Zero bezwzględne
Z Wikipedii
Zero bezwzględne (temperatura zera bezwzględnego, zero absolutne) jest to 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 ok. -273,15 °C = 0 K.
Spis treści |
[edytuj] Historia
Określenie zero bezwzględne zostało zaproponowane przez Guillaume Amontons w 1702, jako wniosek z zależności ciśnienia gazów od ich temperatury. Zauważył, że ciśnienie jest proporcjonalne do temperatury pomniejszonej o stałą wartość jednakową dla wszystkich gazów.
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.
W roku 2003 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 osiągnęli do tej pory najniższą mechanicznie otrzymaną temperaturę 450 pikokelwinów.
[edytuj] Teorie kinetyczne
Temperatura zera bezwzględnego jest teoretyczną granicą do jakiej można ochłodzić układ termodynamiczny, wynika to z trzeciej zasady termodynamiki.
[edytuj] Temperatury ujemne
Według definicji temperatury opartej na entropii, możliwe jest istnienie ujemnych temperatur w skali Kelwina. Temperatura zdefiniowana jest jako:
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 ilość elektronów w wyższym stanie, czyli poprawia 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.
Błąd polega na zastosowaniu rozkładu Boltzmanna do sytuacji nieopisywanej przez ten rozkład. 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 nie jest możliwe. Traktując temperaturę klasycznie jako miarę średniej energii kinetycznej cząsteczek, nie można uzyskać energii kinetycznej mniejszej niż zero.
