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:

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 Ջեյմս 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 Ռենկինի 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 kԲոլցմանի 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