Wikipédia

„Abszolút nulla fok” változatai közötti eltérés

Laptörténet interaktív böngészése
[ellenőrzött változat][ellenőrzött változat]
← Régebbi szerkesztésÚjabb szerkesztés →
Tartalom törölve Tartalom hozzáadva
VizuálisWikiszöveges
a Visszaállítottam a lap korábbi változatát 84.2.48.205 (vita) szerkesztéséről BinBot szerkesztésére
Címke: Visszaállítás
Nincs szerkesztési összefoglaló
1. sor:
[[Fájl:CelsiusKelvin.svg|bélyegkép|328x328px|ÉrtelemezésÉrtelmezés szerint 0 K vagy −273,15 °C az abszolút nulla fok.]]
Az '''abszolút nulla fok''' a [[termodinamikai hőmérséklet]]i skála legalsó határa, egy olyan állapot, ahol az ideális hűtött gáz [[Entalpia|entalpiája]] és [[Entrópia|entrópiája]] megközelíti a minimum értékét, ezt a minimum értéket  0-nak tekintjük. Nemzetközi megállapodás szerint a [[Celsius-skála|Celsius-skálán]] a −273,15° az abszolút nulla, [[Fahrenheit-skála|Fahrenheit-skálán]] ‒459,67 °F. A [[Kelvin-skála|Kelvin]]- (abszolút hőmérsékleti skála) illetve [[Rankine-skála|Rankine]] hőmérsékleti skálák az abszolút nulla értéket feleltették meg a skála kezdőpotjánakkezdőpontjának.
 
Az abszolút nulla fok az a [[hőmérséklet]], amelynél a testből nem nyerhető ki [[Hő|hőenergia]]. Ezen a szinten az [[Atom|atomok]] és [[Molekula|molekulák]] mozgása megszűnik, csupán kvantummechanikai, [[Nullponti energia|nullponti energiával]] indukált részecskemozgást tartanak fenn.
12. sor:
 
Ezt a víz olvadás- és forráspontjára felírva:
* olvadás: <math display="inline">pV_o=nRT_o</math>
* forrás: <math display="inline">pV_f=nRT_f</math>
Továbbá:
<math>T_f-T_o=100</math>,
 
ekkor R-re felírható:
<math>R=\frac{pV_f-pV_o}{n\cdot100}</math>.
 
Megjegyzés: R az egyetemes gázállandó, értéke: 8,314 J/(K·mol)
 
Visszahelyettesítve az olvadás képletébe:
<math>T_o=\frac{100(pV)_o}{(pV)_f-(pV)_o}</math>.
 
28. sor:
 
== Termodinamika az abszolút nulla fok közelében ==
A 0 K (−273,15 °C; −459,67 °F) hőmérsékleten közel minden molekuláris mozgás megszűnik és bármely [[Adiabatikus állapotváltozás|adiabatikus]] folyamatra ΔS egyenlő lesz 0-val, ahol az S az [[Entrópia|entrópiát]] jelenti. Ilyen körülmények között (T → 0) a tiszta anyagok tökéletes kristályokat képezhetnek.
 
<math> \qquad\qquad\lim_{T \to 0} \Delta S = 0</math>
 
Az ideális kristály olyan tökéletesen szabályos rácsú [[egykristály]], amely nem tartalmaz szennyezéseket, hiányokat vagy más kristályhibát. A tökéletes kristály olyan, amelyben a belső rácsszerkezet minden irányba kiterjed, megszakítás nélkül, a struktúra minden rácseleme a megfelelő helyen van, függetlenül attól, hogy egy atomról vagy éppen molekuláról van szó. Ilyen kristályok nem fordulnak elő a gyakorlatban, mert a tökéletlenségek befagyasztják az anyagot.
40. sor:
== Kapcsolata a Bose-Einstein kondenzációval ==
[[Fájl:Bose Einstein condensate.png|bélyegkép|196x196px|Sebességeloszlás a lehűtött rubídium atomok gázára, megerősítve az anyag új állapotának felfedezését. Bal illusztráció: a BEK megjelenése előtt. Középen: közvetlenül a BEK megjelenése után. Jobbra: további párolgás után, majdnem tiszta kondenzátum.]]
A [[Bose–Einstein-kondenzáció|Bose–Einstein-kondenzátum]] (BEK) olyan állapota az anyagnak, ahol a [[bozon]]okból álló híg gáz le van hűtve az abszolút nulla fokot megközelítő hőmérsékletre. Ilyen körülmények között a bozonok nagy része a legalacsonyabb [[Kvantum|kvantumállapotot]] foglalja el, ezen a ponton a kvantummechanikai  jelenségek makroszkopikusan megfigyelhetőek lesznek.
 
Az első gázkondenzátumot 1955-ben állították elő a coloradói egyetemen, ahol gázállapotú [[Rubídium|rubídiumatomokat]] hűtöttek le 170 nanokelvinre. Később [[izotóp]]okat, [[Molekula|molekulákat]] és fotonokat is kondenzáltak. A BEK segítségével létrehozták anyagok szuperfolyékonyságát, a szupravezetést.
47. sor:
Olyan hőmérsékletek, amik negatív értékkel vannak kifejezve a megszokott Celsius illetve Fahrenheit skálán, hidegebbek mint a skáláknak megfelelő nulla fokok. Bizonyos rendszerek el tudnak érni valóban negatív értékeket, a termodinamikus hőmérsékletük (kelvinben kifejezve) lehet negatív mennyiség. Az ilyen, valóban negatív hőmérsékletű rendszerek nem hidegebbek, mint az abszolút nulla fok. Inkább egy negatív hőmérsékletű rendszer melegebb, mint bármilyen más rendszer pozitív hőmérséklettel, olyan értelemben, hogyha két ilyen rendszer találkozik egymással, a hő a negatív hőmérsékletűtől fog a pozitív fele tartani.
 
A legtöbb rendszer nem tud negatív hőmérsékletet elérni mivel energia hozzáadásával nő az [[Entrópia|entrópiájuk]]. Viszont, néhány rendszernek van egy maximum mennyiségű energiája amennyit megtud tartani és ahogy közelednek a maximum felé az entropiájukentrópiájuk csökkenni kezd. Mivel a hőmérséklet az energia és az entrópia közti kapcsolatból van meghatározva, az ilyen rendszerek negatív hőmérsékletet tudnak elérni energiafelvevéssel. Ennek eredményeképp a [[Boltzmann faktor]] (e<sup>-E/kT</sup>) negatív hőmérsékletű rendszerek esetében növekedik, mintsem hogy csökkenjen növekvő energia mellett. Ebből adódóan, egyetlen teljes rendszer sem rendelkezhet negatív hőmérséklettel mivel nem létezik legmagasabb energia állapot, vagyis az állapotok lehetőségeinek összegei eltérnének a negatív hőmérséklettől. Azonban, kvázi egyensúlyi rendszerekre ez nem vonatkozik, vagyis effektív negatív hőmérséklet elérhető.
 
2013. január 3-án fizikusok bejelentették, hogy a világon először létrehoztak egy kvantumgázt kálium atomokból, aminek a hőmérséklete negatív volt.
56. sor:
 
=== A "hidegség határa" ===
Az a kérdés merül fel, hogy van-e határa a "hidegségnek", létezik-e leghidegebb, és ha igen, akkor hol kell a nulla értéket elhelyezni. Először egy francia fizikus, [[Guillaume Amontons]] próbálkozott megtalálni 1702-ben ezt a 0-t; ő a találmánya, a léghőmérő fejlesztésével foglalkozott. Amontons a skálán, amit használt, a víz forráspontját +73-nak, a jég olvadáspontját 51-nek jelölte, úgyhogy a nulla a −240-nek felelt meg a Celsius-skálán. Ez nem állt olyan messze a mostani értéktől, a −273,15 °C-tól. Viszont abban az időben ezen értékei az abszolút minimum hőmérsékletnek nem voltak elfogadottak.
 
Hasonló közeli értéket ért el Johann Heinrich Lambert 1779-ben, aki megfigyelte, hogy −270 °C (−454.00 °F; 3.15 K) lehet az abszolút hideg. Ehhez képest például John Dalton különböző számítások eredményeként a −3000 °C-ot jelölte meg a természet legkisebb hőjének.
 
=== Lord Kelvin (William Thomson) munkássága ===
Miután [[James Prescott Joule]] meghatározta a hő mechanikai jelentőségét,  [[William Thomson (matematikus)|Lord Kelvin]] egy teljesen más nézőpontból közelítette meg a kérdést és 1848-ban kidolgozott egy abszolút hőmérsékleti skálát, amely független volt egy adott anyag tulajdonságaitól. Kelvin skálája [[Carnot-ciklus|Carnot]] elméletén (Motive Power of Heat) és [[Henri Victor Regnault]] publikált adatain alapult.
 
A skála elvei szerint kezdőpontnak a −273 °C-t vette, de ezt az értéket nem fogadták el egyből, laboratóriumi mérések alapján az abszolút nulla fokot  −271,1 °C (−455,98 °F) és −274,5 °C (−462,10 °F) közé helyezték.
 
=== Verseny az abszolút nulla fok felé ===
Az abszolút nulla fok pontosabb elméleti megértésével a tudósoknak csak egyre nőtt a vágyuk, hogy minél jobban megközelíthessék ezt a hőmérsékletet laboratóriumi körülmények között.
 
1845-ben [[Michael Faraday]]nek  sikerült a legtöbb ismert gázt [[Folyadék|cseppfolyósítania]] és új rekordot ért el a legkisebb hőmérséklet terén:  −130 °C (−202 °F; 143 K). Faraday úgy vélte, hogy bizonyos gázok, például az oxigén, a nitrogén és a hidrogén állandó gázok, és nem lehet őket cseppfolyósítani. Évtizedekkel később, 1873-ban egy holland elméleti tudós, [[Johannes Diderik van der Waals]] kimutatta, hogy ezek a gázok cseppfolyósíthatóak, de csak nagyon nagy [[nyomás]] és nagyon alacsony hőmérséklet alatt.
 
1877-ben Franciaországban [[Louis Paul Cailletet]] és Svájcban a [[Raoul Pictet]] sikeresen cseppfolyósították a levegőt, létrehozva az első levegőcseppeket −195 °C (−319.0 °F; 78.1 K)-on. Majd 1883-ban lengyel professzorok, [[Zygmunt Wróblewski]] és [[Karol Olszewski]] cseppfolyósították az oxigént −218 °C (−360.4 °F; 55.1 K)-on.
 
Folytatva a sort, [[James Dewar]] cseppfolyósította a hidrogént és még alacsonyabb hőmérsékletet sikerült elérnie: −252 °C (−421.6 °F; 21.1 K). [[Heike Kamerlingh Onnes]] pedig a héliumot, ő több előhűtési fázist és a [[Hampson–Linde ciklus]]t alkalmazva elérte a hélium forráspontját, ami −269 °C (−452.20 °F; 4.15 K). A folyékony hélium nyomásának csökkentésével még alacsonyabb hőmérsékletet ért el, 1,5 K-t.
 
== Megközelítési kísérletek ==
Abszolút nulla fok nem érhető el mesterségesen, bár el lehet érni hőmérsékletet az abszolút nulla fok közelében [[kriogénhűtő]]k használata révén. A lézeres hűtés a leggyakrabban alkalmazott eljárás, amellyel a hőmérséklet egymilliárdod K-re hűthető.
[[Fájl:Boomerang nebula.jpg|bélyegkép|A képen a [[Bumeráng-köd]] felvétele látható.]]
Az átlaghőmérséklete az univerzumnak 2.73 K (−270.42 °C; −454.76 °F), ami a [[Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás|kozmikus háttérsugárzás]] mérésén alapszik.
* A jelenlegi világrekordot 1999-ben állították fel, 100 pikokelvinre hűtöttek egy darab [[ródium]]ot.
* [[2003]] [[szeptember]]ében Wolfgang Ketterle és munkatársai 450 pK-t, azaz 4,5{{e|–10}}&nbsp;K-t értek el az [[Amerikai Egyesült Államok|amerikai]] [[MIT]] laboratóriumában.
* 2003 februárjában, a Bumeráng-köd volt megfigyelhető. A gázfelhő kb. 1 K-re hűlt le, ezt intenzív csillagászati megfigyelésekkel következtették ki. Ez a legalacsonyabb valaha feljegyzett természetes hőmérséklet.
* 2005 májusában az Európai Űrügynökség (ESA) kutatási témákban javasolta a femtokelvin hőmérséklet elérését. 2006 májusában a hannoveri egyetem kvantumoptikai intézete részletesen elkezdett foglalkozni az ESA által felvetett kutatással.
* 2013 januárjában [[Ulrich Schneider]] német fizikus bejelentette, hogy az abszolút nulla fok alatti hőmérsékletet ért el gázokban.
* 2014 szeptemberében tudósok Olaszországban, a Laboratori Nazionali del Gran Sassoban 15 napig hűtöttek egy réztartályt, míg elérte 0.006 K-t (−273.144 °C; −459.659 °F).
* 2015 júniusában az [[Massachusetts Institute of Technology|MIT]] kísérleti fizikusai egy gázban a  nátrium-kálium molekulákat 500 nanokelvinre hűtötték.
 
== Források ==
A lap eredeti címe: „https://hu.wikipedia.org/wiki/Abszolút_nulla_fok”