Absolutní nula

Absolutní nula bod určuje dolní mezní hodnoty pro teplotu , to znamená nejnižší možnou teplotu, která může být dosaženo pouze teoreticky a nemůže klesnout níže. Tento absolutní nulový bod definuje původ stupnice absolutní teploty a je definován jako 0  Kelvinů , což se rovná −273,15  stupně Celsia .

Existenci a hodnotu absolutního nulového bodu lze extrapolovat nebo ověřit na věrohodnost v různých kontextech . Gay -Lussacův první zákon popisuje vztah mezi teplotou a objemem plynu - při absolutní nule by byl tento objem plynu nulový. Pokud přivedete tepelnou energii , která souvisí s neuspořádaným pohybem částic v makroskopické hmotě, na nejnižší možnou hodnotu, kde, jasně řečeno, pohyb částic již nelze omezit, dosáhli jste také absolutní nuly.

Podle Nernstovy věty nebo ekvivalentu třetího zákona termodynamiky nelze dosáhnout absolutního nulového bodu; skutečných teplot však lze dosáhnout v blízkosti absolutní nuly bez omezení. S laserovým chlazením by vzorky mohly být ochlazeny na několik miliardtin Kelvina.

Kelvinova stupnice je poměrová stupnice, další teplotní stupnice se týkají libovolně nastaveného nulového bodu, například Celsiova stupnice, jejíž nulový bod byl původně bodem tuhnutí vody.

příběh

Guillaume Amontons v roce 1699 zjistil, že objem určitého množství plynu se mění lineárně s jeho teplotou. Protože objem plynu by neměl být záporný, dospěl k závěru, že musí existovat absolutní nulový bod, ve kterém by objem množství plynu byl nulový. Extrapolací svých naměřených hodnot odhadl polohu tohoto nulového bodu a dospěl k hodnotě minus 248 stupňů Celsia. Na tuto metodu je však třeba pohlížet velmi kriticky, protože zákon redukce objemu platí pouze pro ideální plyny , nikoli však pro látky, které mění svůj fyzikální stav, např. Se stávají kapalnými.

William Thomson, 1. baron Kelvin , objevil v roce 1848, že pro tuto otázku není rozhodující snížení objemu, ale ztráta energie. Nezáleží na tom, zda se jedná o plynnou nebo pevnou látku. Thomson poté navrhl definovat novou, absolutní teplotní stupnici, jíž je změna objemu úměrná. Tato nová teplotní stupnice již nemá záporné hodnoty, začíná na nule (to odpovídá minus 273,15 stupně Celsia, viz vlastnosti stupnice Kelvina) a zvyšuje se tak, že teplotní rozdíl jednoho Kelvina odpovídá teplotnímu rozdílu o jeden stupeň Celsia. Téže velikosti kroku bylo dosaženo stanovením, že Kelvin je 273,16. Část termodynamické teploty trojného bodu vody - to je 0,01 ° C. Jednotka pro tuto teplotní stupnici byla původně nazývána stupněm A (A pro absolutní), později K (K pro Kelviny ). Kelvin je od roku 1967, podle definice, není více doplněn o stupně (°).

vlastnosti

Fyzikální systémy s teplotami blízkými absolutní nule vykazují některá zvláštní chování, jako je superfluidita a Bose-Einsteinova kondenzace . Těchto teplotních rozsahů fyziky nízkých teplot lze dosáhnout pouze speciálními metodami.

Při normálním tlaku jsou všechny prvky při nule pevné, s výjimkou hélia , které je tam v kapalné nebo supratekuté fázi.

Nernstova věta činí termodynamická tvrzení o nulovém bodě ve spojení s entropií . Dokonalé krystaly dosahují konstantní hodnoty pro entropii v nulovém bodě , protože entropie je definována podle statistické definice jako logaritmus počtu možných mikrostátů vynásobený Boltzmannovou konstantou a existuje pouze jedna možná realizace pozorovaného makrostátu . V (amorfních) brýlích existuje několik stejných energetických realizací stavu s , takže entropie je odlišná od nuly. ${\ displaystyle S}$${\ Displaystyle S = k _ {\ rm {B}} \ ln 1 = 0}$ ${\ displaystyle k _ {\ rm {B}}}$${\ displaystyle T = 0 \, {\ rm {K}}}$

Hodnoty pod absolutní nulou

Termodynamické systémy s neomezeným fázovým prostorem nemohou dosáhnout záporných teplot. Pokud však někdo popisuje stav inverze populace , což není stav v termodynamické rovnováze , objeví se ve výpočtu, který popisuje rozdělení pravděpodobnosti, negativní absolutní teploty. Takové negativní teploty pak odpovídají energetičtějším (tj. Určitým způsobem teplejším) stavům.

Takové záporné hodnoty experimentálně získali mnichovští vědci pro atomový plyn. Podařilo se jim klesnout pod absolutní nulu o miliardtinu K. Aby se dosáhlo inverze Boltzmannovy distribuce , byly atomům konkrétního plynu dána horní hranice jejich energie.

literatura

• Tom Shachtman : Mrazivé teploty. Při hledání absolutní nuly (= rororo 6118 rororo Science. Literatura faktu ). Rowohlt-Taschenbuch-Verlag, Reinbek u Hamburku 2001, ISBN 3-499-61118-X .
• Kurt Mendelssohn : Hledání absolutní nuly. Kindler, Mnichov 1966.

webové odkazy

Wikislovník: absolutní nula  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

Individuální důkazy

1. ↑ David Lindley: Stupně Kelvina: Příběh génia, vynález a tragédie . National Academie Press, 2004, s. 99 ( omezený náhled ve vyhledávání knih Google). 
2. ↑ Braun S. a kol.: Negativní absolutní teplota pro pohybové stupně svobody. In: Věda. 4. ledna 2013, přístup 24. února 2021 .