Τι είναι το Απόλυτο Μηδέν; Θερμοκρασία σε Κέλβιν, Κελσίου και Φαρενάιτ

Απόλυτο μηδέν ορίζεται ως η θερμοκρασία στην οποία ένα ψυχόμενο ιδανικό αέριο βρίσκεται στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση. Με άλλα λόγια, είναι το σημείο στο οποίο δεν μπορεί να αφαιρεθεί άλλη θερμότητα. Ενώ το σημείο βρασμού και το σημείο τήξης εξαρτώνται από τη φύση ενός υλικού, το απόλυτο μηδέν είναι το ίδιο για όλες τις ουσίες. Η ύλη εμφανίζει ασυνήθιστες ιδιότητες καθώς βρίσκεται κοντά στο απόλυτο μηδέν, συμπεριλαμβανομένης της υπεραγωγιμότητας, της υπερρευστότητας και του σχηματισμού της κατάστασης της ύλης που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein.

Απόλυτο μηδέν σε Kelvin, Celsius και Fahrenheit

Το απόλυτο μηδέν είναι 0 K, -273,15 °C ή -459,67 °F. Σημειώστε ότι η θερμοκρασία Kelvin δεν έχει σύμβολο βαθμού. Αυτό συμβαίνει επειδή η κλίμακα Kelvin είναι μια απόλυτη κλίμακα, ενώ οι κλίμακες Κελσίου και Φαρενάιτ είναι σχετικές κλίμακες που βασίζονται στο σημείο πήξης του νερού.

Πώς λειτουργεί το απόλυτο μηδέν

Μια κοινή παρανόηση για το απόλυτο μηδέν είναι ότι η ύλη σταματά να κινείται ή παγώνει στη θέση της. Θεωρητικά, το απόλυτο μηδέν είναι η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία, αλλά δεν είναι η χαμηλότερη δυνατή κατάσταση ενθαλπίας. Αυτό συμβαίνει επειδή το απόλυτο μηδέν ορίζεται για ένα ιδανικό αέριο. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η πραγματική ύλη αποκλίνει από την ιδανική συμπεριφορά αερίου. Στο απόλυτο μηδέν, η ύλη βρίσκεται στη χαμηλότερη ενεργειακή της κατάσταση, αλλά εξακολουθεί να έχει κάποια ενέργεια από τη δόνηση των χημικών δεσμών, τις τροχιές των ηλεκτρονίων και τις κινήσεις εντός του ατομικού πυρήνα. Η μείωση της θερμοκρασίας στο απόλυτο μηδέν είναι όπως όταν ένα άτομο επιβραδύνει από το τρέξιμο στο να σταθεί ακίνητο. Το μεγαλύτερο μέρος της κινητικής ενέργειας αφαιρείται, αλλά η καρδιά ενός ατόμου χτυπά, οι πνεύμονες εισπνέουν και εκπνέουν και υπάρχει ακόμα δυνητική ενέργεια.

Μπορούμε ποτέ να φτάσουμε στο απόλυτο μηδέν;

Σύμφωνα με τους νόμους της θερμοδυναμικής, δεν είναι δυνατό να φτάσουμε στο απόλυτο μηδέν μόνο χρησιμοποιώντας θερμοδυναμικές μεθόδους. Μπορούμε να πλησιάσουμε πολύ, πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν, αλλά δεν μπορούμε ποτέ να το φτάσουμε, χάρη σε μεγάλο βαθμό στην Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg. Για οποιοδήποτε σωματίδιο, δεν μπορείτε να γνωρίζετε την ορμή και την ακριβή του θέση. Στο απόλυτο μηδέν, η ορμή είναι μηδέν. Βασικά, ακόμα κι αν οι επιστήμονες πετύχουν το απόλυτο μηδέν, δεν μπορούν να το μετρήσουν.

Όμως, μπορούμε να φτάσουμε πολύ, πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν! Το 2015, επιστήμονες στο MIT ψύξαν ένα μείγμα αέριων ατόμων νατρίου και καλίου στα 450 νανοκέλβιν. Η διαστημική έρευνα έχει τη δυνατότητα να προχωρήσει ακόμη περισσότερο. Το Εργαστήριο Ψυχρού Ατόμου (CAL) είναι ένα πείραμα σχεδιασμένο για τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό που μπορεί να επιτύχει θερμοκρασία τόσο χαμηλή όσο 10 πικοκέλβιν (10-12 Κ).

Η πιο κρύα θερμοκρασία που έχει καταγραφεί ποτέ

Μπορεί να σας εκπλήξει όταν μάθετε ότι οι πιο χαμηλές θερμοκρασίες που έχουν καταγραφεί ποτέ παράγονται σε εργαστήρια εδώ στη Γη. Λόγω της ακτινοβολίας υποβάθρου, το βαθύ διάστημα δεν είναι πραγματικά τόσο κρύο (2,73 K). Μέχρι στιγμής, το νεφέλωμα Μπούμερανγκ είναι το πιο κρύο μέρος στη φύση, με θερμοκρασία περίπου 1 Κ.

Αρνητική θερμοκρασία Kelvin

Ενώ δεν μπορούμε να φτάσουμε στο απόλυτο μηδέν, το 2013 οι ερευνητές έφτιαξαν ένα κβαντικό αέριο ατόμων καλίου που πέτυχε αρνητικές θερμοκρασίες Kelvin όσον αφορά τους βαθμούς ελευθερίας της κίνησης. Αν και είναι αντιδιαισθητικό, οι αρνητικές θερμοκρασίες δεν είναι στην πραγματικότητα πιο ψυχρές από το απόλυτο μηδέν. Στην πραγματικότητα, μπορεί να θεωρηθούν απείρως θερμότερες από μια θετική θερμοκρασία.

Κάτω από το απόλυτο μηδέν, η ύλη εμφανίζει παράξενες ιδιότητες. Για παράδειγμα, αν και τα άτομα έλκονται μεταξύ τους και ασκούν αρνητική πίεση, η ύλη δεν καταρρέει. Θεωρητικά, ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης που λειτουργεί κάτω από το απόλυτο μηδέν θα μπορούσε να έχει θερμοδυναμική απόδοση μεγαλύτερη από 100%.

Αναφορές

• Arora, C. P. (2001). Θερμοδυναμική . Tata McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-462014-4.
• Medley, Patrick, et al. (Μάιος 2011). "Ψύξη απομαγνητισμού με κλίση περιστροφής υπερψυχρού ατόμων." Επιστολές φυσικής ανασκόπησης. 106. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301
• Merali, Zeeya (2013). «Το κβαντικό αέριο πηγαίνει κάτω από το απόλυτο μηδέν». Φύση . doi:10.1038/nature.2013.12146