Путешествие по шкале температуры

Понятием «температуры мы часто пользуемся в обыденной жизни. «Надо посмотреть, сколько градусов на улице, чтобы знать, как одеться», - говорили мы. «Не заболел ли я? Надо измерить температуру». И каждый хорошо понимает, что означают эти слова. Но объяснить, что значит «температура» могут объяснить далеко не многие.

Температура связана с весьма неопределенными понятиями тепла и холода, которые располагаются в сознании человека где-то рядом с запахом и вкусом.

Человек с незапамятных времен знал, что когда два тела плотно соприкасаются, то между ними устанавливаются (как мы сейчас говорили) тепловое равновесие. Всюду в природе существуют потоки тепла. В этом естествоиспытатели видели проявление великих знатоков природы. Античные ученые и схоласты Средневековья сопоставляли с теплом и холодом свойства притяжения и отталкивания. Однако такое определение мало что объясняло.

2. Температура.

1. Основные определения и понятия

Температура (от лат. temperatyra – надлежащие смещение, нормальное состояние)

Температура - физическая величина, которая характеризует степень нагретости тела.

С точки зрения термодинамики – температура является величиной, характеризующей направление теплообмена.

С точки зрения МКТ – температура есть величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул идеального газа.

В толковом словаре русского языка С. И Ожигова – температура :

1. величина характеризующая тепловое состояние чего-нибудь

2. степень теплоты тела как показатель состояния здоровья.

3. повышенная теплота тела как показатель нездоровья

Температура = 1/ℓn Число невозбужденных атомов

Число возбужденных атомов

Из истории.

Итак, температура выражает физическое состояние некоторой системы, ее внутреннюю энергию и связана с хаотическим движением молекул.

Это знал еще наш великий соотечественник М. В. Ломоносов. В своей работе «Размышления о причине теплоты и холода». Он писал: «Очень хорошо известно, что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются; дерево загорается пламенем, при ударе кремния об огниво появляются искры; железо накаливается от приковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, то теплота уменьшается. Из этого всего совершенно очевидно, что достаточное основание теплоты заключается в движении. А так как движение не происходить без материи, то необходимо, чтобы достаточное основание теплоты заключалось в движении какой-то материи.

И хоть в горячих телах, большей частью на вид не заметно какое- либо движение, таковое все-таки очень часто обнаруживается по производимым действиям. Так, железо, нагретое почти до накаливания, кажется на глаз находящемся в покое; однако, одни тела, придвинутые к нему, оно плавит другие превращает в пар; то есть, приводя частицы их в движение; оно тем самым показывает, что и в них имеется движение какой – то материи. Ведь нельзя отрицать существование движения там, где оно не видно: кто в самом деле будет отрицать, что когда через лес проносится сильный ветер, то листья и сучки деревьев колышутся, хоть при рассматривании издали и не видно движения. Точно так же, как здесь вследствие расстояния, так и в теплых телах вследствие малости частиц движущейся материи движение ускользает от взора.

Ломоносов вплотную подошел к понятию абсолютного нуля. Он утверждал «. невозможна высшая и последняя степень теплоты как движения. Наоборот, то же самое движение можно настолько уменьшаться, что тело достигает, наконец, состояния совершенного покоя и никакое дальнейшее уменьшение движения невозможно. Следовательно, по необходимости должна существовать наибольшая и последняя ступень холода, которая должна в полном прекращении. движения частиц».

Понятие абсолютного нуля было введено в 1848 году английским ученым У. Томсоном (Кельвином). Оно вытекает из второго начала термодинамики, а из третьего начала следует, что абсолютный нуль недостижим. Его значение – минус 273,15 С. С приближением температуры к абсолютному нулю все тепловые характеристики вещества: энтропия, теплоемкость и так далее.

3. Термометрия

Термометрия – это раздел физики, посвященный методам и средствам измерения температуры.

Одновременно термометрия – раздел метрологии, в задачи которого входит обеспечение единства температурных измерений: установления температурных шкал, создание эталонов, разработка методик градуировки и проверки приборов для измерения температур.

Температура не может быть измерена непосредственно. Об изменении температуры судят по изменению других физических свойств тела (объема, давлении, электрического сопротивления, ЭДС, интенсивности излучения и другое), однозначно с ней связанных (так, например, термометрических свойств). Любой метод измерения температуры связан с определением температуры.

Методы измерения температуры различны для различных диапазонов измеряемых температур, они зависят от условий измерения и требуемой точности. Их можно разделить на две основные группы методов: контактные (собственно термометрии) и бесконтактные (Температура излучения, или пирометрия). Для контактных методов характерно то, что прибор, измеряющий температуру среды, находится с ней в тепловом равновесии, то есть имеет с ней одинаковую температуру. Основными узлами всех приборов для измерения температуры являются чувствительный элемент, где реализуется термометрическое свойство, и связанный с ним измерительный прибор.

В современной практике широко распространен способ измерения температуры с помощью жидкостного термометра. В его устройстве используется свойство расширения жидкости при нагревании. В качестве рабочего тела обычно применяют ртуть, спирт, глицерин. Чтобы измерить температуру тела, термометр приводят в контакт с телом; между телом и термометром будут осуществляться теплопередача до установления теплового равновесия. Масса термометра должна быть меньше массы тела, так кА в противном случае процесс измерения может существенно изменить температуру тела.

Значительным недостатком измерения температуры с помощью жидкостного термометра является то, что шкала температуры при этом оказывается, связана с конкретными физическими свойствами определенного вещества, используемого в термометре – ртути, глицерина, спирта. Изменения объема различных жидкостей при одинаковом нагревании, оказывается несколько различным. Поэтому, глицериновый и ртутный термометры показания которых совпадают при 0 и 100 С, дают разные показания при других температурах.

Измерительные приборы, которыми определяют значения термометрического свойства (манометры, потенциометры, логометры, измерительные мосты, миллиамперметры и так далее) называют вторыми приборами. Точность измерения температуры зависит от точности вторичных приборов, шкалы которых обычно градуированы С.

В диапазонах криогенных (ниже 120 К) и сверхнизких (ниже 1К) температур, кроме обычных методов измерения температур, применяют специфические методы. Это магнитная термометрия (диапазон 0,006 – 30К; точность до 0,001 К); метод, основанный на температурной зависимости. Мессбауэра эффект (ниже 1 К), метод термошумового термометра с преобразователем на Джозефсона эффект (ниже 1 К). Особо сложно при измерении сверхнизких температур, осуществить тепловой контакт между термометром и средой.

Для обеспечения единства температурных измерений служит Государственный эталон единицы температуры Кельвина, что позволяет в диапазоне 1,5 – 2800 К воспроизводить Международную практическую температурную шкалу (МПТШ- 68). Путем сравнения с эталоном значения температур, передаются образцовым прибором, по которым градуируется, и проверяются рабочие приборы для измерения температур. Образцовыми приборами являются германиевые (1,5 -13,8 К) и платиновые (13,8 – 903,9 и 630,7 С). Термометры сопротивления, платинорадий (90% Pt , 10% Rh) – платиновая термопара (630,7 – 1064,4 С) и оптический пирометр (выше 1064,4 С).

Хронология событий.

11 век - великий врач древности Гален 12-градусная шкала теплового действия лекарств. Градус – по лат. «ступень» температура по латыни – «смех»

Около 1597 года Галилей изготовил первые термометры. Анатом Санкториус из Падуажского университета начал измерять температуру человеческого тела с помощью построенного им термометра.

1636 год введен термин термометр.

1657 год термометр Галилея был усовершенствован Флорентийскими учеными.

В 1701 году Исаак Ньютон опубликовал работу «О шкале, степеней тепла и холода» в которой, впервые описывалось 12-градусная температурная шкала».

В 1703 году Гийом Амонтон описал новый термометр, в котором ввел постоянные точки отсчета – точка кипения воды, и температуру, при которой воздух теряет свою упругость.

В 1724 году немецким физиком Габриелем Фаренгейтом (1686 – 1736) был описан первый современный термометр.

1740 год во Франции вошла в употребление шкала Реомюра (Антуан Реомюр 1683-1757)

1742 год предложена современная шкала Цельсия (Андерс Цельсий 1701-1744)

1848 год английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур и ввел абсолютные нули температур.

1977 год получен жидкий воздух (-193 С =80 К)

1883 год получен жидкий воздух (-263 С=10 К)

1910 год голландский физик Камерлинг – Оннес получил жидкий гелий (-269, 16 С= 4 К)

1930 год в России шкала Реомюра была заменена шкалой Цельсия.

Основные понятия.

Измерение температуры:

Термометр – это прибор, для измерения температуры посредством контакта с исследуемой средой; снабжен шкалой температур для отсчета показаний, в устройстве использовано свойство тел, изменять объем, при нагревании или охлаждении.

Термометрическая величина – это физическая величина, служащая индикатором температуры.

Например, в спиртовом термометре:

Термометрическое тело – спирт.

Термометрическая величина – объем спирта.

Температурные шкалы – системы сопоставления значений температуры, представляющие собой конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства.

Шкала Цельсия t (1 С) – температурная шкала, в которой базовыми точками были приняты =0 С – температура кипения льда, = 100 С – температура кипения воды; интервал между этими значениями разделен на 100 равных частей, называемых градусами Цельсия (С), обозначается буквой.

Её в 1742 году предложил шведский ученый А. Цельсий; шкала широко используется в настоящее время во всем мире.

Шкала Кельвина Т (К) – абсолютная шкала температур; шкала разделена на 100 равных частей величина градуса этой шкалы равен градусу шкалы Цельсия (1 С = 1 К) и называется Кельвин (К); обозначается буквой Т.

0 С = 273 К 100 С = 373 К К = -273 С Т = t С+273 К

И в 1848 году шкала была предложена английским физиком У. Томсоном (лордом Кельвином).

Шкала Фаренгейта t ( F) – температурная шкала, в которой интервал между точками таяния льда и кипения воды разделен на 180 частей – градусов Фаренгейта ( F), точке кипения льда присвоено значение 32 F, точке кипения воды 212 F, обозначается t.

0 С = 32 F 100 С = 212 F t C = 5/9 (t – 32 F)

В 1724 году шкала предложена немецким физиком Д. Г. Фаренгейтом, традиционно применяется в ряде стран (в частности в США, в Англии). Например, по фаренгейту нормальная температура человеческого тела 98 К.

Шкала Реомюра t ( R) – температурная шкала, единицей которой является градус Реомюра ( R), равный 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда 0 R и кипением воды (80 R).

0 С = 0 R 100 C = 80 R 1 R = 1,25 С

В 1738 году шкала предложена французским ученым Р. А Реомюром. В России шкала использовалась до 1930 года, в настоящее время практически вышла из употребления.

Кельвин – единица СИ термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Названа в честь английского физика У. Томсона.

Тройная точка – в термодинамике точка в диаграмме состояния, соответствующая равновесному сосуществованию трех фаз вещества.

Абсолютный нуль температур – это температура, при которой прекращается поступательное движение молекул, он равен - 273 С.

Из истории измерения температуры.

История о том, как научились измерять температуру, интересна и необычна.

Термометры были придуманы за много лет до того, как люди поняли, что измеряют.

Наверное, врачи древности были первыми, кому понадобилось сравнительная и притом довольно точная шкала теплоты тела. Они очень давно заметили, что здоровье человека как – то связано с теплотой его тела и что лекарства способны изменить это качество. Лекарствам приписывалось охлаждающее и согревающее действие, и степень этого воздействия определялось градусами («ступенями по латыни). Но холод и тепло не были качествами: тепло измерялось влажностью, а холод сухостью. Великий врач древности Гален – он жил во 11 веке – учил, что лекарства следует квалифицировать по градусам: градус тепла, градус холода, градус влажности, градус сухости. Итак, градусов было четыре, и каждый градус еще разбивали на три части. Лекарства смешивали между собой, и смеси имели разные градусы. «Смесь» по латыни- температура. Правда Гален не дал численную связь между концентрацией смеси и их градусами.

Таким образом, от древних врачей осталось 12 – градусная шкала теплового действия лекарств.

Но настоящая история науки о теплоте началась с Галилея. Термометры, которые делал Галилей (около 1597 года) состояли из стеклянного шара, наполненного воздухом, от нижней части шара отходила трубка, частично заполненная водой. Эта трубка заканчивалась в сосуде, также наполненном водой. Когда воздух в шаре расширялся или сжимался, уровень воды в стеклянной трубке изменялся, что и служило указанием на температуру; например руки, прикоснувшейся к шару. Однако высота столбика зависела как от температуры, так и от атмосферного давления, и измерять таким термометром температуру сколь – ни будь, точно было невозможно. О барометре же во времена Галилея ничего не знали; и лишь ученик Галилея Э. Торичелли, смог установить связь между высотой столба ртути и атмосферным давлением.

Уже тогда с помощью еще несовершенного термометра врач и анатом Санкториус из Падуажского университета начал измерять температуру человеческого тела. Для этого он, ничего не знал о Галилее и его приборах, построил похожий на галилеевский термометр.

Вообще, искусство изготовления термометров необычайно развивалось в Тоскане, где члены Флорентийской академии впервые стали систематически измерять давление, влажность и температуру воздуха. Термометры были запаяны, их заполняли не водой, а спиртом, и ими можно было измерять даже тогда, когда вода замерзала. Флорентийские мастера были очень искусны. Они изготовляли стеклянные термометры, нанося на них деление раскаленной эмалью, так что ими можно было измерять температуру с точностью примерно в 1 (по нашей шкале).

В 1701 году Исаак Ньютон опубликовал работу «О шкале степеней тепла и холода», в которой впервые описывалась 12 – градусная температурная шкала. Однако понадобилось немало времени, прежде чем пришли к мысли о постоянных точках на шкале температур.

В 1703 году Гийом Амонтон, Комментируя Ньютона, описал в мемуарах Парижской академии новый термометр. В нем измерялось не увеличение объема воздуха при нагревании, а изменение его давления, для чего воздух запирался столбиком ртути. В новом термометре Амонтон ввел постоянные точки отсчета – точку кипения воды (он не знал, что эта температура зависит от давления) и как это ни удивительно, предложил в качестве нуля ту «значительную степень холода», при которой воздух теряет свою упругость. Правда, свой «абсолютный нуль» он выбрал со значительной ошибкой, поместил его по современной шкале температур примерно на 240 ниже нуля. Но все же это было немалое достижение.

Первый современный термометр был описан в 1724 году немецким физиком Габриелем Фаренгейтом (1686 – 1736). Современников удивило то, что спиртовые термометры, изготовленные Фаренгейтом, согласовались между собой. «Секрет» Фаренгейта был в том, что он очень аккуратно наносил деление на шкалу, используя для этого несколько «опорных» постоянных точек. Самую низкую температуру суровой зимы 1709 года он имитировал смесью льда, поваренной соли и нашатыря. Вторую точку ученый получил, погружая термометр в смесь льда и воды. Расстояние между этими двумя точками он разделил на 32 части.

Свою шкалу Фаренгейт проверял, измерял температуру человеческого тела. Новая точка попадала на 98. Позднее он ввел еще и четвертую «опорную» точку – точку кипения воды. Она лежала на 212.

Разные термометры Фаренгейта можно было сверять друг с другом, сравнивая их показания в разных «опорных» точках шкалы. Эти термометры прославились своей прочностью и до сих пор в ходу в Англии и США, поэтому читая английские книги, не следует удивляться, что «мясо надо запечь» при температуре 350 – 400 и что «нормальная температура ребенка 98 С».

Во Франции вошла в употребление шкала Реомюра (около 1740 года), построенная на точках замерзания (0 ) и кипения воды (80 ). Французский естествоиспытатель Рене Антуан Реомюр (1683 – 1757) вывел, что вода расширяется между этими двумя точками на 80 тысячных своего объема. Спирт был вскоре заменен ртутью, коэффициент расширения которой меньше изменялся с температурой, чем у спирта.

Современная шкала Цельсия была предложена в 1742 году. Шведскому физику Андерсу Цельсию (1701 – 1744) не нравились отрицательные температуры, и он счел нужным перевернуть старую шкалу и поместить нуль в точку кипения воды, а 100 – в точку ее замерзания. Но «перевернутая» не приобрела популярности и вскоре была «перевернута» обратно.

В России до революции использовалась шкала Реомюра - термометры Реомюра висели на улицах и во всех домах. Лишь в 1930 году они были вытеснены термометрами Цельсия.

Правила измерения температуры

1. Каждый термометр предназначен для измерения температуры лишь в определенных пределах.

2. Нельзя пользоваться термометром, если измеряемая температура может оказаться ниже или выше установленного для данного термометра предельных значений.

3. Отсчет по термометру надо производить спустя некоторое время, в течение которого он принимает температуру среды.

4. При измерении температуры (кроме медицинского) термометр не должен извлекаться из среды, температуру которой определяют.

5. Глаз наблюдателя, должен находиться на уровне верхнего конца столбняк жидкости наполняющей термометр.

4. Получение холода.

От. до 3 К

Чтобы охладить какой- либо объект, то есть локально пойти «против природы», необходимо не только иметь средства для совершения работы (например, мотор), но и позаботиться об их соединении с двигателем, над которым эта работа может быть совершена (например, мотор может приводить в действие компрессор). В этом состоит более глубокая причина того, что бытовые холодильники лишь сравнительно недавно вошли в нашу жизнь: нагревание происходит естественно, а условия для охлаждения необходимо создавать специально.

Рассмотрим окружающий нас внешний мир: двор за окном, реку или озеро. Используя это окружение в качестве источника теплоты, мы можем, затрачивая всего лишь 73 Дж энергии, практически постоянно получать значительное количество (1073 Дж) теплоты, излучаемое змеевиком нашего холодильника. На этом основан принцип действия теплового насоса, представляющего собой не что иное, как большой холодильник, при работе которого нас интересует, прежде всего, то, что излучается его змеевиком, а не то, что именно охлаждается (в нашем случае это просто пространство за стенами дома).

Справка: Тепловой насос – это холодильное устройство, основная роль которого состоит в выделении теплоты через заднюю стенку. Работа (желтая стрелка) проводится в насосе, чтобы обеспечить перекачку теплоты от холодного окружающего пространства в теплую квартиру. Тепловой насос как бы «фокусирует» энергию.

Тепловой насос можно использовать летом в качестве кондиционера, а зимой – в качестве нагревателя (на рисунке соответственно слева и справа). В обоих случаях внешнее окружающее пространство (воздух за окном) находиться справа от установки, а внутренняя часть квартиры – слева от нее. Зеленым цветом обозначен газ высокого давления, желтым – газ низкого давления; охлаждение происходит в результате расширения газа при прохождении через сопло. В «летнем» варианте (на рисунке – слева) поток рабочего вещества нагревает внешнее окружение (горячий резервуар) и охлаждает внутреннюю часть квартиры (холодный резервуар), в «зимнем» варианте процесс происходит в обратном направлении.

Существуют и другие соображения в пользу применения тепловых насосов. Как и с экологической, так и с экономической точки зрения, бессмысленно использовать энергию, запасенную в горючих ископаемых, исключительно с целью получения теплоты – самого примитивного из возможных способов использования (степень использования теплоты определяется температурой, при которой происходит ее рассеяние). Гораздо выгоднее расходовать минимальное количество этой высококонцентрированной и высококачественной энергии для сбора и концентрации низкокачественной, «подержанной» энергии, окружающей нас со всех сторон, и именно за счет последней обогревает наше жилище. Это было бы экономнее, истинно хозяйское отношение к использованию энергии!

Но как обычно бывает, у экономического аспекта есть оборотная сторона. В настоящее время в условиях широко использования горючих ископаемых в качестве топлива мы по существу проживаем наследство, доставшееся нам от прошлых эпох. Всю энергию, для какой бы цели мы ее не использовали, возникла в результате многовекового накопления, и, извлекая ее, из той или иной локальной области, мы наносим лишь косвенный ущерб природе. Однако если бы применение тепловых насосов получило широкое распространение, нам пришлось использовать сегодняшнюю энергию, в частности энергию, полученную в данный день от Солнца, хотя она, необходима также для подержания других жизненных процессов. В течении длительного периода в году мы стали бы охлаждать почву, понижая ее среднюю температуру.

В действительности, пока никто, точно не знает, не вызовет ли подобный крупномасштабный «сбор» теплоты от окружающей нас сегодня природы, каких – либо нежелательных, и продолжительных экологических последствий (например, может задерживать созревание семян или размножение дождевых червей)

От 3 К до 0,3 К

Для охлаждения за счет эффекта испарения можно использовать жидкости. Синими кружками в левой части рисунка изображена тонкая пленка жидкости, покрывающая теплую поверхность (например, границу объема той же жидкости). Чтобы покинуть поверхность, частицы пленки должны преодолеть притяжение с частицами поверхности и соседними частицами пленки. Для этого им необходима энергия; поэтому, покидая поверхность, частицы пленки уносят энергию, и частицы поверхности становятся невозбужденными (правая часть рисунка). Этот метод позволяет достичь температуры порядка 1К.

От 0,3 до 0,03 К

Чтобы достичь температуры 0,3 К и ниже 0,003 К используется метод адиабатического размагничивания.

В этой области прекращаются не только химические, но и физические явления; в микроструктуре твердых тел царит почти идеальное спокойствие, и даже движение атомов проявляется не более как случайный «шорох» на этом безжизненном фоне.

Справка: Метод адиабатного размагничивания – метод получения температур ниже 1 К путем адиабатического размагничивания парамагнитных веществ. Предложен П. Дебаем и американским физиком У. Джином (1926 г) впервые осуществлен в 1933 году.

Для этого метода используют соли редкоземельных элементов (сульфат гадолиния); хромокалиевые, железоалюминиевые и другие. Кристаллические решетки этих веществ содержат поромагнитные ионы Fe, Cr, Ca, которые разделены в кристаллической решетке большим числом немагнитных ионов и поэтому взаимодействуют между собой слабо: даже при низких температурах, когда тепловое движение значительно ослаблено, силы магнитного взаимодействия не способны упорядочить систему хаотически ориентированных спинов. В этом методе применяются достаточно сильное (несколько десятков кЭ) внешнее магнитное поле, которое, упорядочивая направление спинов, намагничивает парамагнетиков. При выключении внешнего поля (размагничивание парамагнетика) спины под действием теплового движения атомов (ионы) кристаллической решетки вновь приобретают хаотическую ориентацию. Если размагничивание осуществляется адиабатически (в условиях теплоизоляции), то температура парамагнетика понижается.

0т 0,003 до.

Однако это еще не предел на нашем пути вниз. Чтобы еще сильнее «приглушить» движение атомов в качестве «холодильника», следует использовать систему спинов атомных ядер. Обладая электрическим зарядом, они ведут себя как крошечные полосовые магниты, которые можно использовать для охлаждения. Методом ядерного адиабатического размагничивания удалось достичь рекордно низких температур в Солнечной системе, возможно даже в Галактике (и не исключено, что вообще во Вселенной). По существу сам факт достижения такого безграничного холода служит признаком высокоразвитой цивилизацией, поскольку, как мы уже убедились, при этом необходимо преодолеть естественное течение природных изменений. Мировой рекорд холода составил к 1984 году 0,00000002 К, что на десять порядков ниже нормальной температуры, равной 3*10 К. В этом мире почти полного спокойствия («белого безмолвия») практически не действуют никакие из известных физических законов.

Результат 0,00000002 К получен в лабораториях низких температур группами Лоупасма (Хельсинки) и Арагама (Сакле, Франция).

5. «Путешествие».

Путешествие по шкале температуры мы начнем с предметов, окружающих нас в повседневной жизни. Отсюда мы будем двигаться как к более высоким, так и к более низким температурам, совершая каждый раз «скачок» на порядок величины.

1. Электрический разряд - 19500 С

2. Газы в столбе электрической дуги при атмосферном давлении, электросварки 6000 С

3. Поверхность Солнца 6000 С

4. Солнечная печь научных исследований 3600 С

5. Газы в камере ракетного двигателя 3400 С

6. Вольфрам плавится 3380 С

7. Электропечь дуговая 2000-3500 С

8. Нить электролампы 2500 С

9. Двухконтактный карбюраторный двигатель внутреннего сгорания 2300 С

10. Доменный процесс 1500-1800 С

11. Спираль электроплитки 600 С

12. Вода кипит при атмосферном давлении 100 С

13. Температура тела млекопитающих и птиц 37-45 С рыб 29-35 С

14. Средняя температура земного климата 15 С

15. Средняя температура океана 10 С

16. Лед плавится при атмосферном давлении 0 С

17. Плесень растет при -6 С

18. Смесь льда и поваренной соли -20 С

19. Средняя температура в Арктике -57 С

20. Жидкий воздух при кипении -192 С

21. Споры сохраняются при охлаждении до -250 С

22. Семена высших растений сохраняют всхожесть после охлаждения до -269 С

23. Теоретический предел понижения температуры -273,15 С

Вниз по шкале температур

0т 300 К до 30 К – 1 порядок.

С помощью теплового насоса перейдем к температуре на порядок более низкой, чем комнатная, то есть от 300 К к 30 К; последняя лежит ниже точки кипения воздуха и нижней средней температуры поверхности планеты Плутон (которая предполагается равной 40 – 59 кК). Другими словами, мы намерены рассмотреть вещество при температурах, которые, по-видимому, не возникают естественным путем в Солнечной системе. Для достижения таких температур необходимо затратить серьезные усилия, используя при этом весьма сложные устройства.

Итак, мы попали в холодный, мертвый мир, где все химические (и биохимические) реакции, характерные для повседневной жизни, полностью прекращаются. Атомы в молекулах различных веществ все еще совершают колебания, однако теперь их энергии уже недостаточно, чтобы покинуть своих партнеров. Никакие химические изменения уже невозможны; молекулы и состоящие из них вещества навсегда останутся в «замороженном» состоянии.

Тенденция к рассеянию энергии, разумеется, не исчезла; затормозилась только возможность осуществления такого рассеяния. В таком состоянии случаются лишь мелкие, чуть заметные флуктуации энергии, запасенной в химических связях, так что атомы действительно «вмерзают» в занимаемые ими положения. Но такой холодный «замороженный» мир еще остается во власти обычных физических законов: хотя молекулы уже не могут перестраиваться, твердые тела продолжают звучать при ударе по ним. Действительно, хотя атомы пойманы в «ловушку», они не находятся в покое, их колебания с шумом передаются по кристаллической решетке. Химия полностью потеряла свою силу, однако для физики поведение решетки в качественном отношении не отличается от такого в нашем «нормальном» мире – мире «тепловой турбулентности». Представляет интерес новая область физики – физика «тепловой ламинарности», где на фоне очень спокойного, медленного движения частиц проявляются новые тонкие эффекты, в обычных условиях маскируемые беспорядочным движением атомов. Чтобы достичь этой новой области науки физики, необходимо опуститься по шкале температуры вниз еще на один порядок.

От 30 К до 3 К– второй порядок.

Теперь мы попали в мир «теплового спокойствия»; здесь системы атомов в твердых телах уже не создают своими колебаниями теплового шума. В этом мире достаточно спокойно и тихо, чтобы можно было увидеть в действии новую физику, явления которой при более высоких температурах полностью затушевывались интенсивным движением атомов. В частности, теперь может появиться сверхпроводимость – свойство некоторых веществ не оказывать сопротивления протекающему электрическому току.

Явление сверхпроводимости было открыто голландским физиком Камерлинг – Оннесом в 1911 году. Значение этого явления следующим образом резюмировал американский физик М. Земански:

Из всех необычных явлений, происходящих при низких температурах, сверхпроводимость

1) наиболее яркое и захватывающее (электрические токи могут устойчиво циркулировать в металлических кольцах в течении более 10000 лет);

2) наиболее практически полезное (становится возможным изготовление сверхпроводящих магнитов, тепловых реле, гироскопов без трения, а также компактных, быстродействующих и не расходующих мощность компьютеров);

3) Наиболее интересное и интригующее для физиков- теоретиков (сверхпроводимость не удавалось объяснить на протяжении 46 лет после открытия этого явления; только в 1957 году Бардин, Купер и Шриффер разработали адекватную теорию).

Однако из важных применений сверхпроводимости в технике – это создание магнитных полей, необходимых для удержания плазмы в устройствах управляемого термоядерного синтеза. Поддержание нужной для этого низкой температуры возможно лишь при затрате определенной мощности, отбираемой обычно от выходной мощности термоядерного реактора. При удачной конструкции реактора удается понизить затраты мощности примерно 10 МВт при выходной мощности реактора около 1 млн. МВт.

При температуре, лишь немногим меньшей 4 К, а именно при 2,2 К, обнаруживается еще одно явление, родственное сверхпроводимости, - сверхтекучесть. Аналогично тому, как при сверхпроводимости поток электронов существует неопределенно долгое время, при сверхтекучести (которая проявляется только у жидкого гелия) сколь угодно долго сохраняется неизменным, движение самих атомов. Здесь мы вступаем в мир речений жидкости без вязкости, причем сверхтекучая жидкость, свободная от тепловых возмущений, способна проникать в любые уголки и капилляры экспериментальной установки. Весьма соблазнительно подробнее описать эти необычные, но очень полезные свойства вещества, но придется ограничиться лишь кратким упоминанием о них (в списке литературы указаны источники, которые помогут читателю более детально ознакомиться с этими вопросами). Прежде чем мы перейдем к еще более низким температурам, отметим, что температура 3 К имеет значительно более общее значение, а именно: 3 К – это температура окружающего нас космического пространства. Всех нас непрерывно пронизывают излучения различных видов. Если исключить интенсивное излучение Солнца, невидимое излучение, порождаемое космическими лучами, естественную радиоактивность Земли, а также длинноволновые радио- и телевизионные сигналы, в которых мы просто купаемся, то остается еще один вид весьма слабого излучения с длиной волны 3 см, которое было открыто при помощи тщательных экспериментов Пензиаса и Вильсона.

Обнаруженное Пензиасом и Вильсоном излучение называется также космическим микроволновым фоновым излучением. В нем присутствует целый набор длин волн, но максимум его интенсивности лежит вблизи 3 см. Оно обладает всеми свойствами такого излучения, которое излучало бы нагретое тело при температуре около 3 К (точнее 2,7 К). Это излучение было порождено в результате Большого взрыва (и потому иногда называется реликтовым). Согласно современным космологическим моделям, излучение и вещество в ранней Вселенной находились в очень тесном тепловом контакте; только спустя около 700 тыс. лет после Большого взрыва произошло их разделение, а температура Вселенной понизилась примерно до 3000 К. Но и далее Вселенная продолжала расширяться, и длины волн излучения соответственно возрастали; в результате в настоящее время большая часть излучения имеет длину волны порядка 3 см. Однако вещество во Вселенной, лишившись теплового контакта с излучением, остыло за это же время менее существенно. Именно по этой причине на рисунке, где изображен пикник, фактически сосуществуют два мира. Один из них – мир теплового вещества (его температура в месте проведения пикника около 300 К), на расстоянии всего лишь нескольких световых минут от него расположен другой сгусток вещества со значительно более высокой температурой – это Солнце (температура его поверхности, фотосферы, около 6000 К). Наряду с этим, существует и другой мир – мир невидимого космического фонового излучения, мир холодного, всепроникающего излучении с температурой всего 3 К. Все жизненные процессы разыгрываются на этом холодном фоне, и мы всего лишь малые горячие крупинки в необъятных холодных просторах космоса.

От 3 до 0,3 К- третий порядок.

Спустимся вниз по шкале температур еще на один порядок: от 3 К до 0,3 К. Осуществить столь глубокое охлаждение можно только в два этапа: сначала достигается температура 1К, а уж затем придем к конечному результату В середине XVIII века Уильям Кален, профессор химии Эдинбургского университета, изобрел холодильник, принцип действия которого бы основан на охлаждении, производимом при откачивании паров воды.

Вверх по шкале температур.

От 300 К до 3000 К

Сначала повысим температуру с 300 К до 3000 К (этого более чем достаточно, чтобы бедняги согрелись). Лишь считанное число вещества не плавится при столь высокой температуре (самой высокой точкой плавления, 3387 К, или 3114 С, обладает металл вольфрам). При этих условиях атомы, связанные между собой силами взаимодействия, в своем стремлении покинуть вещество уже не зависят от случайных и хаотических локальных скоплений энергии: энергии теперь более чем достаточно для обеспечения произвольных движений атомов. В частности, высвобождаются атомы, входящие в состав сложных по структуре и легко подверженных разрушению молекул, образующих живую материю; при этом возникают более простые и устойчивые формы молекул. Вместо белков создается двуокись углерода, молекулы которой впоследствии разлагаются на отдельные атомы. Химические связи отныне уже не препятствуют возникновению хаоса, так как атомы теперь могут задерживаться где угодно, а понятие молекулы становится для атомов лишь «воспоминанием» о холодном прошлом.

Температура 3000 К, при которой химические взаимодействия полностью исчезают, характерна еще тем, что при такой температуре большинство электронов освобождается от «родительской опеки» атомов: теперь у них достаточно энергии, чтобы, покинув свои ядра, разлетятся на далекие расстояния. Участники пикника при этой температуре превращаются в плазму – своеобразный газ, состоящий из ядер и электронов. Кроме того, поскольку заряженные частицы взаимодействуют с электромагнитным излучением и способны поглощать и излучать свет, окружающий мир теряет прозрачность. Горячие заряженные частицы могут сталкиваться друг с другом, а также с фотонами – квантами электромагнитного поля; при этом энергия свободно переходит от вещества к излучению и наоборот. Следовательно, температуры электромагнитного излучения и вещества сравниваются. Между этими двумя видами материи устанавливается тепловой контакт, и с точки зрения тепловых свойств, Вселенная вновь становится единым целым.

Подчеркнем еще раз: Вселенная в целом вновь приходит в состояние теплового равновесия (по крайней мере, локально – там, где происходит нагревание). Дело в том, что в ходе эволюции ранней Вселенной этот этап был достигнут по мере ее охлаждения, и произошло это примерно через 700 тыс. лет после Большого взрыва, когда температура понизилась примерно до 3000 К, и Вселенная вдруг обрела прозрачность. До этого момента вселенная была более горячей, электроны и ядра еще не объединились в атомы, и космос был наполнен ярко светящимся, но непрозрачным газом. Когда температура опустилась ниже 3000 К, электроны присоединились к ядрам (представленным в основном протонами – среди всех элементов тогда преобладал водород). При этом интенсивность взаимодействия света с веществом упала, и свет уже не задерживался веществом; прозрачность стала всеобщим свойством Вселенной – именно это свойство при нынешних температурах позволяет нам столь далеко заглядывать как в пространство, так и во время (разумеется, в прошлое, а не в будущее). Таким образом, когда температура понизилась до 3000 К, мир стал видимым. Наблюдатель, путешествующий по шкале температур вниз от 3000 К, перейдя к температурам на порядок ниже, был бы поражен богатой и сложной структурой мира, возникшей при относительном тепловом спокойствии в диапазоне температур около 300 К.

При температуре 3000 К исчезают всякие следы пикника. При еще более высоких температурах высвобождаются уже не только электроны, но и нуклоны – частицы, входящие в состав ядра и связанные друг с другом очень сильными взаимодействиями. При температуре 30 млрд. К (что в 2000 раз превышает температуру внутри Солнца) уже ни одно ядро не уцелеет: повсюду в распоряжении нуклонов будет такое количество энергии, что они, преодолев силы, связывающие их с соседями, смогут внести уже и нуклоны; подобные условия имели место в ранней Вселенной спустя примерно сотую долю секунды после Большого взрыва. Рассуждая, таким образом, мы не учитываем существенных различий в плотностях, обусловленных тем, что при нагревании Вселенная в данном случае не сжимается.

Температуры выше бесконечной.

Может показаться, что наше путешествие по шкале температур должно закончиться с приближением температуры к бесконечно высокому значению. Оказывается, однако, что с учетом данного ранее (косвенного и довольно хитроумного) определения температуры путешествие удается продолжить. В некотором смысле можно даже утверждать, что степень нагретости, соответствующая температуре выше бесконечной, вполне достижима. Чтобы убедиться в этом, обратимся вновь к модельной Вселенной, в которой число возбужденных атомов теперь превышает число невозбужденных. Такое состояние невозможно достичь естественным путем с применением обычных способов теплообмена, поскольку во всех реальных тепловых резервуарах (термостатах) возбужденных атомов меньше, чем невозбужденных. Поэтому естественное стремление энергии к рассеянию никогда не могло бы привести к возникновению такой части Вселенной, где соотношение числа возбужденных и невозбужденных атомов было бы обратным.

К числу систем с такой температурой относится, например, лазеры.

СПРАВКА: Лазер – оптический квантовый генератор, устройство, генерирующее электромагнитные волны за счет вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе.

Принцип действия лазера.

Свет от источника возбуждения (оптической накачки) возбуждает атомы активной среды, переводя их на верхний уровень энергии. При этом возбуждение затрагивает очень много атомов, и температура системы становится отрицательной. При возвращении одного из атомов в исходное состояние с меньшей энергией испускается один фотон. Этот фотон в свою очередь вынуждает другой атом также испустить фотон той же частоты. Под воздействием этих фотонов третий атом испускает фотон и так далее; процесс развивается лавинообразно. В результате возникает огромное число фотонов, которые и формируют яркий луч когеретного излучения лазера.

6. Заключение

Мы совершили путешествие в область мрачного и холодного покоя, где известные законы практически перестают действовать. Мы побывали и в области испепеляющего жара, где стирается различие между веществом и излучением. Нам довелось познакомиться с новой областью термодинамики, где властвуют отрицательные температуры, обещающие пополнить наш опыт. Мы убедились в том, что хаос можно использовать для того, чтобы воспрепятствовать естественному ходу процессов в физических системах (образно говоря, оказалось, что шум может породить тишину). В дальнейшем мы постараемся плодотворно использовать эти конструктивные возможности хаоса и увидим, как хаос может приводить к явлениям, на первый взгляд противоречащим законам природы, - в частности он обусловливает самое удивительное и, казалось бы, «противоестественное» явление - жизнь.