Բացարձակ զրո

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից

Բացարձակ զրոն այն տեսական ջերմաստիճանն է, որի դեպքում էնտրոպիան ունի նվազագույն արժեք: Թերմոդինամիկայի օրենքների համաձայն, հնարավոր չէ հասնել բացարձակ զրո ջերմաստիճանին միայն թերմոդինամիկական եղանակներով: Բացարձակ զրո ջերմաստիճանում համակարգը դեռևս օժտված է քվանտամեխանիկական զրոյական տատանումների էներգիայով, որը համակարգի հիմնական վիճակի էներգիան է: Հիմնական վիճակի կինետիկ էներգիան չի կարող վերանալ: Չնայած դրան, դասական մեկնաբանությամբ այն զրո է, և նյութի ջերմային էներգիան վերանում է:

Բացարձակ զրո ջերմաստիճանին համապատասխանում է թերմոդինամիկական ջերմաստիճանային սանդղակի (օրինակ` Կելվինի սանդղակը) զրոն: Միջազգային համաձայնությամբ, բացարձակ զրո ջերմաստիճանը Կելվինի սանդղակով 0 Կ է, Ցելսիուսի սանդղակով` −273.15°[1][2], Ֆարենհայտի սանդղակով` −459.67°[3], Ռենկինի սանդղակով` 0 Ռ[2]: Գիտնականներին հաջողվել է ստանալ բացարձակ զրոյին խիստ մոտ ջերմաստիճաններ: Այդ ջերմաստիճաններում դիտվում են նյութի քվանտային հատկություններ, օրինակ` գերհաղորդականություն և գերհոսունություն:

Բովանդակություն

Պատմությունը [խմբագրել]

Բացարձակ զրոյի գաղափարը առաջ է քաշել Ռոբերտ Բոյլ:

Առաջիններից մեկը բացարձակ զրո ջերմաստիճանի հնարավորությունը քննարկեց Ռոբերտ Բոյլը: 1665թ. լույս տեսած աշխատության («Նոր փորձեր և դիտարկումներ ցրտի վերաբերյալ») մեջ նա հրապարակեց primum frigidum (սկզբնական ցուրտ) կոչված վիճաբանությունը: Ժամանակի բնախույզները քաջ ծանոթ էին այս հասկացությանը: Ոմանք պնդում էին, որ բացարձակ նվազագույն ջերմաստիճանը պետք է ի հայտ գա հողի մեջ (որպես չորս տարրերից մեկը), մյուսները` ջրի, այլք` օդի, ավելի ուշ կարծիքներ հնչեցին բորակի հետ կապված[4]: Սակայն բոլորը համաձայն էին, որ «կա այնպիսի մի մարմին, որն իր բնությամբ ծայրահեղ սառն է, և որի մասնակցությամբ մյուս մարմինները ձեռք են բերում նույն հատկությունը »[5]:

«Սառնության աստիճանի» սահմանափակումը [խմբագրել]

Հարցը, թե կա՞ արդյոք սահման հնարավոր ցրտին, և եթե այո, որն է զրոյական կետը, 1702թ. առաջին անգամ բարձրացրեց ֆրանսիացի ֆիզիկոս Գիյոմ Ամոնտոնը` կապված օդի ջերմաչափի կատարելագործման հետ: Նրա ջերմաչափով ջերմաստիճանը որոշվում էր սնդիկի սյան բարձրությամբ` ըստ ջերմաստիճանի փոփոխվող օդի որոշակի ծավալի դեպքում: Ամոնտոնը կարծում էր, որ իր ջերմաչափի զրոն պետք է լինի այն ջերմաստիճանը, որի դեպքում օդը նվազում է մինչև անհետանալը: Նրա օգտագործած սանդղակով ջրի եռման ջերմաստիճանը նշանակված էր +73, սառույցի հալմանը` 51, այնպես որ այդ սանդղակի զրոն համապատասխանում էր Ցելսիուսի սանդղակի -240-ին: Այս թիվը մոտիկ է ժամանակակից չափումներով որոշված −273.15 °C-ին[1] : Օդի ջերմաստիճանի զրոյական արժեքը հետագայում ավելի ճշգրիտ կարողացավ չափել Յոհան Հենրիխ Լամբերտը 1779թ.: Բացարձակ ցրտի համար նա գրանցեց −270 °C արժեքը[6]:

Սակայն բացարձակ զրոյի այս արժեքները այդ ժամանակաշրջանում չարժանացան համատարած ընդունելության: Պիեռ Սիմոն Լապլասը և Անտոն Լավուազեն 1780թ. հրապարակված իրենց տրակտատում նշում են 1500-ից մինչև 3000 միջակայքը` ջրի սառչելու կետից ներքև, և կարծում, որ համենայն դեպս այն պետք է ցածր լինի գոնե 600-ից: Քիմիայի փիլիսոփայություն աշխատության մեջ Ջոն Դալտոնը տալիս է այդ արժեքի տասը տարբեր հաշվարկումներ և ի վերջո կարծիք է հայտնում, որ ջերմաստիճանի բնական զրոն −3000 °C է:

Լորդ Կելվինի աշխատանքները [խմբագրել]

Երբ Ջ. Պ. Ջոուլը սահմանեց ջերմության մեխանիկական համարժեքը, Լորդ Կելվինը հարցը բարձրացրեց բոլորովին այլ տեսակետից, և 1848թ. մշակեց բացարձակ ջերմաստիճանային սանդղակ, որն անկախ էր որևէ նյութի հատկություններից և հիմնված էր բացառապես թերմոդինամիկայի հիմնարար օրենքների վրա: Այդ սկզբունքներից բխում էր, որ զրոն պետք է լիներ −273.15 °C կետում. մի արժեք, որը գրեթե համընկնում էր օդի ջերմաչափի զրոյական արժեքի հետ[7]:

Խիստ ցածր ջերմաստիճաններ [խմբագրել]

Բումերանգի միգամածությունից առաքվող գազի արագ ընդարձակումը թույլ տվեց դիտարկել ամենացածր ջերմաստիճանը ոչ լաբորատոր պայմաններում:

Մնացորդային ճառագայթումով պայմանավորված` տիեզերքի միջին ջերմաստիճանը այսօր 2,73 Կ է:

Արհեստականորեն հնարավոր չէ ստանալ բացարձակ զրո, չնայած մի շարք եղանակներով կարելի է հասնել դրան մոտիկ արժեքների: Լազերային սառեցման օգնությամբ հնարավոր է ստանալ կելվինի բիլիոներորդ մասից էլ ցածր ջերմաստիճաններ [8]: Բացարձակ զրոյին մոտ շատ ցածր ջերմաստիճաններում նյութն ի հայտ է բերում բազմաթիվ անսովոր հատկություններ, որոնցից են գերհաղորդականությունը, գերհոսունությունը և Բոզե-Այնշտային կոնդենսացիան: Այս երևույթներն ուսումնասիրելու համար գիտնականները պետք է ստանան ավելի ցածր ջերմաստիճաններ:

  • Ներայիս համաշխարհային ռեկորդը` 100 պիկոԿելվին (պԿ) կամ 0,000 000 000 1 Կելվին, գրանցվել է 1999թ. ռոդիումում սառեցնելով միջուկային սպիները[9]:
  • 2003թ, փետրվարին Բումերանգի միգամածությունում դիտվեցին 500 000 կմ/ժ արագությամբ գազային բռնկումներ` վերջին 1500 տարվա ընթացքում առաջին անգամ: Ինչպես ցույց տվեցին աստղագիտական չափումները, դրա ջերմաստիճանը իջավ մինչև 1 Կ, որը մինչև այդ գրանցված ամենացածր ջերմաստիճանն էր[11]:
  • 2006թ. մայիսին Հանովերի համալսարանի Քվանտային օպտիկայի ինստիտուտը մանրամասներ հաղորդեց տիեզերքում ֆեմտոկելվինային ջերմաստիճանների հետազոտության տեխնոլագիաների և արդյուքների վերաբերյալ[13]:

Բացարձակ զրոյի թերմոդինամիկան [խմբագրել]

0 Կ-ին մոտ ջերմաստիճանում դադարում են գրեթե բոլոր մոլեկուլների շարժումները:Եթե էնտրոպիան = S, ապա ΔS = 0 ցանկացած ադիաբատ պրոցեսի համար: Երբ T → 0, մաքուր նյութերը (իդեալական դեպք) կարող են ձևավորել կատարյալ բյուրեղներ: Թերմոդինամիկայի երրորդ օրենքի` Մաքս Պլանկի խիստ ձևակերպման համաձայն, կատարյալ բյուրեղի էնտրոպիան բացարձակ զրոյում վերածվում է զրոյի: Նեռնստի ջերմային թեորեմը ավելի թույլ պահանջ է դնում. ցանկացած իզոթերմ պրոցեսում էնտրոպիայի փոփոխությունը ձգտում է զրոյի, երբ T → 0.

\lim_{T \to 0} \Delta S = 0 ,

այսինքն` կատարյալ բյուրեղի էնտրոպիան ձգտում է հաստատուն արժեքի:

Թերմոդինամիկայի երրորդ օրենքի համաձայն, T = 0 իզոթերմը համընկնում է S = 0 ադիաբատի հետ, չնայած մյուս ադիաբատները և իզոթերմները տարբեր են: Քանի որ երկու ադիաբատներ չեն հատվում, այլ ադիաբատներ չեն կարող հատել T = 0 իզոթերմը: Հետևաբար, ոչ զրոյական ջերմաստիճանում սկսված ադիաբատ պրոցեսը չի կարող հասնել զրո ջերմաստիճանին:

Ավելի խիստ պնդման համաձայն, հնարավոր չէ որևէ եղանակով վերջավոր թվով գործողությունների ընթացքում համակարգի ջերմաստիճանը հասցնել զրոյի :

Կատարյալ բյուրեղն այն բյուրեղն է, որում ներքին ցանցային կառուցվածի ընդարձակումը անընդհատ է բոլոր ուղղություններով: Կատարյալ կառուցվածքը կարելի է ներկայացնել երեք առանցքների (ոչ անպայման օրթոգոնալ) ուղղությամբ տրանսլյացիոն սիմետրիայի միջոցով: Կառուցվածքի յուրաքանչյուր ցանցային տարր գտնվում է ճշգրիտ վայրում, անկախ նրանից` մեկ ատոմ է թե մոլեկուլների խմբավորում: Երկու (կամ ավելի) կայուն բյուրեղային ձև ունեցող քիմիական նյութերի համար, ինչպես օրինակ, ադամանդը և գրաֆիտը ածխածնի համար, գոյություն ունի այսպես կոչված «քիմիական այլասերում»: Հարցն այն է, թե կարող են երկուսն էլ ունենալ զրո էնտրոպիա T = 0-ում, եթե նույնիսկ նրանցից յուրաքանչյուրը կատարյալ դասավորվածություն ունի: Գործնականում կատարյալ բյուրեղներ չեն պատահում. թերությունները և նույնիսկ ամբողջական ամորֆ նյութերը պարզապես սառչում են ցածր ջերմաստիճաններում` չանցնելով ավելի կայուն վիճակների: Ըստ Դեբայի մոդելի, մաքուր բյուրեղի տեսակարար ջերմունակությունը և էնտրոպիան համեմատական են T 3-ին, մինչդեռ էնտալպիան և քիմիական պոտենցիալը համեմատական են T 4-ին: T = 0 սահմանային արժեքի դեպքում այս մեծությունները նվազում են և ձգտում են զրոյական դիքության: Ինչպես հաստատում են 10 Կ-ից ցածր ջերմաստիճաններում կատարված փորձերը, տեսակարար ջերմունակության համար սահմանային արժեքը հենց զրո է: Փաստացի, բացարձակ զրոյում գոյություն չունի տեսակարար ջերմունակություն, և ոչ միայն բյուրեղների համար: Մաքսվելի առնչությունները ցույց են տալիս, որ զրո են դառնում նաև ջերմային ընդարձակման գործակիցը և այլ մեծություններ: Քանի որ կապը G Գիբսի ազատ էներգիայի, H էնտալպիայի և էնտրոպիայի փոփոխությունների միջև`

\Delta G = \Delta H - T \Delta S \,

ապա T-ի նվազմանը զուգընթաց ΔG-ն և ΔH-ը հավասարվում են (պայմանով, որ ΔS-ը կապված է): Փորձնականորեն հայտնաբերվել է, որ բոլոր սպոնտան պրոցեսների արդյունքում (այդ թվում` քիմիական ռեակցիաների) G-ն նվազում է: Եթե ΔS-ը կամ T-ն փոքր են, ΔG < 0 պայմանը կարող է նշանակել, որ ΔH < 0, ինչը էկզոթերմ ռեակցիա է նշանակում: Այնուամենայնիվ, սա պարտադիր չէ. էնդոթերմ ռեակցիաները կարող են սպոնտան ընթանալ, եթե TΔS-ը բավականին մեծ է:

Բացարձակ ջերմաստիճանի սանդղակներ [խմբագրել]

Բացարձակ կամ թերմոդինամիկական ջերմաստիճանը ըստ պայմանավորվածության չափում են կելվինով (Ցելսիուսի սանդղակի քայլերով) և Ռանկինի սանդղակով (Ֆարենհայտի սանդղակի քայլերով): Բացարձակ ջերմաստիճանի չափումը միարժեքորեն որոշվում է մի գործակցի օգնությամբ, որը ցույց է տալիս «աստիճանի» չափը, այնպես որ երկու բացարձակ ջերմաստիճանների հարաբերությունը` T2/T1 նույնն է բոլոր սանդղակներով: Այս չափանիշի առավել ակնհայտ սահմանումը գալիս է Մաքսվել-Բոլցմանի բաշխումից, սակայն այն առկա է նաև Ֆերմի-Դիրակի (կիսաամբողջ սպինով մասնիկների համար) և Բոզե-Այնշտայնի վիճակագրություններում (ամբողջ սպինով մասնիկների համար), , ըստ որոնց որոշվում է համակարգի մասնիկների հարաբերական թիվը որպես նվազող էքսպոնենցիալ կախվածություն kT էներգիայից, որտեղ k-ն Բոլցմանի հաստատունն է, T-ն` ջերմաստիճանը[1]:

Բացասական ջերմաստիճաններ [խմբագրել]

Ցելսիուսի կամ Ֆարենհայտի սանդղակներով արտահայտված բացասական ջերմաստիճանը պարզապես ցույց է տալիս զրոյից ցածր թիվ այդ սանդղակով: Մինչդեռ որոշ թերմոդինամիկական համակարգեր իսկապես կարող են հասնել բացասական ջերմաստիճանի, այսինքն` նրանց թերմոդինամիկական ջերմաստիճանը (որը չափվում է կելվինով) կարող է բացասական մեծություն լինել: Իսկոպես բացասական ջերմաստիճանով համակարգը սառը չէ բացարձակ զրոյից, ընդհակառակը, այն ավելի տաք է, քան դրական ջերմաստիճանով որևէ համակարգ այն իմաստով, որ եթե փոխազդեցության մեջ մտնեն դրական ջերմաստիճանով համակարգը և բացասական ջերմաստիճանով համակարգը, տաքությունը կհոսի բացասական ջերմաստիճանով համակարգից դեպի դրական ջերմաստիճան ունեցող համակարգ[14]:

Համակարգերի մեծ մասը չի կարող ունենալ բացասական ջերմաստիճան, քանի որ էներգիայի աճին զուգընթաց նրանց էնտրոպիան միշտ ավելանում է: Այնուամենայնիվ, որոշ համակարգեր ձեռք են բերում ավելի էներգիա, քան կարող են պահպանել: Նման համակարգի էնտրոպիան սկսում է նվազել, երբ համակարգը ձեռք է բերում առավելագույն էներգիա: Քանի որ ջերմաստիճանը որոշվում է էներգիայի և էնտրոպիայի հարաբերակցությամբ, համակարգի ջերմաստիճանը դառնում է բացասական, չնայած աճում է էներգիան[14]: Արդյուքնում բացասական ջերմաստիճան ունեցող համակարգի վիճակների համար վիճակի էներգիայի աճին զուգընթաց աճում է Բոլցմանի ֆակտորը` փոխանակ նվազելու: Այդ պատճառով ամբողջական համակարգը (այսինքն` էլեկտրամագնիսական մոդերը ներառյալ) չի կարող ունենալ բացասական ջերմաստիճան, քանի դեռ չի գտնվում ամենաբարձր էներգետիկ վիճակում, այնպես որ վիճակների հավանականությունների գումարը բացասական ջերմաստիճանների համար շեղվում է: Այնուամենայնիվ, քվազիհավասարակշռության վիճակում գտնվող (այսինքն` սպիները հավասարակշռության մեջ չեն էլեկտրամագնիսական դաշտի հետ) այս համակարգի համար այս արգումենտը որոշիչ չէ, և հնարավոր է բացասական արդյունարար ջերմաստիճան:

Հղումներ [խմբագրել]

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 «Թերմոդինամիկական ջերմաստիճանի միավորը (Կելվին)»։ ՄՀ ձեռնարկ, 8-դ հրատարակություն։ Չափի և կշռի միջազգային համաժողով։ 13 մարտի 2010 1967։ էջ՝ Բաժին 2.1.1.5։ http://www1.bipm.org/en/si/si_brochure/chapter2/2-1/2-1-1/kelvin.html։ 
  2. ↑ 2,0 2,1 (2001) Թերմոդինամիկա։ Tata McGraw-Hill, Աղ. 2.4, էջ 43։ ISBN 0-074-62014-2։ 
  3. ↑ Զելինսկի, Սառա (1 հունվարի, 2008թ.)։ «Բացարձակ զրո»։ Սմիթսոնյան ինստիտուտ։ http://www.smithsonianmag.com/science-nature/absolute-zero-200801.html։ Վերցված է 26 հունվարի, 2012թ.։ 
  4. ↑ «Սկզբնական ցուրտ»։ Մարդու թերմոդինամիկայի, քիմիայի և ֆիզիկայի հանրագիտարան։ 1 օգոստոսի, 2011թ.։ http://www.eoht.info/page/Primum+frigidum։ 
  5. ↑ Բոյլ, Ռոբերտ (1665)։ Նոր փորձեր և դիտարկումներ ցրտի վերաբերյալ։ 
  6. ↑ Լամբերտ, Յոհան Հենրիխ (1779)։ Pyrometrie։ OCLC 165756016։ 
  7. ↑ «Ցուրտ». Բրիտանական հանրագիտարան (11-րդ տպ.). The LoveToKnow Wiki. 1911. http://www.1911encyclopedia.org/Cold։ Վերցված է 11 փետրվարի, 2008թ.. 
  8. ↑ «Առցանց տիեզերք. սահմանը բացարձակ զրոյի հետ»։ http://www.cosmosmagazine.com/features/online/2176/verging-absolute-zero։ 
  9. ↑ «Ցածր ջերմաստիճանների համաշխարհային ռեկորդը»։ Արխիվացված օրիգինալից 18 հունիսի, 2009թ.-ին։ http://web.archive.org/web/20090618075820/http://ltl.tkk.fi/wiki/LTL/World_record_in_low_temperatures։ Վերցված է 5 մայիսի, 2009թ.։ 
  10. ↑ Կնուտտիլա, Տաունո (2000)։ Միջուկային մագնիսականությունը և գերհաղորդականությունը ռոդիումում։ Էսպոո, Ֆինլանդիա: Հելսինկիի տեխնիկական համալսարան։ ISBN 9512252082։ Վերցված է՝ 11 փետրվարի, 2008թ.։ 
  11. ↑ Սահայ, Ռագվենդրա; Նիման, Լարս-Էկ (1997). «Բումերանգի միգամածություն. տիեզերքի ամենացուրտ հատվա՞ծը». Աստղաֆիզիկական ամսագիր հատ. 487: էջ L155–L159. 
  12. ↑ «Տիեզերքում կյանքի և ֆիզիկական գիտությունների մասին ԵՏԳ-ի ապագա ծրագրերի գիտական հեռանկարները» (PDF)։ http://www.esf.org/publication/209/Obernai2005Finalcorrected.pdf։ 
  13. ↑ «Ատոմական քվանտային տվիչները տիեզերքում»։ http://www.physics.ucla.edu/quantum_to_cosmos/q2c06/Ertmer.pdf։ 
  14. ↑ 14,0 14,1 Չեյզ, Սքոթ։ «Բացարձակ զրոյից ներքև.ի՞նչ իմաստ ունի բացարձակ բացասական ջերմաստիճանը»։ Ֆիզիկայի և հարաբերականության ՀՏՀ։ http://www.phys.ncku.edu.tw/mirrors/physicsfaq/ParticleAndNuclear/neg_temperature.html։ Վերցված է 2 հուլիսի, 2010թ.։ 

Արտաքին հղումներ [խմբագրել]

Գրականություն [խմբագրել]

  • Herbert B. Callen (1960). "Chapter 10". Thermodynamics. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-13035-4. OCLC 535083.
  • Herbert B. Callen (1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics (Second ed.). New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-86256-8.
  • E.A. Guggenheim (1967). Thermodynamics: An Advanced Treatment for Chemists and Physicists (Fifth ed.). Amsterdam:

North Holland Publishing. ISBN 0-444-86951-4. OCLC 324553.

  • George Stanley Rushbrooke (1949). Introduction to Statistical Mechanics. Oxford: Clarendon Press. OCLC 531928.
  • Г. Бурмин. Штурм абсолютного нуля. — М.: «Детская литература», 1983
✯ Այս հոդվածն ընտրվել է Հայերեն Վիքիպեդիայի շաբաթվա հոդված
Ստացված է «http://hy.wikipedia.org/w/index.php?title=Բացարձակ_զրո&oldid=1209909» էջից