopädisches Wörterbuch
Die Temperatur ist die minimal mögliche Temperaturgrenze physischer Körper. Der absolute Nullpunkt dient als Ausgangspunkt für eine absolute Temperaturskala, beispielsweise die Kelvin-Skala. Auf der Celsius-Skala entspricht der absolute Nullpunkt einer Temperatur von −273 ... Wikipedia
ABSOLUTE NULL-TEMPERATUR- der Beginn der thermodynamischen Temperaturskala; liegt bei 273,16 K (Kelvin) unter (siehe) Wasser, d.h. entspricht 273,16°C (Celsius). Der absolute Nullpunkt ist die niedrigste Temperatur in der Natur und praktisch unerreichbar ... Große Polytechnische Enzyklopädie
Dies ist die minimale Temperaturgrenze, die ein physischer Körper haben kann. Der absolute Nullpunkt dient als Ausgangspunkt für eine absolute Temperaturskala, beispielsweise die Kelvin-Skala. Auf der Celsius-Skala entspricht der absolute Nullpunkt einer Temperatur von −273,15 °C.... ... Wikipedia
Die absolute Nulltemperatur ist die minimale Temperaturgrenze, die ein physischer Körper haben kann. Der absolute Nullpunkt dient als Ausgangspunkt für eine absolute Temperaturskala, beispielsweise die Kelvin-Skala. Auf der Celsius-Skala entspricht der absolute Nullpunkt... ... Wikipedia
Razg. Vernachlässigt Eine unbedeutende, unbedeutende Person. FSRY, 288; BTS, 24; ZS 1996, 33 ...
null- Absoluter Nullpunkt … Wörterbuch der russischen Redewendungen
Null und Null-Substantiv, m., verwendet. vergleichen oft Morphologie: (nein) was? Null und Null, warum? Null und Null, (siehe) was? Null und Null, was? Null und Null, was ist mit? ungefähr Null, Null; pl. Was? Nullen und Nullen, (nein) was? Nullen und Nullen, warum? Nullen und Nullen, (ich verstehe)… … Wörterbuch Dmitrieva
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 Russische Sprüche
absolut- absolute Absurdität, absolute Autorität, absolute Makellosigkeit, absolute Unordnung, absolute Fiktion, absolute Immunität, absoluter Führer, absolutes Minimum, absoluter Monarch, absolute Moral, absoluter Nullpunkt… … Wörterbuch der russischen Redewendungen
Bücher
- Absoluter Nullpunkt, absoluter Pavel. Das Leben aller Schöpfungen des verrückten Wissenschaftlers der Nes-Rasse ist sehr kurz. Aber das nächste Experiment hat eine Chance. Was erwartet ihn noch?...
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. Lomonossow. 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 die 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 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. Einige Metalle werden spröde, beispielsweise Glas. Gummi wird genauso hart. Wenn man bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt mit einem Hammer auf einen Gummigegenstand schlägt, 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. Das begrenzende Maß an Ordnung ist 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 wird supraleitend, praktischer Nutzen Das scheint sehr verlockend, wenn auch schwer zu erreichen.
Quellen:
- Livanova A. Niedrige Temperaturen, absoluter Nullpunkt und Quantenmechanik
Körper– Dies ist einer der Grundbegriffe der Physik, der die Existenzform von Materie oder Substanz meint. Hierbei handelt es sich um einen materiellen Gegenstand, der durch Volumen und Masse, manchmal auch durch andere Parameter, charakterisiert wird. Der physische Körper ist durch eine Grenze klar von anderen Körpern getrennt. Es gibt mehrere spezielle Arten physischer Körper, deren Auflistung nicht als Klassifizierung zu verstehen ist.
In der Mechanik wird ein physischer Körper meist als materieller Punkt verstanden. Dies ist eine Art Abstraktion, deren Haupteigenschaft darin besteht, dass die realen Abmessungen des Körpers zur Lösung eines bestimmten Problems vernachlässigt werden können. Mit anderen Worten, ein materieller Punkt ist ein ganz bestimmter Körper, der Abmessungen, Form und andere ähnliche Eigenschaften aufweist, die jedoch für die Lösung des bestehenden Problems nicht wichtig sind. Wenn Sie beispielsweise ein Objekt auf einem bestimmten Wegabschnitt zählen müssen, können Sie dessen Länge bei der Lösung des Problems völlig ignorieren. Eine andere Art von physischem Körper, die von der Mechanik betrachtet wird, ist ein absolut starrer Körper. Die Mechanik eines solchen Körpers ist genau die gleiche wie die eines materiellen Punktes, verfügt aber zusätzlich über andere Eigenschaften. Ein absolut starrer Körper besteht aus Punkten, aber weder der Abstand zwischen ihnen noch die Massenverteilung ändern sich unter den Belastungen, denen der Körper ausgesetzt ist. Dadurch kann es nicht verformt werden. Um die Position eines absolut starren Körpers zu bestimmen, reicht es aus, ein ihm zugeordnetes Koordinatensystem, meist kartesisch, anzugeben. In den meisten Fällen ist der Massenschwerpunkt auch der Mittelpunkt des Koordinatensystems. Es gibt keinen absolut starren Körper, aber zur Lösung vieler Probleme ist eine solche Abstraktion sehr praktisch, obwohl sie in der relativistischen Mechanik nicht berücksichtigt wird, da dieses Modell bei Bewegungen, deren Geschwindigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar ist, innere Widersprüche aufweist. Das Gegenteil eines absolut starren Körpers ist ein deformierbarer Körper, der relativ zueinander verschoben werden kann. In anderen Bereichen der Physik gibt es spezielle Arten physischer Körper. In der Thermodynamik wurde beispielsweise das Konzept eines absolut schwarzen Körpers eingeführt. Das ideales Modell, ein physischer Körper, der absolut alle elektromagnetische Strahlung absorbiert, die auf ihn trifft. Gleichzeitig kann es selbst elektromagnetische Strahlung erzeugen und jede beliebige Farbe haben. Ein Beispiel für ein Objekt, dessen Eigenschaften einem absolut schwarzen Körper am nächsten kommen, ist die Sonne. Wenn wir Substanzen betrachten, die außerhalb der Erde verbreitet sind, können wir uns an Ruß erinnern, der 99 % der auf ihn einfallenden Strahlung absorbiert, mit Ausnahme von Infrarotstrahlung, bei der die Absorption viel schlechter zu bewältigen ist.
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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 beobachteter physikalischer Phänomene, und eine solche Extrapolation zeigt, dass beim absoluten Nullpunkt die Energie der thermischen Bewegung von Molekülen und Atomen einer Substanz gleich Null sein sollte, d. h. die Energie der chaotischen Bewegung von Teilchen stoppt, und sie bilden eine geordnete Struktur, die eine klare Position in den Knoten des Kristallgitters einnimmt. 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.
Synonyme:Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was „Absoluter Nullpunkt“ ist:
Temperaturen, der Ursprung der Temperatur auf der thermodynamischen Temperaturskala (siehe THERMODYNAMISCHE TEMPERATURSkala). Der absolute Nullpunkt liegt 273,16 °C unter der Temperatur des Tripelpunkts (siehe TRIPLE POINT) von Wasser, für die angenommen wird ... ... Enzyklopädisches Wörterbuch
Temperaturen, der Ursprung der Temperatur auf der thermodynamischen Temperaturskala. Der absolute Nullpunkt liegt 273,16 °C unter der Tripelpunkttemperatur von Wasser (0,01 °C). Der absolute Nullpunkt ist grundsätzlich unerreichbar, die Temperaturen sind fast erreicht... ... Moderne Enzyklopädie
Temperaturen sind der Ausgangspunkt für die Temperatur auf der thermodynamischen Temperaturskala. Der absolute Nullpunkt liegt bei 273,16 °C unter der Temperatur des Tripelpunkts von Wasser, für die der Wert 0,01 °C beträgt. Der absolute Nullpunkt ist grundsätzlich unerreichbar (siehe... ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch
Die Temperatur, die die Abwesenheit von Wärme ausdrückt, beträgt 218° C. Wörterbuch der Fremdwörter in der russischen Sprache. Pavlenkov F., 1907. Absoluter Nullpunkt (physikalisch) – die niedrigstmögliche Temperatur (273,15°C). Großes Wörterbuch... ... Wörterbuch der Fremdwörter der russischen Sprache
Absoluter Nullpunkt- Die extrem niedrige Temperatur, bei der die thermische Bewegung von Molekülen aufhört; auf der Kelvin-Skala entspricht der absolute Nullpunkt (0°K) –273,16±0,01°C... Wörterbuch der Geographie
Substantiv, Anzahl Synonyme: 15 Runde Null (8) kleiner Mann(32) kleine Fische... Synonymwörterbuch
Die extrem niedrige Temperatur, bei der die thermische Bewegung von Molekülen stoppt. Der Druck und das Volumen eines idealen Gases werden nach dem Boyle-Mariotte-Gesetz gleich Null, und der Beginn der absoluten Temperatur auf der Kelvin-Skala wird angenommen als... ... Ökologisches Wörterbuch
Absoluter Nullpunkt- - [A. S. Goldberg. Englisch-Russisches Energiewörterbuch. 2006] Energiethemen im Allgemeinen EN Nullpunkt ... Leitfaden für technische Übersetzer
Der Beginn der absoluten Temperaturreferenz. Entspricht 273,16° C. Derzeit ist es in physikalischen Laboratorien möglich, eine Temperatur zu erreichen, die nur wenige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt, und zwar nach den Gesetzen... ... Colliers Enzyklopädie
Absoluter Nullpunkt- absoluter Nullstatus T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. Bei 273,16 °C, 459,69 °F bei 0 K Temperatur. atitikmenys: engl.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
Absoluter Nullpunkt- absoluter Nullstatus T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273,16 °C). atitikmenys: engl. absoluter Null-Rus. Absoluter Nullpunkt... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Wenn der Wetterbericht Temperaturen nahe dem Nullpunkt vorhersagt, sollte man nicht auf die Eisbahn gehen: Das Eis schmilzt. Die Schmelztemperatur von Eis wird mit null Grad Celsius angenommen, der gebräuchlichsten Temperaturskala.
Wir sind mit der negativen Grad-Celsius-Skala – Grad – bestens vertraut<ниже
нуля>, Kältegrade. Die niedrigste Temperatur auf der Erde wurde in der Antarktis gemessen: -88,3°C. Außerhalb der Erde sind noch niedrigere Temperaturen möglich: Auf der Mondoberfläche kann es um Mitternacht des Mondes -160°C erreichen.
Aber beliebig niedrige Temperaturen kann es nirgends geben. Die extrem niedrige Temperatur – der absolute Nullpunkt – entspricht – 273,16° auf der Celsius-Skala.
Absolut entsteht vom absoluten Nullpunkt Temperaturskala, Kelvin-Skala. Eis schmilzt bei 273,16° Kelvin und Wasser kocht bei 373,16° K. Somit ist Grad K gleich Grad C. Auf der Kelvin-Skala sind jedoch alle Temperaturen positiv.
Warum ist 0°K die Kältegrenze?
Wärme ist die chaotische Bewegung von Atomen und Molekülen einer Substanz. Wenn ein Stoff abgekühlt wird, wird ihm Wärmeenergie entzogen und die zufällige Bewegung der Partikel wird abgeschwächt. Schließlich, mit starker Abkühlung, thermisch<пляска>Partikel fast vollständig stoppt. Atome und Moleküle würden bei einer Temperatur, die als absoluter Nullpunkt angenommen wird, vollständig gefrieren. Nach den Prinzipien der Quantenmechanik würde am absoluten Nullpunkt die thermische Bewegung der Teilchen aufhören, die Teilchen selbst würden jedoch nicht einfrieren, da sie nicht vollständig ruhen können. Daher müssen die Teilchen am absoluten Nullpunkt noch eine gewisse Bewegung beibehalten, die als Nullbewegung bezeichnet wird.
Eine Substanz auf eine Temperatur unterhalb des absoluten Nullpunkts abzukühlen, ist jedoch eine ebenso bedeutungslose Idee wie beispielsweise die Absicht<идти медленнее, чем стоять на месте>.
Darüber hinaus ist selbst das Erreichen des exakten absoluten Nullpunkts nahezu unmöglich. Man kann ihm nur näherkommen. Denn man kann einem Stoff keineswegs die gesamte Wärmeenergie entziehen. Ein Teil der Wärmeenergie verbleibt bei der tiefsten Abkühlung.
Wie erreicht man ultratiefe Temperaturen?
Das Einfrieren einer Substanz ist schwieriger als das Erhitzen. Dies lässt sich bereits aus einem Vergleich des Designs eines Herdes und eines Kühlschranks erkennen.
In den meisten Haushalts- und Industriekühlschränken wird die Wärme durch die Verdunstung einer speziellen Flüssigkeit – Freon – abgeführt, die durch Metallrohre zirkuliert. Das Geheimnis besteht darin, dass Freon nur bei ausreichend niedrigen Temperaturen in flüssigem Zustand bleiben kann. Im Kühlraum erhitzt es sich aufgrund der Kammerwärme, kocht und verwandelt sich in Dampf. Der Dampf wird jedoch vom Kompressor komprimiert, verflüssigt und gelangt in den Verdampfer, wodurch der Verlust an verdampftem Freon ausgeglichen wird. Für den Betrieb des Kompressors wird Energie verbraucht.
Bei Tiefkühlgeräten ist der Kälteträger eine ultrakalte Flüssigkeit – flüssiges Helium. Es ist farblos, leicht (8-mal leichter als Wasser) und siedet unter atmosphärischem Druck bei 4,2 °K und im Vakuum bei 0,7 °K. Eine noch niedrigere Temperatur ergibt sich durch das leichte Heliumisotop: 0,3°K.
Der Aufbau eines permanenten Helium-Kühlschranks ist ziemlich schwierig. Die Forschung erfolgt einfach in Bädern mit flüssigem Helium. Und um dieses Gas zu verflüssigen, nutzen Physiker verschiedene Techniken. Beispielsweise wird vorgekühltes und komprimiertes Helium entspannt und durch ein dünnes Loch in eine Vakuumkammer abgegeben. Gleichzeitig sinkt die Temperatur weiter und ein Teil des Gases wird flüssig. Es ist effizienter, das gekühlte Gas nicht nur auszudehnen, sondern es auch dazu zu zwingen, Arbeit zu verrichten – den Kolben zu bewegen.
Das dabei entstehende flüssige Helium wird in speziellen Thermoskannen – Dewar-Gefäßen – aufbewahrt. Der Preis dieser sehr kalten Flüssigkeit (die einzige, die nicht am absoluten Nullpunkt gefriert) erweist sich als recht hoch. Dennoch wird flüssiges Helium heutzutage nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in verschiedenen technischen Geräten immer häufiger eingesetzt.
Die niedrigsten Temperaturen wurden auf andere Weise erreicht. Es stellt sich heraus, dass die Moleküle einiger Salze, beispielsweise Kalium-Chrom-Alaun, entlang magnetischer Kraftlinien rotieren können. Dieses Salz wird mit flüssigem Helium auf 1°K vorgekühlt und in ein starkes Magnetfeld gebracht. Dabei rotieren die Moleküle entlang der Kraftlinien und die freigesetzte Wärme wird durch flüssiges Helium abgeführt. Dann wird das Magnetfeld schlagartig entfernt, die Moleküle drehen sich wieder in verschiedene Richtungen und die Energie wird verbraucht
Diese Arbeit führt zu einer weiteren Abkühlung des Salzes. So haben wir eine Temperatur von 0,001° K erhalten. Mit einer im Prinzip ähnlichen Methode und unter Verwendung anderer Stoffe können wir eine noch niedrigere Temperatur erreichen.
Niedrigste Temperatur, bisher auf der Erde gemessen, beträgt 0,00001° K.
Eine Substanz, die in Bädern aus flüssigem Helium auf extrem niedrige Temperaturen gefroren ist, verändert sich merklich. Gummi wird spröde, Blei wird hart wie Stahl und elastisch, viele Legierungen erhöhen die Festigkeit.
Flüssiges Helium selbst verhält sich eigenartig. Bei Temperaturen unter 2,2° K erhält es eine für gewöhnliche Flüssigkeiten beispiellose Eigenschaft – die Supraflüssigkeit: Ein Teil davon verliert vollständig seine Viskosität und fließt ohne Reibung durch die engsten Risse.
Dieses Phänomen wurde 1937 entdeckt. Sowjetischer Physiker Akademiker P. JI. Kapitsa, wurde dann von Akademiker JI erklärt. D. Landau.
Es stellt sich heraus, dass bei extrem niedrigen Temperaturen die Quantengesetze des Verhaltens der Materie eine spürbare Wirkung entfalten. Eines dieser Gesetze verlangt, dass Energie von Körper zu Körper nur in genau definierten Portionen – Quanten – übertragen werden kann. Es gibt so wenige Wärmequanten im flüssigen Helium, dass nicht genug davon für alle Atome vorhanden sind. Der Teil der Flüssigkeit, der keine Wärmequanten enthält, bleibt wie bei der absoluten Nulltemperatur; seine Atome nehmen überhaupt nicht an zufälligen thermischen Bewegungen teil und interagieren in keiner Weise mit den Wänden des Gefäßes. Dieser Teil (er wurde Helium-H genannt) ist suprafluid. Wenn die Temperatur sinkt, kommt Helium-P immer häufiger vor, und beim absoluten Nullpunkt würde sich alles Helium in Helium-H verwandeln.
Mittlerweile ist die Superfluidität eingehend erforscht und hat sogar eine nützliche praktische Anwendung gefunden: Mit ihrer Hilfe ist es möglich, Heliumisotope zu trennen.
In der Nähe des absoluten Nullpunkts treten äußerst interessante Veränderungen in den elektrischen Eigenschaften einiger Materialien auf.
Im Jahr 1911 machte der niederländische Physiker Kamerlingh Onnes eine unerwartete Entdeckung: Es stellte sich heraus, dass bei einer Temperatur von 4,12 °K der elektrische Widerstand in Quecksilber vollständig verschwindet. Quecksilber wird zum Supraleiter. Der in einem supraleitenden Ring induzierte elektrische Strom erlischt nicht und kann nahezu ewig fließen.
Über einem solchen Ring schwebt eine supraleitende Kugel in der Luft und fällt nicht, wie im Märchen<гроб Магомета>, weil seine Schwerkraft durch die magnetische Abstoßung zwischen Ring und Kugel ausgeglichen wird. Denn ein kontinuierlicher Strom im Ring erzeugt ein Magnetfeld, das wiederum einen elektrischen Strom in der Kugel und damit ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld induziert.
Neben Quecksilber weisen auch Zinn, Blei, Zink und Aluminium eine Supraleitung nahe dem absoluten Nullpunkt auf. Diese Eigenschaft wurde in 23 Elementen und mehr als hundert verschiedenen Legierungen und anderen chemischen Verbindungen gefunden.
Die Temperaturen, bei denen Supraleitung auftritt (kritische Temperaturen), decken einen ziemlich weiten Bereich ab – von 0,35° K (Hafnium) bis 18° K (Niob-Zinn-Legierung).
Das Phänomen der Supraleitung, wie Super-
Die Fließfähigkeit wurde eingehend untersucht. Die Abhängigkeiten kritischer Temperaturen von der inneren und äußeren Struktur von Materialien Magnetfeld. Es wurde eine tiefgreifende Theorie der Supraleitung entwickelt (einen wichtigen Beitrag leistete der sowjetische Wissenschaftler Akademiker N. N. Bogolyubov).
Die Essenz dieses paradoxen Phänomens ist wiederum rein quantenmechanisch. Bei extrem niedrigen Temperaturen strömen Elektronen hinein
Supraleiter bilden ein System paarweise gebundener Teilchen, die keine Energie abgeben können Kristallgitter, verbrauchen Sie Energiequanten, um es zu erhitzen. Elektronenpaare bewegen sich sozusagen<танцуя>, zwischen<прутьями решетки>- Ionen und umgehen sie ohne Kollisionen und Energieübertragung.
Supraleitung wird zunehmend in der Technik eingesetzt.
In der Praxis werden beispielsweise supraleitende Magnetspulen verwendet – Spulen aus Supraleitern, die in flüssiges Helium getaucht sind. Ein einmal induzierter Strom und damit ein Magnetfeld kann in ihnen beliebig lange gespeichert werden. Es kann eine gigantische Größe erreichen – über 100.000 Oersted. In Zukunft werden zweifellos leistungsstarke industrielle supraleitende Geräte auftauchen – Elektromotoren, Elektromagnete usw.
In der Funkelektronik beginnen hochempfindliche Verstärker und Generatoren eine bedeutende Rolle zu spielen. Elektromagnetische Wellen, die besonders gut in Bädern mit flüssigem Helium funktionieren – dort das interne<шумы>Ausrüstung. In der elektronischen Computertechnologie wird supraleitenden Schaltern mit geringem Stromverbrauch – Kryotrons – eine glänzende Zukunft versprochen (siehe Art.<Пути электроники>).
Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, wie verlockend es wäre, für die Aktion zu werben ähnliche Geräte in den Bereich höherer, besser zugänglicher Temperaturen. IN In letzter Zeit Es entsteht die Hoffnung, Polymerfilm-Supraleiter herzustellen. Die besondere Natur der elektrischen Leitfähigkeit in solchen Materialien verspricht eine hervorragende Möglichkeit, die Supraleitung auch bei niedrigen Temperaturen aufrechtzuerhalten Raumtemperaturen. Wissenschaftler suchen ständig nach Wegen, diese Hoffnung zu verwirklichen.
Und nun werfen wir einen Blick in das Reich des heißesten Dings der Welt – in die Tiefen der Sterne. Wo die Temperaturen Millionen Grad erreichen.
Die zufällige thermische Bewegung in Sternen ist so intensiv, dass ganze Atome dort nicht existieren können: Sie werden bei unzähligen Kollisionen zerstört.
Ein so heißer Stoff kann daher weder fest, noch flüssig, noch gasförmig sein. Es befindet sich im Zustand eines Plasmas, also einer Mischung aus elektrisch geladenen Stoffen<осколков>Atome – Atomkerne und Elektronen.
Plasma ist ein einzigartiger Materiezustand. Da seine Teilchen elektrisch geladen sind, reagieren sie empfindlich auf elektrische und magnetische Kräfte. Daher ist die unmittelbare Nähe zweier Atomkerne (sie tragen eine positive Ladung) ein seltenes Phänomen. Nur wenn hohe Dichten und enorme Temperaturen prallen aufeinander Atomkerne in der Lage, näher zu kommen. Dann finden thermonukleare Reaktionen statt – die Energiequelle für Sterne.
Der uns am nächsten gelegene Stern, die Sonne, besteht hauptsächlich aus Wasserstoffplasma, das im Inneren des Sterns auf 10 Millionen Grad erhitzt wird. Unter solchen Bedingungen kommt es zwar selten, aber zu engen Begegnungen schneller Wasserstoffkerne – Protonen. Manchmal interagieren Protonen, die sich nahe kommen: Nachdem sie die elektrische Abstoßung überwunden haben, geraten sie schnell in die Macht gigantischer nuklearer Anziehungskräfte<падают>übereinander legen und verschmelzen. Hier kommt es zu einer augenblicklichen Umstrukturierung: Anstelle von zwei Protonen erscheinen ein Deuteron (der Kern eines schweren Wasserstoffisotops), ein Positron und ein Neutrino. Die freigesetzte Energie beträgt 0,46 Millionen Elektronenvolt (MeV).
Jedes einzelne Sonnenproton kann im Durchschnitt alle 14 Milliarden Jahre einmal eine solche Reaktion eingehen. Aber im Innern des Lichts sind so viele Protonen, dass hier und da dieses unwahrscheinliche Ereignis eintritt – und unser Stern mit seiner gleichmäßigen, blendenden Flamme brennt.
Die Synthese von Deuteronen ist nur der erste Schritt solarer thermonuklearer Transformationen. Das neugeborene Deuteron verbindet sich sehr bald (durchschnittlich nach 5,7 Sekunden) mit einem anderen Proton. Es erscheinen ein leichter Heliumkern und ein Gammastrahl elektromagnetische Strahlung. Es werden 5,48 MeV Energie freigesetzt.
Schließlich können im Durchschnitt alle eine Million Jahre zwei leichte Heliumkerne konvergieren und sich verbinden. Dann entsteht ein Kern aus gewöhnlichem Helium (Alphateilchen) und es werden zwei Protonen abgespalten. Es werden 12,85 MeV Energie freigesetzt.
Diese dreistufige<конвейер>thermonukleare Reaktionen sind nicht die einzigen. Es gibt eine weitere Kette nuklearer Transformationen, schnellere. Daran sind die Atomkerne Kohlenstoff und Stickstoff beteiligt (ohne verbraucht zu werden). Aber in beiden Varianten werden Alphateilchen aus Wasserstoffkernen synthetisiert. Im übertragenen Sinne das Wasserstoffplasma der Sonne<сгорает>, sich in etwas verwandeln<золу>- Heliumplasma. Und bei der Synthese jedes Gramms Heliumplasma werden 175.000 kWh Energie freigesetzt. Große Menge!
Jede Sekunde strahlt die Sonne 4.1033 Erg Energie aus und verliert dabei 4.1012 g (4 Millionen Tonnen) Materie an Gewicht. Aber die Gesamtmasse der Sonne beträgt 2.1027 Tonnen. Das bedeutet, dass die Sonne in einer Million Jahren dank der Strahlung<худеет>nur ein Zehnmillionstel seiner Masse. Diese Zahlen verdeutlichen eindrucksvoll die Wirksamkeit thermonuklearer Reaktionen und den gigantischen Heizwert der Sonnenenergie.<горючего>- Wasserstoff.
Die Kernfusion ist offenbar die Hauptenergiequelle aller Sterne. Bei unterschiedlichen Temperaturen und Dichten im Inneren von Sternen treten unterschiedliche Arten von Reaktionen auf. Insbesondere Solar<зола>-Heliumkerne – bei 100 Millionen Grad wird es selbst thermonuklear<горючим>. Dann können aus Alphateilchen noch schwerere Atomkerne – Kohlenstoff und sogar Sauerstoff – synthetisiert werden.
Nach Ansicht vieler Wissenschaftler ist auch unsere gesamte Metagalaxie als Ganzes das Ergebnis der Kernfusion, die bei einer Temperatur von einer Milliarde Grad stattfand (siehe Art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).
Auf dem Weg zur künstlichen Sonne
Außergewöhnlicher Heizwert von thermonuklearem<горючего>veranlasste Wissenschaftler, eine künstliche Umsetzung von Kernfusionsreaktionen zu erreichen.
<Горючего>- Auf unserem Planeten gibt es viele Wasserstoffisotope. Beispielsweise lässt sich aus dem Metall Lithium in Kernreaktoren der superschwere Wasserstoff Tritium herstellen. Und schwerer Wasserstoff – Deuterium ist Teil von schwerem Wasser, das aus gewöhnlichem Wasser gewonnen werden kann.
Schwerer Wasserstoff, der aus zwei Gläsern normalem Wasser gewonnen wird, würde in einem thermonuklearen Reaktor so viel Energie erzeugen, wie heute durch die Verbrennung eines Fasses Superbenzin erzeugt wird.
Die Schwierigkeit liegt im Vorheizen<горючее>auf Temperaturen, bei denen es sich mit starkem thermonuklearem Feuer entzünden kann.
Dieses Problem wurde erstmals in der Wasserstoffbombe gelöst. Dort werden Wasserstoffisotope durch Explosion entzündet Atombombe, was mit einer Erwärmung der Substanz auf viele zehn Millionen Grad einhergeht. In einer der Versionen der Wasserstoffbombe ist der thermonukleare Brennstoff eine chemische Verbindung von schwerem Wasserstoff mit leichtem Lithium – leichtem Lithiumdeuterid. Dieses weiße Pulver, ähnlich dem Speisesalz,<воспламеняясь>aus<спички>, eine Atombombe, explodiert sofort und erzeugt eine Temperatur von Hunderten Millionen Grad.
Um eine friedliche thermonukleare Reaktion einzuleiten, muss man zunächst lernen, kleine Dosen eines ausreichend dichten Plasmas aus Wasserstoffisotopen ohne die Dienste einer Atombombe auf Temperaturen von Hunderten von Millionen Grad zu erhitzen. Dieses Problem ist eines der schwierigsten in der modernen angewandten Physik. Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten seit vielen Jahren daran.
Wir haben bereits gesagt, dass es die chaotische Bewegung von Teilchen ist, die die Erwärmung von Körpern erzeugt, und dass die durchschnittliche Energie ihrer zufälligen Bewegung der Temperatur entspricht. Einen kalten Körper zu erwärmen bedeutet, auf irgendeine Weise diese Störung hervorzurufen.
Stellen Sie sich zwei Läufergruppen vor, die aufeinander zustürmen. So stießen sie zusammen, gerieten durcheinander, es kam zu einem Gedränge und Verwirrung. Großes Durcheinander!
Ähnlich versuchten Physiker zunächst, hohe Temperaturen zu erreichen – durch kollidierende Gasstrahlen hoher Druck. Das Gas erhitzte sich auf bis zu 10.000 Grad. Das war einst ein Rekord: Die Temperatur war höher als auf der Sonnenoberfläche.
Eine weitere, eher langsame, nicht-explosive Erwärmung des Gases ist bei dieser Methode jedoch nicht möglich, da sich die thermische Störung schlagartig in alle Richtungen ausbreitet und die Wände der Experimentierkammer und die Umgebung erwärmt. Die entstehende Wärme verlässt das System schnell und kann nicht isoliert werden.
Wenn Gasstrahlen durch Plasmaströme ersetzt werden, bleibt das Problem der Wärmedämmung sehr schwierig, es besteht aber auch Hoffnung auf eine Lösung.
Zwar kann Plasma selbst durch Gefäße aus feuerfestem Material nicht vor Wärmeverlust geschützt werden. Bei Kontakt mit festen Wänden kühlt heißes Plasma sofort ab. Sie können jedoch versuchen, das Plasma zu halten und zu erhitzen, indem Sie es im Vakuum ansammeln, sodass es die Wände der Kammer nicht berührt, sondern im Hohlraum hängt und nichts berührt. Dabei sollten wir uns die Tatsache zunutze machen, dass Plasmateilchen nicht wie Gasatome neutral, sondern elektrisch geladen sind. Daher sind sie bei Bewegung magnetischen Kräften ausgesetzt. Es stellt sich die Aufgabe, ein Magnetfeld einer speziellen Konfiguration zu erzeugen, in dem heißes Plasma wie in einem Beutel mit unsichtbaren Wänden hängen würde.
Die einfachste Form Diese Art von Energie entsteht automatisch, wenn starke Impulse durch das Plasma geleitet werden elektrischer Strom. In diesem Fall werden magnetische Kräfte um das Plasmakabel herum induziert, die dazu neigen, das Kabel zu komprimieren. Das Plasma löst sich von den Wänden der Entladungsröhre und an der Achse der Schnur steigt die Temperatur beim Zerquetschen der Partikel auf 2 Millionen Grad.
In unserem Land wurden solche Experimente bereits 1950 unter der Leitung der Akademiker JI durchgeführt. A. Artsimovich und M. A. Leontovich.
Eine weitere Versuchsrichtung ist die Verwendung einer Magnetflasche, die 1952 vom sowjetischen Physiker G. I. Budker, heute Akademiker, vorgeschlagen wurde. Die Magnetflasche wird in eine Korkkammer gestellt – eine zylindrische Vakuumkammer, die mit einer Außenwicklung ausgestattet ist, die an den Enden der Kammer verdichtet ist. Der durch die Wicklung fließende Strom erzeugt in der Kammer ein Magnetfeld. Seine Feldlinien verlaufen im Mittelteil parallel zu den Erzeugenden des Zylinders, an den Enden werden sie komprimiert und bilden Magnetpfropfen. In eine Magnetflasche injizierte Plasmapartikel kräuseln sich um die Feldlinien und werden von den Stopfen reflektiert. Dadurch bleibt das Plasma einige Zeit in der Flasche erhalten. Wenn die Energie der in die Flasche eingebrachten Plasmateilchen hoch genug ist und es genügend davon gibt, treten sie in komplexe Kraftwechselwirkungen ein, ihre zunächst geordnete Bewegung gerät durcheinander, gerät in Unordnung – die Temperatur der Wasserstoffkerne steigt auf mehrere zehn Millionen Grad Grad.
Die zusätzliche Erwärmung erfolgt elektromagnetisch<ударами>durch Plasma, Kompression des Magnetfeldes usw. Nun wird das Plasma schwerer Wasserstoffkerne auf Hunderte Millionen Grad erhitzt. Dies kann zwar entweder für kurze Zeit oder bei geringer Plasmadichte erfolgen.
Um eine selbsterhaltende Reaktion einzuleiten, müssen Temperatur und Dichte des Plasmas weiter erhöht werden. Dies ist schwer zu erreichen. Allerdings ist das Problem, davon sind Wissenschaftler überzeugt, zweifellos lösbar.
G.B. Anfilow
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