Absolute Null ist die theoretische Temperatur, bei der Wärmegewicht seinen minimalen Wert erreicht. Die Gesetze der Thermodynamik stellen fest, dass absolute Null mit nur thermodynamische Mittel nicht erreicht werden kann.

Ein System an der absoluten Null besitzt noch Quant mechanische Nullpunktsenergie, die Energie seines Boden-Staates. Die kinetische Energie des Boden-Staates kann nicht entfernt werden. Jedoch in der klassischen Interpretation ist es Null, und die Thermalenergie der Sache verschwindet.

Der Nullpunkt jeder thermodynamischen Temperaturskala, wie Kelvin oder Rankine, wird an der absoluten Null gesetzt. Durch das internationale Übereinkommen wird absolute Null als auf der Skala von Kelvin und als 273.15 ° auf der Celsiusskala definiert. Das entspricht zu 459.67 ° auf der Skala von Fahrenheit und 0 R auf der Skala von Rankine. Wissenschaftler haben Temperaturen sehr in der Nähe von der absoluten Null erreicht, wo Sache Quant-Effekten wie Supraleitfähigkeit und Superflüssigkeit ausstellt.

Geschichte

Einer der ersten, um die Möglichkeit einer absoluten minimalen Temperatur zu besprechen, war Robert Boyle. Sein 1665 Neue Experimente und Beobachtungen rührende Kälte, artikuliert der Streit bekannt als der primum frigidum. Das Konzept war unter Naturforschern der Zeit weithin bekannt. Einige haben behauptet, dass eine absolute minimale Temperatur innerhalb der Erde (als eines der vier so genannten "Elemente"), andere innerhalb von Wasser vorgekommen ist, lüften andere, und noch viele kürzlich innerhalb von nitre. Aber sie alle sind geschienen, dass zuzugeben, "Es gibt einen Körper oder anderen, der seiner eigenen Natur höchst Kälte und durch die Teilnahme ist, deren alle anderen Körper diese Qualität erhalten."

Beschränken Sie auf den "Grad der Kälte"

Die Frage, ob es eine Grenze zum Grad der Kälte möglich gibt, und, wenn so, wohin die Null gelegt werden muss, wurde zuerst vom französischen Physiker Guillaume Amontons 1702 im Zusammenhang mit seinen Verbesserungen im Luftthermometer gerichtet. In seinem Instrument wurden Temperaturen durch die Höhe angezeigt, an der eine Säule von Quecksilber durch eine bestimmte Masse von Luft, dem Volumen, oder "Frühling" gestützt wurde, dessen geändert mit der Hitze zu der es ausgestellt wurde. Amontons hat deshalb behauptet, dass die Null seines Thermometers sein würde, dass Temperatur, bei der der Frühling der Luft darin auf nichts reduziert wurde. Auf der Skala hat er verwendet, der Siedepunkt von Wasser wurde an +73 und der Schmelzpunkt des Eises an 51 gekennzeichnet, so dass die Null seiner Skala zu ungefähr 240 auf der Celsiusskala gleichwertig war.

Diese nahe Annäherung an den modernen Wert von 273.15 °C für die Null des Luftthermometers wurde weiter 1779 von Johann Heinrich Lambert übertroffen, der bemerkt hat, dass 270 °C als absolute Kälte betrachtet werden könnten.

Werte dieser Ordnung für die absolute Null wurden jedoch über diese Periode nicht allgemein akzeptiert. Pierre-Simon Laplace und Antoine Lavoisier, in ihrer 1780-Abhandlung auf der Hitze, haben Werte im Intervall von 1,500 bis 3,000 unter dem Gefrierpunkt von Wasser erreicht und haben gedacht, dass jedenfalls es mindestens 600 unten sein müssen. John Dalton in seiner Chemischen Philosophie hat zehn Berechnungen dieses Werts gegeben, und hat schließlich 3000 °C als die natürliche Null der Temperatur angenommen.

Die Arbeit von Herrn Kelvin

Nachdem J.P. Joule die mechanische Entsprechung von der Hitze bestimmt hatte, hat sich Herr Kelvin der Frage aus einem völlig verschiedenen Gesichtspunkt genähert, und 1848 hat eine Skala der absoluten Temperatur ausgedacht, die der Eigenschaften jeder besonderen Substanz unabhängig war und allein auf den grundsätzlichen Gesetzen der Thermodynamik basiert hat. Es ist aus den Grundsätzen gefolgt, auf denen diese Skala gebaut wurde, dass seine Null an 273.15 °C, an fast genau demselben Punkt wie die Null des Luftthermometers gelegt wurde.

Sehr niedrige Temperaturen

Die durchschnittliche Temperatur des Weltalls wegen der kosmischen Mikrowellenhintergrundradiation ist heute 2.73 K.

Absolute Null kann künstlich nicht erreicht werden, obwohl es möglich ist, Temperaturen in der Nähe davon durch den Gebrauch von cryocoolers zu erreichen. Der Gebrauch des Laserabkühlens hat Temperaturen weniger als ein Milliardstel eines kelvin erzeugt. Bei sehr niedrigen Temperaturen in der Nähe von der absoluten Null stellt Sache viele ungewöhnliche Eigenschaften, einschließlich der Supraleitfähigkeit, Superflüssigkeit und Kondensation von Bose-Einstein aus. Um solche Phänomene zu studieren, haben Wissenschaftler gearbeitet, um noch niedrigere Temperaturen zu erhalten.

• Der aktuelle Weltrekord wurde 1999 an 100 picokelvins (pK), oder 0.000 000 000 1 eines Kelvins, durch das Abkühlen der Kerndrehungen in einem Stück von Rhodium-Metall gebrochen.
• Im November 2000 wurden Kerndrehungstemperaturen unter 100 pK wegen eines Experimentes an der Helsinkier Universität des Niedrigen Temperaturlaboratoriums der Technologie berichtet. Jedoch war das die Temperatur eines besonderen Grads der Freiheit ein Quant-Eigentum hat Kerndrehung nicht die gesamte durchschnittliche thermodynamische Temperatur für alle möglichen Grade in der Freiheit genannt.
• Im Februar 2003, wie man beobachtete, hatte der Bumerang-Nebelfleck Benzin mit einer Geschwindigkeit 500,000 kph (mehr als 300,000 Meilen pro Stunde) seit den letzten 1,500 Jahren veröffentlicht. Das hat es zu etwa 1 K, wie abgeleitet, durch die astronomische Beobachtung abgekühlt, die die niedrigste natürliche jemals registrierte Temperatur ist.
• Im Mai 2005 hat die Europäische Weltraumorganisation Forschung im Raum vorgeschlagen, um femto-kelvin Temperaturen zu erreichen.
• Im Mai 2006 hat das Institut für die Quant-Optik an der Universität Hanovers Details von Technologien und Vorteile der femto-kelvin Forschung im Raum gegeben.

Thermodynamik in der Nähe von der absoluten Null

Bei Temperaturen in der Nähe von 0 K hört fast die ganze molekulare Bewegung auf und, wenn Wärmegewicht = S, ΔS = 0 für jeden adiabatischen Prozess. Reine Substanzen können vollkommene Kristalle als T  0 (ideal) bilden. Die starke Form von Max Planck des dritten Gesetzes der Thermodynamik stellt fest, dass das Wärmegewicht eines vollkommenen Kristalls an der absoluten Null verschwindet. Der ursprüngliche Hitzelehrsatz von Nernst erhebt den schwächeren und weniger umstrittenen Anspruch, dass sich die Wärmegewicht-Änderung für jeden isothermischen Prozess Null als T  0 nähert:

Die Implikation ist, dass sich das Wärmegewicht eines vollkommenen Kristalls einfach einem unveränderlichen Wert nähert.

Eine noch stärkere Behauptung ist, dass Es durch jedes Verfahren unmöglich ist, die Temperatur eines Systems zur Null in einer begrenzten Zahl von Operationen zu reduzieren. ( Guggenheim, p. 157)

Ein vollkommener Kristall ist derjenige, in dem sich die innere Gitter-Struktur ununterbrochen in allen Richtungen ausstreckt. Die vollkommene Ordnung kann durch die Übersetzungssymmetrie vorwärts drei (nicht gewöhnlich orthogonal) Äxte vertreten werden. Jedes Gitter-Element der Struktur ist in seinem richtigen Platz, ob es ein einzelnes Atom oder eine molekulare Gruppierung ist. Für Substanzen, die zwei (oder mehr) stabile kristallene Formen, wie Diamant und Grafit für Kohlenstoff haben, gibt es eine Art "chemische Entartung". Die Frage bleibt, ob beide Nullwärmegewicht an T = 0 haben können, wenn auch jedem vollkommen befohlen wird.

Vollkommene Kristalle kommen nie in der Praxis vor; Schönheitsfehler und sogar komplette amorphe Materialien, werden einfach in" bei niedrigen Temperaturen "eingefroren, so kommen Übergänge zu mehr stabilen Zuständen nicht vor.

Mit dem Modell von Debye sind die spezifische Hitze und das Wärmegewicht eines reinen Kristalls zu T proportional, während der enthalpy und das chemische Potenzial zu T. proportional sind (Guggenheim, p. 111) Diese Mengen fallen zu ihrem T = 0 Begrenzungswerte und Annäherung mit dem Nullhang. Für die spezifische Hitze mindestens ist der Begrenzungswert selbst bestimmt Null, wie unterstützt, durch Experimente zu unter 10 K. Sogar das weniger ausführliche Modell von Einstein zeigt diesen neugierigen Fall in der spezifischen Hitze. Tatsächlich verschwindet die ganze spezifische Hitze an der absoluten Null, nicht nur diejenigen von Kristallen. Ebenfalls für den Koeffizienten der Thermalvergrößerung. Die Beziehungen von Maxwell zeigen, dass verschiedene andere Mengen auch verschwinden. Diese Phänomene wurden unvorausgesehen.

Seit der Beziehung zwischen Änderungen in Gibbs ist freie Energie (G), der enthalpy (H) und das Wärmegewicht

so, da sich T Abnahmen, ΔG und ΔH nähern (so lange ΔS begrenzt wird). Experimentell wird es gefunden, dass alle spontanen Prozesse (einschließlich chemischer Reaktionen) auf eine Abnahme auf G hinauslaufen, als sie zu equilbrium weitergehen. Wenn ΔS und/oder T, die Bedingung ΔG klein

Dieser Staat der Sache wurde zuerst von Satyendra Nath Bose und Albert Einstein in 1924-25 vorausgesagt. Bose hat zuerst eine Zeitung Einstein auf der Quant-Statistik von leichten Quanten (jetzt genannt Fotonen) gesandt. Einstein war beeindruckt, hat das Papier selbst aus dem Englisch zu Deutsch übersetzt und hat es für Bose zu Zeitschrift für Physik vorgelegt, der es veröffentlicht hat. Einstein hat dann die Ideen von Bose zu materiellen Partikeln (oder Sache) in zwei anderen Zeitungen erweitert.

Siebzig Jahre später wurde das erste gasartige Kondensat von Eric Cornell und Carl Wieman 1995 an der Universität Colorados am Felsblock NIST-JILA Laboratorium mit einem Benzin von Rubidium-Atomen erzeugt, die zu 170 nanokelvin (nK) abgekühlt sind.

Eine kalte Rekordtemperatur 450 ±80 pK in einem Kondensat von Bose-Einstein (BEC) von Natriumsatomen wurde 2003 von Forschern an MIT erreicht. Es ist beachtenswert, dass die Maximalausstrahlungswellenlänge des schwarzen Körpers dieser Aufzeichnung von 6,400 Kilometern grob der Radius der Erde ist.

Skalen der absoluten Temperatur

Absolute oder thermodynamische, Temperatur wird in kelvins (Celsiuserkletterte Zunahme) und in der Skala von Rankine (von Fahrenheit schuppige Zunahme) mit der zunehmenden Seltenheit herkömmlich gemessen. Maß der absoluten Temperatur wird durch eine multiplicative Konstante einzigartig bestimmt, die die Größe des "Grads" angibt, so sind die Verhältnisse von zwei absoluten Temperaturen, T/T, dasselbe in allen Skalen. Die durchsichtigste Definition dieses Standards kommt aus dem Vertrieb von Maxwell-Boltzmann. Es kann auch in der Fermi-Dirac Statistik (für Partikeln der Drehung der halbganzen Zahl) und Statistik von Bose-Einstein (für Partikeln der Drehung der ganzen Zahl) gefunden werden. Alle von diesen definieren die Verhältniszahlen von Partikeln in einem System als das Verringern von Exponentialfunktionen der Energie (am Partikel-Niveau) über kT, mit k das Vertreten vom Boltzmann unveränderlich und T das Darstellen der am makroskopischen Niveau beobachteten Temperatur.

Negative Temperaturen

Temperaturen, die als negative Zahlen auf dem vertrauten Celsius- oder den Skalen von Fahrenheit ausgedrückt werden, sind einfach kälter als die Nullpunkte jener Skalen. Bestimmte Systeme können aufrichtig negative Temperaturen erreichen; d. h. ihre thermodynamische Temperatur (ausgedrückt in kelvin) kann einer negativen Menge sein. Ein System mit einer aufrichtig negativen Temperatur ist nicht kälter als absolute Null. Eher ist ein System mit einer negativen Temperatur heißer als jedes System mit einer positiven Temperatur im Sinn, dass, wenn ein Negativ-Temperatursystem und ein Positiv-Temperatursystem in Berührung kommen, Hitze von der Verneinung - zum Positiv-Temperatursystem fließen wird.

Die meisten vertrauten Systeme können negative Temperaturen nicht erreichen, weil das Hinzufügen der Energie immer ihr Wärmegewicht vergrößert. Jedoch haben einige Systeme einen maximalen Betrag der Energie, die sie halten können, und weil sie sich dieser maximalen Energie nähern, beginnt ihr Wärmegewicht wirklich abzunehmen. Weil Temperatur durch die Beziehung zwischen Energie und Wärmegewicht definiert wird, wird die Temperatur solch eines Systems negativ, wenn auch Energie hinzugefügt wird. Infolgedessen, der Faktor von Boltzmann für Staaten von Systemen an negativen Temperaturzunahmen aber nicht Abnahmen mit der zunehmenden Zustandenergie. Deshalb kann kein ganzes System, d. h. einschließlich der elektromagnetischen Weisen, negative Temperaturen haben, da es keinen höchsten Energiestaat gibt, so dass die Summe der Wahrscheinlichkeiten der Staaten für negative Temperaturen abweichen würde. Jedoch, für Quasigleichgewicht-Systeme (z.B. Drehungen aus dem Gleichgewicht mit dem elektromagnetischen Feld) dieses Argument gilt nicht, und negative wirksame Temperaturen sind erreichbar.

Siehe auch

• Absoluter heißer
• Delisle erklettern
• Hitze
• SEINE 90
• Größenordnungen (Temperatur)
• Temperatur von Planck
• Thermodynamische (absolute) Temperatur
• Dreifacher Punkt
• Ultrakaltes Atom
• Kinetische Energie
• Wärmegewicht

Weiterführende Literatur

Links

• "Absolute Null": ein zwei Teil NOVA Episode
• "Was ist absolute Null?" Zeitschrift des Staates Lansing
• "Verging auf absolutem" Nullweltall Online-