Zero bezwzględne - Polski Serwis Naukowy

Zero bezwzględne (temperatura zera bezwzględnego, zero absolutne) – temperatura równa zero w termodynamicznej skali temperatur, czyli jest to temperatura, w której wszystkie elementy układu termodynamicznego uzyskują najniższą z możliwych energii. Temperatura ta odpowiada −273,15 °C = 0 K.

Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Historia

Określenie zero bezwzględne zostało zaproponowane przez Guillaume'a Amontons w 1702 r., jako wniosek z zależności ciśnienia gazów od ich temperatury. Zauważył, że ciśnienie jest proporcjonalne do temperatury pomniejszonej o stałą wartość jednakową dla wszystkich gazów.

Kelwin – jednostka temperatury w układzie SI równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana K. Definicja ta odnosi się do wody o następującym składzie izotopowym: 0,00015576 mola 2H na jeden mol 1H, 0,0003799 mola 17O na jeden mol 16O i 0,0020052 mola 18O na jeden mol 16O[1].

Entropia – termodynamiczna funkcja stanu, określająca kierunek przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odosobnionym układzie termodynamicznym. Entropia jest miarą stopnia nieuporządkowania układu. Jest wielkością ekstensywną. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jeżeli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego, bez udziału czynników zewnętrznych (a więc spontanicznie), to jego entropia zawsze rośnie. Pojęcie entropii wprowadził niemiecki uczony Rudolf Clausius.

W 1848 roku Lord Kelvin zaproponował by temperaturę wyrażać jako temperaturę bezwzględną eliminując w ten sposób z wielu wzorów stałą, którą trzeba odejmować od temperatury. Temperatura zera bezwzględnego została przez Lorda Kelvina wyznaczona na podstawie teoretycznych obliczeń temperatury kryształu doskonałego, w którym ustały wszelkie drgania tworzących ją cząsteczek.

Trzecia zasada termodynamiki (zasada Nernsta) może być sformułowana jako postulat: nie można za pomocą skończonej liczby kroków uzyskać temperatury zera bezwzględnego (zero kelwinów), jeżeli za punkt wyjścia obierzemy niezerową temperaturę bezwzględną.

Ciśnienie to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność:

W 2003 roku zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge (A.E. Leanhardt, T.A. Pasquini, M. Saba, A. Schirotzek, Y. Shin, D. Kielpinski, D.E. Pritchard i W. Ketterle) osiągnął mechanicznie najniższą do tej pory otrzymaną temperaturę 450 pikokelwinów (0,45 miliardowych części kelwina).

Kondensacja Bosego-Einsteina – efekt kwantowy zachodzący w układach podległych rozkładowi Bosego-Einsteina. W temperaturach niższych od temperatury krytycznej część cząstek (bozonów) przechodzi w zerowy stan pędowy – cząstki te mają identyczny pęd. Oznacza to, że w zerowej objętości przestrzeni pędów może znajdować się niezerowa liczba cząstek. Mówimy wtedy o makroskopowym obsadzeniu stanu podstawowego. Efektem kondensacji jest kolektywne zachowanie wszystkich cząstek biorących w niej udział (w przybliżeniu wszystkie zachowują się jak jedna cząstka). Należy podkreślić, że nie chodzi tu o kondensację w zwykłym sensie w przestrzeni położeniowej – cząstki nie znajdują się w jednym miejscu, lecz o "kondensację" cząstek w przestrzeni pędów – znaczna ilość cząstek ma taki sam pęd. Rozkład przestrzenny cząstek "skondensowanych" pozostaje równomierny (jeśli nie ma pól zewnętrznych). W kondensacie Bosego-Einsteina zachodzi zjawisko nadciekłości. Kondensat opisywany jest w przybliżeniu nieliniowym równaniem Grossa-Pitajewskiego. Równanie to posiada rozwiązania solitonowe, o wielkim znaczeniu eksperymentalnym. Występują zarówno "jasne" jak i "ciemne" rozwiązania solitonowe. Przybliżenie można polepszyć stosując rachunek zaburzeń – teorię Bogolibowa.

Układ termodynamiczny to dowolnie wybrana część wszechświata, której zachowanie jest rozpatrywane na podstawie zasad termodynamiki. Pozostały świat to Otoczenie termodynamiczne.

Teorie kinetyczne

Temperatura zera bezwzględnego jest teoretyczną granicą do jakiej można ochłodzić układ termodynamiczny, co wynika z trzeciej zasady termodynamiki.

Temperatury ujemne

Według definicji temperatury opartej na entropii, możliwe jest istnienie ujemnych temperatur w skali Kelwina. Temperatura zdefiniowana jest jako:

$\frac{1}{T}=\left(\frac{\partial S}{\partial U}\right)_{V,N},$

Rozkład Boltzmanna – stosowane w fizyce i chemii, równanie określające sposób obsadzania stanów energetycznych przez atomy, cząsteczki lub inne indywidua cząsteczkowe (cząstki) w stanie równowagi termicznej.

Termodynamika - nauka o energii, dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów. Wbrew rozpowszechnionym sądom termodynamika nie zajmuje się wyłącznie przemianami cieplnymi, lecz także efektami energetycznymi reakcji chemicznych, przemian z udziałem jonów, przemianami fazowymi, a nawet przemianami jądrowymi i energią elektryczną.

gdzie S – entropia, U – energia układu. Możliwa jest sytuacja, gdy dostarczanie energii do układu powoduje spadek entropii czyli wzrost uporządkowania w układzie. Sytuacji takiej nie można uzyskać w wyniku ochładzania, ale występuje ona w ośrodku z inwersją obsadzeń stanów energetycznych, np. w napompowanym ośrodku laserowym. W ośrodku tym większość elektronów jest w wyższym stanie energetycznym. Dodawanie energii (pompowanie ośrodka) jeszcze zwiększa liczbę elektronów w wyższym stanie energetycznym, czyli zwiększa porządek. Oznacza to, że zwiększenie energii powoduje spadek entropii, a więc pochodna entropii po energii jest ujemna. Określona powyższym wzorem temperatura układu elektronów w atomach jest więc ujemna.

Laser to generator promieniowania, wykorzystujący zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera ma charakterystyczne właściwości, trudne lub wręcz niemożliwe do osiągnięcia w innych typach źródeł promieniowania. Jest spójne w czasie i przestrzeni, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu (zob. laser femtosekundowy).

Massachusetts Institute of Technology – jedna z najbardziej prestiżowych uczelni technicznych świata. MIT powstała w 1861 roku z inicjatywy kilkudziesięciu przedsiębiorców z okolic Nowego Jorku i Bostonu. Jej celem jest jednoczesne kształcenie studentów i prowadzenie badań podstawowych – jednak silnie zorientowanych na praktyczne potrzeby społeczne. MIT jest uczelnią całkowicie prywatną. Z punktu widzenia prawa jest spółką akcyjną, której akcje posiada obecnie kilkaset osób – głównie członków rodzin założycieli MIT oraz jej absolwentów, którym udało się osiągnąć bardzo duży sukces finansowy.

Błąd polega na zastosowaniu rozkładu Boltzmanna do sytuacji, której ten rozkład nie opisuje. Tak określona temperatura nie jest temperaturą substancji, w której zachodzi to zjawisko, energia atomów jako układu termodynamicznego ma temperaturę bezwzględną dodatnią. Te dwa układy termodynamiczne są w kontakcie, a w wyniku zderzeń między atomami energia elektronów może być przekształcona na energię kinetyczną atomów. Dlatego ten układ jako całość nie jest stabilny, nie jest stanem równowagi i nie może być opisywany przy użyciu rozkładu Boltzmanna. Otrzymanie rzeczywiście ujemnych temperatur jest w tym sensie możliwe tylko dla nie spotykanych w rzeczywistości układów o energii ograniczonej z góry.

Inwersja obsadzeń w mechanice statystycznej – stan układu, w którym liczba cząstek o energii większej jest większa niż cząsteczek o energii niższej. Inwersja obsadzeń jest wykorzystana w działaniu lasera.

Traktując temperaturę klasycznie jako miarę średniej energii kinetycznej cząsteczek, nie można uzyskać energii kinetycznej mniejszej niż zero – jeżeli cząsteczki nie poruszają się, nie mogą poruszać się wolniej.

Zobacz też

kondensat Bosego-Einsteina

zero

laser