Zéro absolu

Le zéro absolu décrit un système théorique que ni n'émet ni absorbe l'énergie. C'est le point auquel les particules ont une énergie minimum, déterminé par des effets mécaniques du quantum , qui s'appelle l'énergie au zéro absolu .

Par accord international, zéro absolu est défini car avec précision 0 K sur l'échelle de Kelvin , qui est une balance (absolue) thermo-dynamique de la température , et - le °C 273.15 sur l'échelle Celsius du . Zéro absolu est également avec précision équivalent à 0 °R sur l'échelle (aussi une balance de Rankine de de température thermo-dynamique), et - le °F 459.67 sur l'échelle de Fahrenheit .

Il n'est pas possible de ne refroidir aucune substance à 0 K, mais les scientifiques ont fait de grands avancements en réalisant les températures près de zéro absolu, où la matière montre les effets de quantum impairs tel que la superconductivité et la superfluidité en 2003, des chercheurs au MIT ont réalisé une baisse record 500 du PK (0.

Histoire

Un du premier pour discuter la possibilité d'un " ; cold" absolu ; sur une telle échelle était le Robert Boyle que dans ses nouvelles expériences 1665 de et froid émouvant d'observations, indiqué le conflit qui est le frigidum de primum de est très bien connu parmi des naturalistes, certains contestant pour la terre, d'autres pour l'eau, d'autres pour l'air, et certains des moderns pour le salpètre , mais semblant tout convenir cela :

Il y a un certain corps ou autre qui sont de son propre suprêmement froid de nature et par participation dont tous autres corps obtiennent cette qualité.

Limite au « degré de froid »

La question s'il y a une limite au degré de possible froid, et, si oui, où le zéro doit être placé, a été attaquée la première fois par le français Guillaume Amontons de physicien en 1702, en liaison avec ses améliorations dans le thermomètre d'air. Dans son instrument les températures ont été indiquées par la taille à laquelle une colonne de mercure a été soutenue par une certaine masse d'air, de volume ou de " ; spring" ; ce qui a naturellement varié avec la chaleur à laquelle il a été exposé. Amontons a donc argué du fait que le zéro de son thermomètre serait cette température à laquelle le ressort d'air dans lui a été réduit à rien. Sur l'échelle qu'il a employé le bouillir-point de l'eau a été marqué à +73 et au melting-point de la glace à 51, de sorte que le zéro de sa balance ait été équivalent à environ - 240 sur l'échelle Celsius.

Cette approximation remarquablement étroite à la valeur moderne - de 273.15  ; le °C pour le zéro du l'air-thermomètre a été encore amélioré dessus par le Johann Heinrich Lambert ( Pyrometrie , 1779), qui a donné la valeur - 270  ; °C et observé que cette température pourrait être considérée comme le froid absolu.

Des valeurs de cette commande pour le zéro absolu, cependant, n'ont pas été universellement acceptées au sujet de cette période. Le Laplace et le Lavoisier , par exemple, en leur traité sur la chaleur (1780), atteinte des valeurs s'étendant de 1500 à 3000 au-dessous du geler-point de l'eau, et pensée qu'en tous cas il doit être au moins 600 ci-dessous, alors que le John Dalton en sa philosophie chimique de donnait dix calculs de cette valeur, et ont finalement adopté - 3000  ; °C en tant que zéro normal de la température.

Travail de seigneur Kelvin

Après que le Joule du J. ait déterminé l'équivalent mécanique de la chaleur, seigneur Kelvin a abordé la question d'un point de vue entièrement différent, et dans 1848 a conçu une balance de la température absolue qui était indépendant des propriétés de n'importe quelle substance particulière et a été basée seulement sur les lois de de la thermodynamique fondamentales . Il a découlé des principes sur lesquels cette balance était à la laquelle son zéro a été placé - 273.15  construit ; °C, presque avec précision au même point que le zéro du l'air-thermomètre.

En réalisant les températures record s'approcher de zéro absolu

Il peut montrer des lois de la thermodynamique que zéro absolu peut jamais ne artificiellement être réalisé, bien qu'il soit possible d'accéder les températures près de lui par l'utilisation du Cryocoolers . C'est le même principe qui s'assure qu'aucune machine peut être 100% efficace.

Aux températures très basses à proximité de zéro absolu, la matière présente beaucoup de propriétés peu communes comprenant la superconductivité , la superfluidité et la condensation de Bose-Einstein de . Afin d'étudier de tels phénomènes , les scientifiques ont travaillé pour obtenir des températures toujours plus basses.

dans le septembre 2003 , le MIT a annoncé une température froide record de 450  ; le PK, ou le 4.5  ; ×  ; 10^-10  ;   ; K dans un condensat de Bose-Einstein des atomes de sodium. Ceci a été exécuté par le Wolfgang Ketterle et collègues au MIT.

en date du février 2003 , la nébuleuse de boomerang de , avec une température - de 272.15 degrés de Celsius ; 1  ; K, est l'endroit le plus froid connu en dehors d'un laboratoire. La nébuleuse est 5000 années-lumière de la terre et est dans le Centaurus de constellation.

en date du novembre 2000 , les températures de spin nucléaire au-dessous de 100  ; le PK ont été rapportés pour une expérience à l'université de technologie de Helsinki de laboratoire basse température de s de '. Cependant, c'était la température d'un degré de liberté particulier - une propriété de quantum appelée le spin nucléaire - pas la température thermo-dynamique moyenne globale pour tous les degrés de liberté possibles.

en 1994, chercheurs à NIST a réalisé alors-enregistrent la température froide du nK (milliardièmes de 700 d'un Kelvin).

Thermodynamique près de zéro absolu

Aux températures s'approcher de 0  ; K, presque tout le mouvement moléculaire cesse et   du S du $\backslash \; Delta$ ; =  ; 0 pour tout processus adiabatique . Les substances pures mettent en boîte (idéalement) les cristaux parfaits de forme comme $du\; T\; \backslash \; to$0. La forme forte du de Planck de loi de de la troisième de la thermodynamique déclare que l'entropie d'un cristal parfait disparaît à zéro absolu. Cependant, si l'état de plus basse énergie est le dégénéré (plus d'un microstate ), ceci ne peut pas être vrai. Le théorème de chaleur original de de Nernst introduit la réclamation plus faible et moins controversée que le changement de d'entropie pour n'importe quel processus isotherme approche zéro comme $du\; T\; \backslash \; to$0

$\backslash \; lim\_\; \{T\; \backslash \; à\; 0\}\; \backslash \; delta\; S\; =\; 0$

ce qui implique que l'entropie d'un cristal parfait approche simplement une valeur constante.

Le le postulat de Nernst de identifie l'isotherme T  de ; =  ; 0 comme coïncident avec le Adiabat S  ; =  ; 0, bien que d'autres isothermes et adiabats soient distincts. Car deux adiabats n'intersectent pas, aucun autre adiabat ne peut intersecter le T  ; =  ; 0 isothermes. En conséquence aucun processus adiabatique lancé à la température différente de zéro ne peut mener à la température zéro. (≈  ; Callen, Pp. 189-190)

Une affirmation encore plus forte est que le il est impossible par n'importe quel procédé de réduire la température d'un système pour mettre dedans un nombre fini d'opérations. (≈  ; Guggenheim, P. 157)

Un cristal parfait est un dans lequel la structure interne du trellis prolonge ininterrompu dans toutes les directions. L'ordre parfait peut être représenté par la symétrie de translation le long de trois (pas habituellement orthogonal) haches . Chaque élément de trellis de la structure est dans son endroit approprié, s'il est un atome simple ou un groupement moléculaire. Pour les substances qui ont deux (ou plus) formes cristallines stables, telles que le diamant et le graphite pour le carbone , il y a un genre de " ; degeneracy" chimique ;. La question demeure si toutes les deux peuvent avoir l'entropie nulle au   du T ; =  ; 0 quoique chacun soit parfaitement commandé.

Les cristaux parfaits ne se produisent dans la pratique jamais ; les imperfections, et même les matériaux amorphes entiers, obtiennent simplement le " ; in" gelé ; à de basses températures, ainsi à transitions à des états plus stables ne pas se produire.

Using le modèle de Debye , la chaleur spécifique et l'entropie d'un cristal pur sont proportionnelles au   ^{du T ; 3}, alors que l'enthalpie et le potentiel chimique sont proportionnels au   ^{du T ; 4}. 111) ces quantités chutent vers leur   du T ; =  ; les valeurs limites 0 et l'approche avec le mettent des pentes à zéro de . Pour le spécifique chauffe au moins, la valeur limite elle-même est certainement zéro, comme confirmé par des expériences à 10  below ; K. Même moins le modèle détaillé d'Einstein montre que cette baisse curieuse dans spécifique chauffe. En fait, tout spécifique chauffe disparaissent à zéro absolu, pas simplement ceux de cristaux. De même pour le coefficient de dilatation thermique . Exposition des relations de Maxwell de que les diverses autres quantités disparaissent également. Ces phénomènes étaient imprévus.

Puisque la relation entre les changements de l'énergie de Gibbs de , l'enthalpie et l'entropie est $de$

\ = de delta G \ delta H - T \ delta S \,

il suit que pendant que le T diminue, le G de Δ et approche du H de Δ (à condition que le S de Δ est lié). Le expérimentalement on le constate que la plupart des réactions chimiques sont le exothermique et de la chaleur de dégagement dans la direction elles s'avèrent aller, vers l'equilbrium . C'est-à-dire, même à la température ambiante le T est assez bas de sorte que le fait qui ( G de Δ) le T, P   de _{; <  ; 0 (habituellement) implique que   du H de Δ ; <  ; 0. (Dans la direction opposée, chaque une telle réaction naturellement absorberait la chaleur.)}

Plus que ces, les pentes s dérivés de la température du G de Δ et du H de Δ convergent et le sont égal à zéro au   du T ; =  ; 0, qui assure que le G de Δ et le H de Δ sont presque le même sur une gamme considérable des températures, justifiant le principe empirique de du approximatif de Thomsen et de Berthelot , qui indique que ce l'état d'équilibre auquel un système procède est celui qui évolue la plus grande quantité de la chaleur , c., un processus réel est le la plupart des un exothermique. 186-187)

Balances de température absolue

Comme mentionné, l'absolu ou la température thermo-dynamique est par convention mesuré dans le Kelvins ( Celsius - degrés de taille), et de plus en plus rarement dans la balance ( Fahrenheit de Rankine de - des degrés de taille). La température absolue est uniquement déterminée jusqu'à une constante multiplicative qui spécifie la taille du " ; degree" ; , ainsi les rapports de deux températures absolues, le T ₁ de du T ₂/, sont les mêmes dans toutes les balances. La définition la plus transparente vient de la distribution classique de Maxwell-Boltzmann de au-dessus des énergies, ou des analogues de quantum : Statistiques de Fermi-Dirac de (les particules du de moitié-nombre entier tournent ) et statistiques (particules de Bose-Einstein de de rotation de nombre entier), qui donnent les nombres relatifs de particules en tant que (diminuant) fonctions exponentielles d'énergie au-dessus du kT . À un niveau macroscopique du , une définition peut être donnée en termes d'efficacités de " ; reversible" ; Opération des moteurs thermiques entre des réservoirs thermiques plus chauds et plus froids.

Les températures négatives

voient également :

négatif de la température

Certains systèmes semi-d'isolement (par exemple un système des rotations de non-interaction dans un champ magnétique) peuvent réaliser les températures négatives ; cependant, ils ne sont pas réellement plus froids que zéro absolu. Ils peuvent être cependant considérés comme le " ; hotter que T = ∞" ; , car l'énergie découlera d'un système négatif de la température dans n'importe quel autre système avec la température positive lors du contact.

Voir également

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.

Random links:

Chesapeake, la Virginie Occidentale | Université de Leeds | L'énumérateur de sable | Cyclone CH-148 | Marquer C. MacKinnon | Cero_absoluto

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