(Zero kelvin (-273,15 ° C) este definit ca zero absolut.)
Zero absolut este limita inferioară a scării de temperatură termodinamică, o stare în care entalpia și entropia unui gaz ideal răcit ating valoarea minimă, considerată ca 0. Zero absolut este punctul în care particulele fundamentale ale naturii au o mișcare minimă de vibrație, păstrând numai mișcarea particulelor indusă de energie mecanică cuantică, cu punct zero. Temperatura teoretică este determinată prin extrapolarea legii ideale privind gazele; prin acordul internațional, zero absolut este luată ca -273.15° pe scara Celsius (Sistemul Internațional de Unități), care echivalează cu -459.67° pe scara Fahrenheit (unități uzuale în Statele Unite sau unități imperiale). Scalele de temperatură corespunzătoare Kelvin și Rankine își stabilesc, prin definiție, punctele zero la zero absolut.
Se consideră că este cea mai mică temperatură posibilă, dar nu este starea de entalpie cea mai scăzută posibil, deoarece toate substanțele reale încep să se îndepărteze de gazul ideal atunci când se răcesc pe măsură ce se apropie de schimbarea stării la lichid și apoi la solid; iar suma entalpiei de vaporizare (gaz în lichid) și entalpia de fuziune (lichid în solid) depășește schimbarea gazului ideal în entalpie la zero absolut. În descrierea mecanicii cuantice, materia (solidă) la zero absolut este în starea sa de bază, punctul cel mai scăzut al energiei interne.
Legile termodinamicii indică faptul că zero absolut nu poate fi atins doar cu mijloace termodinamice, deoarece temperatura substanței răcite se apropie asimptotic de temperatura agentului de răcire, iar un sistem la zero absolut are încă energie mecanică cuantică de punct zero, energia stării sale de bază la zero absolut. Energia cinetică a stării de bază nu poate fi îndepărtată.
Oamenii de știință și tehnologii realizează în mod obișnuit temperaturi apropiate de zero absolut, unde materia prezintă efecte cuantice cum ar fi superconductivitatea și superfluiditatea.
Termodinamica aproape de zero absolut
La temperaturi apropiate de 0 K (-273,15° C; -459,67° F), aproape toate mișcările moleculare încetează și ΔS = 0 pentru orice proces adiabatic, unde S este entropia. Într-o astfel de circumstanță, substanțele pure pot (în mod ideal) să formeze cristale perfecte când T → 0. Forma puternică a lui Max Planck din a treia lege a termodinamicii afirmă că entropia unui cristal perfect dispare la zero absolut. Teorema căldurii Nernst originală face ca afirmația mai slabă și mai puțin controversată că schimbarea entropiei pentru orice proces izotermic se apropie de zero când T → 0. Implicația este că entropia unui cristal perfect se apropie de o valoare constantă.
”Postulatul Nernst identifică izoterma T = 0 coincizând cu adiabata S = 0, deși alte izoterme și adiabate sunt distincte. Deoarece nu există două adiabate care să se intersecteze, nicio altă adiabată nu poate intersecta izoterma T = 0. Prin urmare, niciun proces adiabatic inițiat la o temperatură diferită de zero nu poate conduce la temperatură zero.” (Herbert B. Callen, Thermodynamics)
Un cristal perfect este unul în care structura de rețea internă se extinde neîntrerupt în toate direcțiile. Ordinea perfectă poate fi reprezentată de simetria translațională de-a lungul a trei axe (de obicei neortogonale). Fiecare element de rețea al structurii este în locul său propriu, indiferent dacă este vorba de un singur atom sau de o grupare moleculară. Pentru substanțele care există în două (sau mai multe) forme cristaline stabile, cum ar fi diamantul și grafitul pentru carbon, există un fel de degenerare chimică. Întrebarea rămâne dacă ambele pot avea entropie zero la T = 0 chiar dacă fiecare este perfect ordonat.
Cristale perfecte nu apar niciodată în practică; imperfecțiunile și chiar incluziunile materialelor amorfe întregi, pot „îngheța” la temperaturi scăzute, astfel încât să nu apară tranziții la stări mai stabile.
Utilizând modelul Debye, căldura specifică și entropia unui cristal pur sunt proporționale cu T3, în timp ce entalpia și potențialul chimic sunt proporționale cu T4. Aceste cantități scad spre valorile lor limită T = 0 și se apropie cu pante către zero. Pentru căldura specifică cel puțin, valoarea limită însăși este cu siguranță zero, după cum rezultă din experimente sub 10 K. Chiar și modelul mai puțin detaliat Einstein arată această scădere curioasă în călduri specifice. De fapt, toate căldurile specifice dispar la zero absolut, nu doar cele ale cristalelor. Ca și coeficientul de expansiune termică. Relațiile lui Maxwell arată că și alte cantități dispar. Aceste fenomene nu au fost anticipate.
Principiul lui Thomsen și Berthelot afirmă că starea de echilibru la care se desfășoară un sistem este cea care dezvoltă cea mai mare cantitate de căldură, adică un proces real care este cel mai exotermic.
Un model care estimează proprietățile unui gaz de electroni la zero absolut în metale este gazul Fermi. Electronii, fiind fermioni, trebuie să fie în stări cuantice diferite, ceea ce face ca electronii să obțină viteze tipice foarte ridicate, chiar și la zero absolut. Energia maximă pe care electronii o poate avea la zero absolut se numește energia Fermi. Temperatura Fermi este definită ca această energie maximă împărțită la constanta lui Boltzmann, și este de ordinul a 80.000 K pentru densitățile electronice tipice găsite în metale. Pentru temperaturi cu mult sub temperatura Fermi, electronii se comportă aproape în același mod ca la zero absolut. Aceasta explică eșecul teoremei clasice de echilibrare a metalelor de la sfârșitul secolului al XIX-lea.
Relația cu condensatul Bose-Einstein
(Date viteză-distribuție pentru un gaz de atomi de rubidiu la o temperatură de câteva miliardimi de grad deasupra lui zero absolut). Stânga: chiar înainte de apariția condensatului Bose-Einstein. Centrul: imediat după apariția condensatului. Dreapta: după evaporarea suplimentară, lăsând o probă de condensat aproape pur.)
Un condensat Bose-Einstein este o stare a materiei unui gaz diluat de bosoni cu interacțiune slabă limitat într-un potențial extern și răcit la temperaturi foarte apropiate de zero absolut. În astfel de condiții, o mare parte din bosoni ocupă cea mai mică stare cuantică a potențialului extern, moment în care efectele cuantice devin aparente la scară macroscopică.
Această stare de materie a fost anticipată pentru prima oară de Satyendra Nath Bose și Albert Einstein în 1924-25. Bose a trimis mai întâi o lucrare lui Einstein cu privire la statisticile cuantice ale cuantei luminoase (acum numită foton). Einstein a fost impresionat, a tradus lucrarea din engleză în germană și a transmis-o pentru Bose la Zeitschrift für Physik, care a publicat-o. Einstein a extins apoi ideile lui Bose la particule de material (sau materie) în alte două lucrări.
Șaptezeci de ani mai târziu, în 1995, primul condensat gazos a fost produs de Eric Cornell și de Carl Wieman de la Universitatea din Colorado în laboratorul din Boulder NIST-JILA, folosind un gaz de atomi de rubidiu răciți la 170 nanokelvini (nK) (1,7×10-7 K).
În 2003, cercetătorii de la MIT au obținut o temperatură record de 450±80 picokelvini (pK) (4,5×10-10 K) într-un condensat Bose-Einstein de atomi de sodiu. Lungimea de undă asociată cu corpul negru (vârf de emisie) de 6.400 de kilometri este aproximativ raza Pământului.
Scări de temperatură absolută
Temperatura absolută sau termodinamică, este măsurată în mod convențional în kelvini (creșteri scalate în grade Celsius) și în scara Rankine (creșteri scalate în Fahrenheit) cu raritatea în creștere. Măsurarea absolută a temperaturii este determinată în mod unic de o constantă multiplicativă care specifică mărimea gradului, astfel încât rapoartele a două temperaturi absolute, T2/T1, sunt aceleași la toate scările. Cea mai transparentă definiție a acestui standard vine din distribuția Maxwell-Boltzmann. De asemenea, el poate fi găsit în statisticile Fermi-Dirac (pentru particule de spin jumătate întregi) și statisticile Bose-Einstein (pentru particule de spin întreg). Toate acestea definesc numerele relative ale particulelor dintr-un sistem ca scăzând cu o funcție exponențială a energiei (la nivelul particulelor) peste kT, cu k reprezentând constanta Boltzmann și T reprezentând temperatura observată la nivel macroscopic.
Temperaturi negative
Temperaturile care sunt exprimate ca numere negative pe scalele cunoscute Celsius sau Fahrenheit sunt pur și simplu mai reci decât punctele zero ale acestor scale. Anumite sisteme pot atinge temperaturi cu adevărat negative; adică temperatura lor termodinamică (exprimată în kelvini) poate avea o cantitate negativă. Un sistem cu o temperatură cu adevărat negativă nu este mai rece decât zero absolut. Mai degrabă, un sistem cu o temperatură negativă este mai fierbinte decât orice sistem cu o temperatură pozitivă, în sensul că dacă un sistem cu temperatură negativă și un sistem cu temperatură pozitivă intră în contact, căldura curge de la sistemul negativ la cel cu temperatură pozitivă.
Cele mai cunoscute sisteme nu pot atinge temperaturi negative deoarece adăugarea de energie întotdeauna crește entropia lor. Cu toate acestea, unele sisteme au o cantitate maximă de energie pe care o pot deține și, pe măsură ce se apropie de acea energie maximă, entropia lor începe să scadă. Deoarece temperatura este definită de relația dintre energie și entropie, temperatura unui astfel de sistem devine negativă, chiar dacă se adaugă energie. Ca urmare, factorul Boltzmann pentru stările sistemelor la temperatură negativă crește mai degrabă decât scade cu creșterea energiei de stare. Prin urmare, niciun sistem complet, adică incluzând modurile electromagnetice, nu poate avea temperaturi negative, deoarece nu există o stare de energie cea mai mare, astfel încât suma probabilităților stărilor să se diferențieze pentru temperaturile negative. Cu toate acestea, pentru sistemele în cvasi-echilibru (de exemplu, spini în afara echilibrului cu câmp electromagnetic), acest argument nu se aplică și temperaturile eficiente negative pot fi atinse.
La 3 ianuarie 2013, fizicienii au anunțat că au creat pentru prima dată un gaz cuantic format din atomi de potasiu cu o temperatură negativă în grade de libertate în mișcare.
Traducere din Wikipedia
Lasă un răspuns