Zero absolut
Zero absolut este temperatura teoretică minimă posibilă a oricărui sistem termodinamic . Valoarea sa este extrapolată din ecuația stării gazelor ideale și în unitățile de măsură ale sistemului internațional cu care corespunde 0 K , echivalent cu -273,15 ° C.
Se poate arăta pe baza legilor fizicii că este o temperatură limită inaccesibilă, chiar dacă este posibil să se obțină experimental valori foarte apropiate. La temperatura zero absolut, moleculele și atomii unui sistem ar fi în starea fundamentală, adică ar avea cea mai mică energie cinetică permisă de legile fizicii. Această energie, deși este foarte mică, este întotdeauna mai mare decât zero și corespunde cu energia punctului zero prevăzută de mecanica cuantică pentru toate sistemele care au un potențial învecinat. Această stare corespunde cu cea a entropiei minime a unui sistem.
Descriere
Zero absolut nu poate fi atins pe baza a trei legi fizice:
- Teorema lui Nernst , numită și a treia lege a termodinamicii , afirmă că este nevoie de o cantitate infinită de energie pentru a răci un corp până la zero absolut. Realizarea zero absolut este contrară creșterii entropiei în sisteme izolate: principiul creșterii entropiei în sine nu interzice accesul zero absolut în sistemele deschise. Cu toate acestea, entropia, măsurată în jouli / kelvin, ar da naștere unei forme nedeterminate de tip 0/0, anulând căldura sau energia (jouli) și stabilind temperatura absolută la zero.
- Principiul incertitudinii lui Heisenberg : energia E și timpul t, sau, de asemenea, impulsul P și poziția Q sunt variabile conjugate canonic. Dacă un sistem a atins zero absolut, am putea spune cu certitudine care este temperatura sa absolută T, adică 0. Dar dacă știm T, atunci știm și E, adică energia asociată cu acesta, egală cu 0. În mod similar, se cunoaște poziția corpului care este încă la zero absolut; dându-i un impuls din exterior, ambele variabile ar fi cunoscute. Cunoscând E fără incertitudini am avea t infinit nedeterminat și, cunoscând P fără incertitudini, am avea Q infinit nedeterminat.
- Energia punct zero : cel mai mic nivel de energie atins de un atom este nivelul de energie punct zero, care, deși infinitesimal, nu este niciodată zero. Sistemul va avea întotdeauna o anumită energie cinetică, o anumită căldură și, prin urmare, o temperatură chiar peste zero absolut. Energia punctului zero este de fapt legată de principiul incertitudinii lui Heisenberg.
Mai mult, conform decăderii exponențiale , procedând la înjumătățirea constantă, nu va ajunge niciodată la zero. Atunci considerați că diferențele dintre temperaturi când sunt aproape de zero absolut nu pot fi evaluate în același mod ca diferențele dintre temperaturile „ambiante”: dacă între 100 și 100,1 există doar o miime dintr-o diferență, între 0,1 K și 0,2 K există aceeași diferență ca între 100 și 200, adică dublu și nu pur și simplu 0,1; acest lucru atât în termeni fizici, cât și în energia și munca necesare pentru schimbare.
În cazul atomilor liberi la temperaturi apropiate de zero absolut, cea mai mare parte a energiei este sub formă de mișcare de translație și temperatura poate fi măsurată în funcție de viteza acelei mișcări, cu viteze mai mici care corespund unor temperaturi mai mici. La zero absolut (pur teoretic), electronii se opresc din mișcare (atât ca orbită, cât și ca rotire) și aderă la nucleu; atomii aderă unul la altul, nemaifiind vreo forță magnetică care să îi separe; spațiul este aproape anulat. Datorită efectelor mecanicii cuantice, viteza la zero absolut nu este exact zero, dar depinde, la fel ca și energia , de mărimea spațiului în care este limitat atomul.
La temperaturi foarte scăzute, aproape de zero absolut, materia prezintă multe proprietăți neobișnuite, cum ar fi superconductivitatea , superfluiditatea și condensarea Bose-Einstein . Pentru a studia aceste fenomene, oamenii de știință au dezvoltat metode pentru obținerea temperaturilor tot mai scăzute. Începând cu 2005 , cea mai scăzută temperatură atinsă vreodată a fost 450 pK , realizat de Wolfgang Ketterle și colegii de la Massachusetts Institute of Technology .
Nebuloasa Boomerang a fost descoperită recent ca fiind cel mai rece loc cunoscut, în afara laboratoarelor, cu o temperatură de numai −272 ° C (1,15 K). Nebuloasa se află la 5.000 de ani lumină de Pământ (în constelația Centaurus ).
A treia lege a termodinamicii
Imposibilitatea atingerii zero absolut este o consecință a celei de-a doua legi a termodinamicii, care este exprimată în mod normal ca proprietatea entropiei unui sistem închis pe care nu o poate diminua niciodată. La zero absolut, starea tulburării moleculare (măsurată de entropia sistemului) ar atinge valoarea sa minimă, definită doar de degenerarea stării fundamentale. Acest fapt este exprimat prin ceea ce în literatura științifică este cunoscut sub numele de a treia lege a termodinamicii sau teorema lui Nernst .
Pentru a înțelege ce este zero absolut, trebuie avut în vedere faptul că temperatura este într-un fel o măsură a energiei interne a unui corp, înțeleasă ca suma energiei cinetice și potențiale. A ajunge la zero absolut ar însemna, prin urmare, cumva, reducerea la zero a energiei cinetice de rotație și de rotație a moleculelor care alcătuiesc corpul. În acest moment moleculele care îl compun se opresc complet și temperatura este cât mai scăzută posibil: această temperatură se numește zero absolut.
Zero absolut există doar ca punct limită asimptotic, deoarece această temperatură nu poate fi atinsă, nici teoretic, nici practic. La zero absolut, de exemplu, particulele ar fi complet nemișcate și poziția și viteza lor ar fi bine determinate, ceea ce este imposibil pentru principiul incertitudinii lui Heisenberg de mecanică cuantică. Studiile din anii 1950 au dat, de asemenea, o nouă explicație a imposibilității de a atinge zero absolut. Modelul clasic al moleculelor le descrie ca un sistem de oscilatoare armonice care le face să semene cu un arc infinit de mic, care vibrează continuu. Pentru această reprezentare, moleculele sunt descrise cu legea lui Hooke (F forță de revenire elastică ; k constantă elastică ; x alungire ). Acest model este depășit cu propunerea modelului cuantic, unde se afirmă că energia vibrației este cuantificată și își asumă valori care pot fi determinate cu formula Evibr. = (N + ½) hν (n număr cuantic vibrațional care presupune valori cuprinse între 0 și ∞; h constantă și frecvența de vibrație a lui Planck )
În starea de vibrație fundamentală (cea pe care molecula ar trebui să o asume la valoarea absolută 0) E este egal cu ½, prin urmare, se deduce că molecula este întotdeauna și, în orice caz, în vibrații și nu este stabilă.
Aplicații și proprietăți ale corpurilor la temperaturi scăzute
Oamenii de știință prin utilizarea mașinilor termice speciale au reușit să aducă un corp la doar o milionime de ° C de la zero absolut. La temperaturi foarte scăzute, efectele cuantice devin relevante macroscopic. De exemplu, unii conductori la temperaturi foarte scăzute suferă o tranziție de fază cuantică într-o stare în care încetează să mai aibă rezistență electrică . Aceste materiale se numesc supraconductori și ar face posibilă eliminarea pierderilor din liniile electrice.
În mod similar, unele fluide la temperaturi de câteva grade peste zero absolut își pierd complet vâscozitatea și devin superfluide .
Proprietățile vibraționale ale unor corpuri la temperaturi atât de scăzute iau particularități curioase, care diferă de undele normale. De fapt, se realizează un comportament discret tipic al particulelor cuantice și, prin urmare, este introdus conceptul cuanticului vibrațional, numit fonon .
Temperatura negativă
Valorile negative ale temperaturii sunt definite ca valori ale temperaturii termodinamice negative care, potrivit unor autori, ar descrie sisteme cu caracteristici particulare, luând în considerare definiția temperaturii care o leagă în mod specific de entropie și energie.
În astfel de sisteme, numărul componentelor cu energie mai mare prevalează asupra celor cu energie minimă ( inversarea populației ) creând o condiție în care creșterea energiei determină o reducere a entropiei și la care se asociază o temperatură termodinamică negativă conform definiției temperaturii. menționat anterior. Din aceasta rezultă că o temperatură negativă pe scara Kelvin ar exprima paradoxal o căldură mai mare decât o temperatură pozitivă. În 2013, un grup de cercetători de la Universitatea Ludwig Maximilian din München și Institutul Max Planck de Fizică a Plasmei din Garching bei München au adus un nor de atomi de potasiu (aproximativ 100.000) la o temperatură de câțiva nano kelvini sub zero absolut, începând de la starea condensului Bose-Einstein . [1] [2]
Notă
- ^ Peste zero absolut, o temperatură negativă "fierbinte" , pe lescienze.it . Adus pe 12 februarie 2015 .
- ^ S.Braun și colab.: Temperatura absolută negativă pentru gradele de libertate mișcare. Știința 265, 52 (2013)
Bibliografie
- ( EN ) JM Smith, HCVan Ness; MM Abbot, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics , ediția a 6-a, McGraw-Hill, 2000, ISBN 0-07-240296-2 .
- KG Denbigh, Principiile echilibrului chimic , Milano, Casa Editrice Ambrosiana, 1971, ISBN 88-408-0099-9 .
- (EN) Robert Perry , Don W. Green, Perry's Chemical Engineers 'Handbook , ediția a VIII-a, McGraw-Hill, 2007, ISBN 0-07-142294-3 .
- Arieh Ben-Naim, Entropy Demystified , World Scientific, 2007, ISBN 981-270-055-2 .
- JS Dugdale, Entropy and its Physical Meaning , Ediția a II-a, Taylor și Francis (Marea Britanie); CRC (SUA), 1996, ISBN 0-7484-0569-0 .
- Enrico Fermi , Termodinamică , ed. Italian Bollati Boringhieri, (1972), ISBN 88-339-5182-0 ;
- Enrico Fermi , Termodinamică , Prentice Hall, 1937, ISBN 0-486-60361-X .
- Herbert Kroemer, Charles Kittel, Physical Thermal , Ediția a II-a, WH Freeman Company, 1980, ISBN 0-7167-1088-9 .
- Roger Penrose , The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe , 2005, ISBN 0-679-45443-8 .
- F. Reif, Fundamentele fizicii statistice și termice , McGraw-Hill, 1965, ISBN 0-07-051800-9 .
- Goldstein, Martin; Inge, F,Frigiderul și Universul , Harvard University Press, 1993, ISBN 0-674-75325-9 .
- vonBaeyer; Hans Christian, Demonul lui Maxwell: De ce se dispersează căldura și trece timpul , Random House, 1998, ISBN 0-679-43342-2 .
Elemente conexe
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe zero absolut
linkuri externe
- ( EN ) Absolute zero , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
| Controlul autorității | GND ( DE ) 4141119-5 |
|---|
