Какая температура принята 0 градусов
Физические явления, ежесекундно происходящие в каждой точке Вселенной, бывают как просты, так и сложны одновременно. Ежедневно ученые бьются над разгадкой их тайн, желая подчинить себе законы природы. Одна из таких тайн – это явление под названием «Абсолютный нуль».
В чем заключается его суть? Можно ли достичь абсолютного нуля? И почему он соответствует значению -273,15°С?
Что такое температура?
Прежде чем затронуть более глубокий вопрос, стоит разобраться в таком простом понятии, как температура. Что это такое? Под температурой тела подразумевают степень его нагретости.
Согласно термодинамике, данная степень находится в тесной взаимосвязи со скоростью движения молекул тела. В зависимости от его состояния, молекулы либо хаотически движутся (газообразное, жидкое), либо упорядочены и заключены в решетки, но при этом колеблются (твердое). Хаотичное движение молекул еще называют броуновским движением.
Таким образом, нагрев тела лишь увеличивает его энтропию, то есть хаотичность и интенсивность движения частиц. Если твердому телу передать тепловую энергию, его молекулы из более упорядоченного состояния начнут переходить в состояние хаотичное. Материя станет плавиться и превратится в жидкость.
Молекулы данной жидкости будут разгоняться все быстрее, и после точки кипения состояние тела начнет переходить в газообразное. А что если провести обратный опыт? Молекулы охлаждаемого газа станут замедляться, в результате чего он начнет процесс конденсации.
Газ превратиться в жидкость, которая затем затвердеет и перейдет в состояние твердого тела. Его молекулы упорядочены, и каждая находится в узле кристаллической решетки, но при этом все же колеблется. Охлаждение твердого тела приведет к тому, что это колебание будет становиться все менее заметным.
А можно ли охладить тело настолько, чтобы молекулы и вовсе замерли на месте? Этот вопрос будет рассмотрен позже. А пока стоит остановиться еще раз на том, что такое понятие, как температура, независимо от способа ее измерения (шкала Цельсия, Фаренгейта или Кельвина) – это все лишь удобная физическая величина, помогающая передать информацию о кинетической энергии молекул того или иного тела.
Почему -273,15°С?
Существует несколько систем измерения температуры – это градусы по Цельсию и Фаренгейту, и Кельвины. Упоминая абсолютный нуль, физики имеют в виду именно последнюю шкалу, которая, по сути, является абсолютной. Потому что начальной точкой шкалы Кельвина является абсолютный нуль.
При этом в ней отсутствуют отрицательные значения. В физике при измерении температур используются Кельвины. По Фаренгейту это значение соответствует -459,67°F.
В системе привычного всем Цельсия абсолютный нуль равен -273,15°С. Все потому, что разработавший ее шведский астроном Андрес Цельсий решил упростить систему, сделав ее основными точками температуру таяния льда (0°С) и температуру закипания воды (100°С). Согласно Кельвину температура замерзания воды это 273,16 К.
То есть разница между системой Кельвина и Цельсия составляет 273,15°. Именно из-за данной разницы абсолютный ноль соответствует такой отметке на шкале Цельсия. Но откуда же взялся этот ноль?
Что же такое абсолютный нуль?
В изложенном выше примере с охлаждением твердого тела было показано, что чем ниже его температура, тем более упорядочено ведут себя молекулы. Их колебания замедляются, а при температуре -273,15°С они совершенно «замерзают». Можно сказать, что при абсолютном нуле молекулы абсолютно замедляются и прекращают движение.
Правда, согласно принципу неопределенности, мельчайшие частицы все равно будут осуществлять минимальное движение. Но это уже понятия квантовой физики. Поэтому абсолютный ноль не подразумевает совершенный покой, однако он подразумевает полный порядок среди частиц твердого тела.
Исходя из данного контекста, абсолютный нуль – этот та минимальная граница температуры, которую способно иметь физическое тело. Ниже уже некуда. Более того, еще никто и никогда не добивался температуры тела, равной абсолютному нулю. Согласно законам термодинамики достижение абсолютного нуля является невозможным.
Источник
Задумывались ли вы когда-нибудь, почему абсолютный ноль составляет именно -273,15 градусов Цельсия, а не -250 °C или -300 °C? И что вообще определяет температуру вещества? Ответ на вопрос довольно прост — скорость движения молекул или атомов вещества, которая обуславливается сообщаемой ему энергией.
Снижение температуры нагретого тела равно снижению скорости движения его атомов, а их «остановка» будет означать, что тело более не излучает тепловой энергии, находясь в состоянии полного термодинамического покоя. Это и будет температурой абсолютного нуля, недостижимого на практике. Но даже при абсолютном ноле молекулы и атомы не станут абсолютно неподвижными – некоторые колебания все равно будут происходить. Это следует из принципа неопределенности Гейзенберга.
С этим понятно, а что насчет перемещения в противоположную сторону температурной шкалы, иначе говоря, есть ли предел у высокой температуры?
Если отталкиваться от примера с абсолютным нулем, вещество должно прекратить нагреваться, как только составляющие его элементарные частицы достигнут скорости света, ибо выше ее ничего двигаться не может. Однако это не совсем так. Вы можете сообщать веществу энергию и после того, как будет достигнут предел скорости движения частиц, и всё же, как считают физики, в какой-то момент вещество больше не сможет становиться еще более горячим.
Опираясь на известные научные данные, проведем мысленный эксперимент и посмотрим, что будет происходить при «бесконечном» нагревании, к примеру, воды.
Источник изображения: esa.int
При достижении нескольких тысяч градусов молекулы превращенной в пар жидкости начнут распадаться на кислород и водород, а если продолжить нагрев дальше, материя начнет распадаться уже на уроне атомов. В результате получится состоящая из электронов и атомных ядер ионизированная плазма. Если продолжить нагрев, при достижении порядка 20 млрд градусов наступит очередь ядер атомов, которые распадутся на протоны и нейтроны.
При 2 триллионов градусов разорвутся самые крепкие связи, и мы получим бульон из фундаментальных частиц, именуемых кварками и глюонами. Но и это не предел…
Увеличьте температуру глюонового супа в 1000 раз, и вы превратите материю в чистую радиацию, наподобие света. Но система всё еще готова принять огромное количество энергии и продолжать разогреваться. Насколько далеко это может зайти? Вплоть до того момента, когда «сжатая» в пространстве энергия не начнет образовывать черные дыры, которые тут же будут распадаться до состояния низкоэнергетического излучения.
Источник изображения: zidbits.com
Это и есть известный науке предел накопления энергии, соответствующий температуре 1,416808* 10^32 Кельвина, именуемой планковской. Только вот энергии во Вселенной еще больше, а значит гипотетически мы можем продолжить накачивать ею систему.
Что произойдет или должно произойти при преодолении порога планковской температуры?
Возможно, это привело бы к рождению новой Вселенной или к чему-то такому, чего мы пока не можем представить. А если честно, на этот вопрос нет ответа, ибо не существует пока теории, которая могла бы описать физику мира, в котором были бы возможны подобные температуры.
Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
Источник
Aspid Green
21 марта 2015 · 111,1 K
Замечательный вопрос!
Действительно принято упрощённо считать, что 0℃ это температура замерзания воды или таяния льда. (Более того, сама шкала Цельсия была основана на паре 0℃ и 100℃ — замерзание и кипение воды при нормальных условиях). Логично, что возникает вопрос, а в каком именно состоянии будет находится вода непосредственно при нуле.
Если мы говорим о реальном мире, то достичь точной температуры “0℃” практически невозможно. Это всегда будет либо -0℃ (условно «чуть ниже нуля») или +0℃ («чуть выше нуля»). Соответственно, либо вода будет замерзать и превращаться в лёд, либо лёд будет таять. В среднем, за счёт примесей и неоднородностей, мы можем иметь смесь из воды с включение небольших кусков льда, либо влажный, подтаивающий кусок льда.
Но физика тем и замечательна, что любит оперировать моделями. Если предположить, что мы можем установить и каким-то образом поддерживать температуру точно 0℃. В этом состоянии оба агрегатных состояния — вода и лёд — равновероятны. Это значит, что если у нас есть кусок чистого льда, то он не будет таять, а чистая, без включений вода останется водой. В рамках такой модели нет условий для фазового перехода — таяния или замерзания. Если, к примеру, в этой модели начать каким-то образом отводить тепло от воды, она начнёт замерзать. К слову, её температура так и не опустится ниже 0℃, пока она вся не превратится в лёд. Повторюсь, это всё условно, но так проще понять процессы, которые в этом случае происходят.
IT, телеком, телефония, базы данных, интеграционные решения, естествознание…
Прежде всего давайте условимся, что вода у нас чистая, чего в химическом абсолютном смысле никогда не бывает, и давление у нас равно нормальному атмосферному, чего тоже не бывает, потому что даже в одном отдельно взятом стакане давление на поверхности и на дне разное. Но тем не менее мы так условимся. Ок? 🙂
При 0°С вода и тает и замерзает. Чтобы… Читать далее
Почему тройная? Что за третье состояние?
software engineer at IDAGIO
Однозначно ответить на этот вопрос нельзя. Дело в том, что агрегатное состояние воды зависит от количества ее теплоты, измеряемого в джоулях. На примере: есть у вас некий объем льда. Окружающая температура равна нулям градусам по Цельсию (допустим, вода у нас без примесей и атмосферное давление соответствует нормальным условиям), но лед все равно не… Читать далее
Скучный дед, на последней ступеньке между мудростью и маразмом.
Я предупредил.
Занимательный вопрос. Как уже было сказано, физики обожают работать с моделями. (Но,но! С идеальными моделями физических процессов!).
Берем натерпевшегося уже выше крыши бедолагу – Кота Шредингера, и смотрим, утонет он или замерзнет. Сам Кот, естественно, на опыт повлиять не в состоянии.
И в нелюбви к животным обвинять не надо. Что бы там ни говори… Читать далее
Для того чтобы расплавить лед необходимо его нагреть. Удельная теплота плавления льда – 335 кдж на кг. Т.е. чтобы растопить один килограмм льда надо приложить 335 000 джоулей. И наоборот, чтобы заморозить один литр воды эти 335000 джоулей надо из воды забрать. Так что при 0 градусов лед может плавиться а может и вода замерзать. Надо только понять… Читать далее
Хоспидя! Это же в школе изучается. Если лёд и воду поместить в помещение с 0 градусов, то их состояние не изменится. Для того, чтобы изменить агрегатное состояние вещества, надо либо истратить энергию, либо наоборот. Лет 30 назад мне об этом учителя говорили. Это же элементарные вещи.
Вы какую то глупость сказали
Есть хороший эксперимент: продержав бутылку 0.5 с питьевой или дистилированной водой в морозилке при – 18С примерно полтора часа, вода все еще будет в жидком состоянии, но стоит ударить по ней, как она тут же превратится в кусок льда.
Источник
Если в трёх словах, то «так исторически сложилось» 🙂
До 1917 в России применялась шкала Реомюра. Французский натуралист, почётный член Петербургской академии наук Рене Антуан Фершо Реомюр плодотворно занимался разными естественными науками, и успешно применял свои знания в разных инженерных областях. Писал книги в том числе и по биологии и зоологии. А в 1730 году изобрёл независимо от Фаренгейта свой спиртовой термометр. (Шкала Фаренгейта уже применялась к этому моменту в Англии и Европе.)
Чтобы проградуировать термометр Реомюр взял две реперные точки: таяние льда и кипение воды. Получившийся промежуток он разделил на 80 равных частей. Теперь мы их знаем как градусы Реомюра (°R). И они встречаются в до- и послереволюционной литературе:
Земля изображала из себя пекло. Послеобеденное солнце жгло с таким усердием, что даже Реомюр, висевший в кабинете акцизного, потерялся: дошел до 35,8 и в нерешимости остановился…
(А.П.Чехов, «Брожение умов»)
— Обожди, девчонка! — осерчала Федератовна. — Великаны были только сильны, а по уму любой цыпленок норовистей их. Обождите, вам говорят!.. Если на небе тихо, а на дворе мороз в тридцать градусов по Реомюру, в тридцать семь по Цельсию: вы тогда — что?!
(А.Платонов, «Ювенильное море»)
Деление на 80 было обусловлено особенностями водно-спиртового раствора. Он был 80 градусный и от одной реперной точки до другой увеличивался на 80/1000 своего объёма.
Однако надо заметить, что Реомюр был не единственным, кто дал России какие-нибудь градусы. До него в Петербургской академии по приглашению Петра I работал другой француз Жозеф Николя Делиль. Его градусник был ртутным, а шкала от кипения до замерзания воды была перевёрнутой: 0°Д — точка кипения, а 150°Д — замерзания. Градусы Делиля использовали примерно с 1730-х годов на протяжении чуть ли не ста лет. Сам М.В.Ломоносов пользовался этой шкалой, правда, перевернув её с головы на ноги: ноль — значит ноль.
А тем временем в Швеции была ещё одна попытка придумать градусник, предпринятая Андерсом Цельсием. Шкала Цельсия опирается не те же самые реперные точки: кипение воды и таяние льда. Первоначально шкала Цельсия тоже была перевёрнута, но не то он сам её перевернул в привычное нам положение, не то Карл Линней и/или Мортен Штремер сделали это.
А что Габриэль Фаренгейт?
Как замечено выше, шкала Фаренгейта появилась чуть раньше, и получила распространение в старом и новом свете. Шкала Фаренгейта в отличие от всех названных выше опирается на другие, на современный взгляд довольно странные реперные точки. По одной из версий первоначальное значение нуля Френгейтом было выбрано как самая низкую температуру в его родном Гданьске зимой 1708—1709гг.
Борьба температурных шкал в Европе и Северной Америке развернулась именно между шкалами Фаренгейта и Цельсия. Победила более логичная. Так, например, вышеупомянутый Карл Линней сам сначала пользовался шкалой Френгейта, но позже счёл градусы Цельсия более удобными. Градусы Фаренгейта не были признаны стандартными в СИ. (СИ признаёт как системные шкалу Кельвина, более удобную физикам, и Цельсия — метеорологам и многим другим специалистам)
Что же касается России, то здесь переход с Реомюра на Фаренгейта с его труднообъяснимым сдвигом шкалы кажется невероятным ни по соображениям удобства, ни просто исторически. Всё-таки Реомюр и Цельсий «дружат нулями», и градус Цельсия признан системной единицей.
Источник