Для чего нужен абсолютный ноль температур?

Что такое температура

Прежде, чем начать рассказ о датчиках температуры, следует разобраться, что же такое температура с точки зрения физики. Почему организм человека чувствует изменение температуры, почему мы говорим, что вот сегодня тепло или просто жарко, а на другой день прохладно, или даже холодно.

Термин температура происходит от латинского слова temperatura, что в переводе означает нормальное состояние или надлежащее смещение. Как физическая величина температура характеризует внутреннюю энергию вещества, степень подвижности молекул, кинетическую энергию частиц, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.

В качестве примера можно рассмотреть воздух, молекулы и атомы которого двигаются хаотично. Когда скорость перемещения этих частиц возрастает, то говорят, что температура воздуха высокая, воздух теплый или даже горячий. В холодный день, например, скорость движения частиц воздуха мала, что ощущается как приятная прохлада или даже «холод собачий». Следует обратить внимание на то, что скорость движения частиц воздуха никак не зависит от скорости ветра! Это совсем другая скорость.

Это то, что касается воздуха, в нем молекулы могут двигаться свободно, а как же обстоит дело в жидких и твердых телах? В них тепловое движение молекул также существует, хотя и в меньшей степени, чем в воздухе. Но его изменение вполне заметно, что обусловливает температуру жидкостей и твердых тел.

Молекулы продолжают движение даже при температуре таяния льда, равно как и при отрицательной температуре. Например, скорость движения молекулы водорода при нулевой температуре 1950 м/сек. Каждую секунду в 16 см^3 воздуха происходит тысяча миллиардов столкновений молекул. При увеличении температуры подвижность молекул возрастает, количество столкновений, соответственно, увеличивается.

Однако, следует заметить, что температура и тепло суть есть не одно и то же. Простой пример: обычная газовая плита на кухне имеет большие и маленькие горелки, в которых сжигается один и тот же газ. Температура сгорания газа одинакова, поэтому температура самих горелок также одна и та же. Но один и тот же объем воды, например чайник или ведро, быстрее вскипит на большой горелке, нежели на маленькой. Это происходит оттого, что большая горелка дает большее количество тепла, сжигая больше газа в единицу времени, или обладает большей мощностью.

 

Первые термометры

До изобретения такого обыденного и простого для нашей повседневной жизни измерительного прибора как термометр о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно.

Слово “температура” возникло давно – тогда еще не существовало молекулярно-кинетической теории. Считалось, что в телах содержится некая материя, называемая “теплородом”, и в теплых телах ее больше, чем в холодных. Температура, таким образом, характеризовала смесь теплорода и вещества самого тела, и чем выше была температура – тем, значит, крепче эта смесь. Отсюда пошло измерение крепости спиртных напитков в градусах.

История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.

Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.

Затем появились термометры, наполненные водой – но жидкость замерзала, и термометры лопались. Поэтому вместо воды стали использовать винный спирт, а потом ученик Галилея Эванджелиста Торричелли придумал заполнить термометр ртутью и спиртом и запаять, чтобы атмосферное давление не влияло на показания. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, - теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.

На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.

Температурные шкалы

Измерять температуру человечество научилось примерно 400 лет назад. Но первые приборы, напоминающие нынешние термометры, появились только в ХVIII веке. Изобретателем первого градусника стал ученый Габриэль Фаренгейт. Всего в мире было изобретено несколько разных температурных шкал, одни из них были более популярны и используются до сих пор, другие постепенно вышли из употребления.

Температурные шкалы – это системы температурных значений, которые возможно сопоставить между собой. Так как температура не относится к величинам, подлежащим непосредственному измерению, то значение ее связывают с изменением температурного состояния какого-либо вещества (например, воды). На всех температурных шкалах, как правило, фиксируют две точки, соответствующие температурам перехода выбранного термометрического вещества в разные фазы. Это так называемые реперные точки. Примерами реперных точек может служить точка закипания воды, точка твердения золота и т. п. Одну из точек принимают за начало отсчета. Интервал между ними делят на определенное количество равных отрезков, являющихся единичными. За единицу измерения температуры повсеместно принят один градус. температура шкала прибор

Наиболее популярные и получившие самое широкое распространение в мире шкалы температур – шкала Цельсия и Фаренгейта.

Рассмотрим по порядку имеющиеся шкалы и попробуем сравнить их с точки зрения удобства использования и практической пользы. Наиболее известных шкал четыре:

1. Шкала Фаренгейта

2. Шкала Реомюра

3. Шкала Цельсия,

4. Шкала Кельвина

Шкала Фаренгейта

Во многих справочниках, в том числе в русской Википедии, Даниэль Габриель Фаренгейт упоминается как немецкий физик. Однако согласно энциклопедии «Британника», он был голландским физиком, родившимся в Польше в г. Гданьске 24 мая 1686 г. Фаренгейт сам изготавливал научные инструменты и в 1709 г. изобрел спиртовой термометр, а в 1714 г. ртутный термометр.

В 1724 г. Фаренгейт стал членом Лондонского Королевского Общества и представил ему свою шкалу температур. Шкала была построена на основе трех опорных точек. В первоначальном варианте (который в дальнейшем был изменен) за нулевую точку он принял температуру соляного раствора (лед, вода и хлорид аммония в соотношении 1:1:1). Стабилизация температуры такого раствора происходила при 0 °F (-17.78 °C). Вторая точка 32 °F была точкой плавления льда, т.е. температурой смеси льда и воды в соотношении 1:1 ( 0 °C). Третья точка – это нормальная температура человеческого тела, которой он приписал 96 °F.

Почему были выбраны такие странные, некруглые цифры? Согласно одной из историй, Фаренгейт первоначально выбрал за ноль своей шкалы самую низкую температуру, измеренную в его родном городе Гданьске зимой 1708/1709 г. Позже, когда стало необходимо сделать эту температуру хорошо воспроизводимой, он использовал для ее воспроизведения соляной раствор. Одно из объяснений неточности полученной температуры в том, что Фаренгейт не имел возможности сделать хороший соляной раствор, чтобы получить точный эвтектический равновесный состав хлорида аммония (то есть, он, возможно, растворял несколько солей, причем не полностью).

Еще одна интересная история связана с письмом Фаренгейта его другу Герману Бурхавэ. Согласно письму, его шкала была создана на основе работы астронома Олофа Рёмера, с которым Фаренгейт ранее общался. В шкале Рёмера соляной раствор замерзает при нуле градусов, вода при 7,5 градусах, температура тела человека принята за 22,5 градуса и вода кипит при 60 градусах (есть мнение, что это по аналогии с 60 сек. в часе). Фаренгейт умножил каждое из чисел на четыре, чтобы убрать дробную часть. При этом точка плавления льда оказалась равной 30 градусов, а температура человека 90 градусов. Он пошел дальше и сдвинул шкалу так, чтобы точка льда была равна 32 градусов, а температура тела человека 96 градусов. Таким образом появилась возможность разбить интервал между этими двумя точками, составивший 64 градусов, простым многократным делением промежутка пополам. (64 это 2 в шестой степени).

При измерении своими отградуированными термометрами температуры кипения воды Фаренгейт получил значение около 212 °F . В дальнейшем ученые решили немного переопределить шкалу, приписав точное значение двум хорошо воспроизводимым реперным точкам: температуре плавления льда 32 °F и температуре кипения воды 212 °F. При этом нормальная температура человека по такой шкале после новых, более точных измерений получилась около 98 °F , а не 96 °F.

 

Шкала Реомюра

Французский естествоиспытатель Рене Антуан Фершо де Реомюр родился 28 февраля 1683 года в Ла-Рошели в семье нотариуса. Получил образование в школе иезуитов в Пуатье. С 1699 года изучал право и математику в университете Бурже. В 1703 году продолжил изучение математики и физики в Париже. После того, как в 1708 году Рене опубликовал свои первые три работы в области математики, он был принят в члены Парижской Академии Наук.

Научные труды Реомюра довольно разнообразны. Он занимался математикой, химической технологией, ботаникой, физикой и зоологией. Но в двух последних предметах он преуспел больше, поэтому, основные его труды были посвящены именно этим темам.

В 1730 году Реомюр описал изобретённый им спиртовой термометр, шкала которого определялась точками кипения и замерзания воды. 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R

Припаяв к круглой колбочке тонкую трубку, Реомюр залил в нее спирт, по мере возможности очищенный от воды и растворенных газов. В своем мемуаре он отмечает, что его жидкость содержала не более 5 процентов воды.

Трубка не запаивалась — Реомюр лишь затыкал ее замазкой на основе скипидара.

На самом деле опорная точка была у Реомюра всего одна: температура таяния льда. А величину градуса он определил вовсе не делением какого-то интервала температур на невесть откуда взявшееся число 80. В действительности он решил принять за один градус такое изменение температуры, при котором объем спирта возрастает или убывает на 1/1000. Таким образом, термометр Реомюра можно считать, по существу, большим пикнометром, точнее — примитивным прототипом этого физико-химического прибора.

Начиная с 1734 г. Реомюр в течение пяти лет публиковал отчеты об измерениях температур воздуха с помощью предложенного им прибора в различных местностях, от центральных районов Франции до индийского порта Пондишери, однако позднее термометрию забросил.

В наше время шкала Реомюра вышла из употребления.

Шкала Цельсия

Андерс Цельсий (27 ноября 1701 — 25 апреля 1744) — шведский астроном, геолог и метеоролог (в те времена геология и метеорология считались частью астрономии). Профессор астрономии Упсальского университета (1730—1744).

Вместе с французским астрономом Пьером Луи Моро де Мопертюи участвовал в экспедиции с целью измерения отрезка меридиана в 1 градус в Лапландии (тогда — часть Швеции). Аналогичная экспедиция была организована на экватор, на территории нынешнего Эквадора. Сравнение результатов подтвердило предположение Ньютона, что Земля представляет собой эллипсоид, сплюснутый у полюсов.

1742 году предложил шкалу Цельсия, в которой температура тройной точки воды (эта температура практически совпадает с температурой плавления льда при нормальном давлении) принималась за 100, а температура кипения воды — за 0. (Изначально Цельсий за 100° принял температуру таяния льда, а за 0° — температуру кипения воды. И лишь в год смерти Цельсия его современник Карл Линней «перевернул» эту шкалу). Так, за ноль по шкале Цельсия принималась точка плавления льда, а за 100° — точка кипения воды при стандартном атмосферном давлении. Эта шкала линейна в интервале 0—100° и так же линейно продолжается в области ниже 0° и выше 100°.

Шкала Цельсия оказалась более рациональной, чем шкала Фаренгейта и шкала Реомюра, и сейчас используется повсеместно.

 

 

Шкала Кельвина

Кельвин Уильям (1824— 1907) — выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.

Кельвин ввел абсолютную шкалу температур в 1848 году и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости.

Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой:

Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.

 

 

Значения температур, которые дает нам шкала Фаренгейта и Цельсия, могут быть легко переведены друг в друга. При переводе «в уме» значений по Фаренгейту в градусы Цельсия нужно исходную цифру уменьшить на 32 единицы и умножить на 5/9. Наоборот (из шкалы Цельсия в Фаренгейта) – умножить исходное значение на 9/5 и добавить 32. Для сравнения: температура абсолютного нуля по Цельсию – 273,15 °, по Фаренгейту– 459,67°.

 

Измерение температуры

 

Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (например, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термометра — прибора, служащего для измерения температуры.

 

Абсолютный нуль температур

Любое измерение предполагает наличие точки отсчета. Не является исключением и температура. Для шкалы Фаренгейта такой нулевой отметкой является температура снега, смешанного с поваренной солью, для шкалы Цельсия – температура замерзания воды. Но есть особая точка отсчета температуры – абсолютный нуль.

На протяжении многих лет исследователи ведут наступление на абсолютный нуль температуры. Как известно, температура, равная абсолютному нулю, характеризует основное состояние системы многих частиц — состояние с наименьшей возможной энергией, при которой атомы и молекулы совершают так называемые «нулевые» колебания. Таким образом, глубокое охлаждение, близкое к абсолютному нулю (считается, что сам абсолютный нуль на практике недостижим), открывает неограниченные возможности для изучения свойств вещества.

Абсолютный ноль - теоретически самая низкая возможная температура. Вблизи этой температуры энергия вещества становится минимальной. Ее нередко называют также "нулем по шкале Кельвина". Абсолютный нуль равен примерно -273°С или -460°F. Все вещества - газы, жидкости, твердые тела - состоят из молекул, и температура определяет скорость движения этих молекул. Чем выше температура, тем выше скорость молекул и тем больший объем нужен им для движения (т. е. вещества расширяются). Чем ниже температура, тем медленнее они движутся, и с понижением температуры энергия молекул в конце концов уменьшается настолько, что они вообще перестают двигаться. Иными словами, любое вещество, замерзая, становится твердым. Хотя физики добились уже температур, отличающихся от абсолютного нуля всего на миллионную долю градуса, сам по себе абсолютный нуль недостижим. Отрасль науки и техники, занимающаяся изучением необычного поведения материалов, или веществ, вблизи абсолютного нуля, называется криогенной техникой.

Стремление к абсолютному нулю по существу встречается с теми же проблемами, что и стремление к скорости света. Чтобы набрать скорость света, понадобится бесконечное количество энергии, а достижение абсолютного нуля требует извлечения бесконечного количества тепла. Оба этих процесса невозможны.

Несмотря на то, что мы пока не добились фактического состояния абсолютного нуля, мы весьма близки к этому (хотя «весьма» в этом случае понятие очень растяжимое; как детская считалочка: два, три, четыре, четыре с половиной, четыре на ниточке, четыре на волоске, пять). Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле, была зафиксирована в Антарктиде в 1983 году, на отметке -89,15 градусов Цельсия (184K).

 

 

Абсолютный нуль температуры – понятие теоретическое, достичь его на практике невозможно в принципе, даже в условиях научных лабораторий с самой сложной аппаратурой. Но ученым удается охлаждать вещество до очень низких температур, которые близки к абсолютному нулю.

При таких температурах вещества приобретают удивительные свойства, которых они не могут иметь при обычных обстоятельствах. Ртуть, которую называют «живым серебром» из-за ее пребывания в состоянии, близком к жидкому, при такой температуре становится твердой – до такой степени, что ею можно забивать гвозди. Некоторые металлы становятся хрупкими, как стекло. Такой же твердой и хрупкой становится резина. Если при температуре, близкой к абсолютному нулю, ударить молотком какой-нибудь резиновый предмет, он разобьется, как стеклянный.

Такое изменение свойств тоже связано с природой теплоты. Чем выше температура физического тела, тем интенсивнее и хаотичнее двигаются молекулы. По мере снижения температуры движение становится менее интенсивным, а структура – более упорядоченной.

Очень важно, особенно с точки зрения науки, что материалы ведут себя безумно на экстремально низких температурах.

Так газ становится жидкостью, а жидкость твердым телом. Предельный уровень упорядоченности – кристаллическая структура. При сверхнизких температурах ее приобретают даже такие вещества, которые в обычном состоянии остаются аморфными, например, резина.

Интересные явления происходят и с металлами. Атомы кристаллической решетки колеблются с меньше амплитудой, рассеяние электронов уменьшается, поэтому падает электрическое сопротивление. Металл приобретает сверхпроводимость, практическое применение которой представляется весьма заманчивым, хотя и труднодостижимым.

При очень низких температурах многие материалы становятся сверхтекучими, что означает, что они могут совершенно не обладать вязкостью, укладываться сверхтонкими слоями и даже бросать вызов гравитации в достижении минимума энергии. Также при низких температурах многие материалы становятся сверхпроводящими, что означает отсутствие какого-либо электрического сопротивления. Сверхпроводники способны реагировать на внешние магнитные поля таким образом, чтобы полностью отменять их внутри металла. В результате, вы можете объединить холодную температуру и магнит и получить что-то типа левитации.