Limite de température inférieure à zéro. Qu'est-ce que le zéro absolu

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Le concept physique de « température zéro absolue » est très important pour la science moderne : il est étroitement lié à un concept tel que la supraconductivité, dont la découverte a fait sensation dans la seconde moitié du XXe siècle.

Pour comprendre ce qu'est le zéro absolu, il faut se tourner vers les travaux de physiciens aussi célèbres que G. Fahrenheit, A. Celsius, J. Gay-Lussac et W. Thomson. Ils ont joué un rôle clé dans la création des principales échelles de température encore utilisées aujourd’hui.

Le premier à proposer son échelle de température fut le physicien allemand G. Fahrenheit en 1714. Dans le même temps, la température du mélange, qui comprenait de la neige et de l'ammoniac, était considérée comme le zéro absolu, c'est-à-dire comme le point le plus bas de cette échelle. Le prochain indicateur important était celui qui devenait égal à 1000. En conséquence, chaque division de cette échelle était appelée «degré Fahrenheit», et l'échelle elle-même était appelée «échelle Fahrenheit».

30 ans plus tard, l'astronome suédois A. Celsius a proposé sa propre échelle de température, dont les points principaux étaient la température de fonte de la glace et de l'eau. Cette échelle s'appelait « l'échelle Celsius » ; elle est toujours populaire dans la plupart des pays du monde, y compris la Russie.

Cette loi a conduit à une conclusion évidente : une température égale à -2730C est la température la plus basse, même si on s'en approche, il est impossible de l'atteindre. C’est cette température que l’on appelle « température zéro absolu ».

De plus, le zéro absolu est devenu le point de départ de la création de l'échelle de température absolue, Participation activeà laquelle assistait le physicien anglais W. Thomson, également connu sous le nom de Lord Kelvin.

Ses principales recherches visaient à prouver qu'aucun corps dans la nature ne peut être refroidi en dessous du zéro absolu. En même temps, il utilisa activement la seconde ; c'est pourquoi l'échelle de température absolue qu'il introduisit en 1848 commença à être appelée thermodynamique ou « échelle Kelvin ».

Au cours des années et décennies suivantes, seule une clarification numérique du concept de « zéro absolu » a eu lieu, qui, après de nombreux accords, a commencé à être considéré comme égal à -273,150C.

Il convient également de noter que le zéro absolu joue un rôle très important dans le fait qu'en 1960, lors de la prochaine Conférence générale des poids et mesures, l'unité de température thermodynamique - le kelvin - est devenue l'une des six unités de mesure de base. . Dans le même temps, il a été spécialement stipulé qu'un degré Kelvin est numériquement égal à un, mais le point de référence « selon Kelvin » est généralement considéré comme le zéro absolu, c'est-à-dire -273,150C.

La principale signification physique du zéro absolu est que, selon les lois physiques fondamentales, à une telle température, l'énergie de mouvement des particules élémentaires, telles que les atomes et les molécules, est nulle, et dans ce cas, tout mouvement chaotique de ces mêmes particules devrait cesser. À une température égale au zéro absolu, les atomes et les molécules doivent prendre une position claire aux points principaux du réseau cristallin, formant ainsi un système ordonné.

De nos jours, grâce à des équipements spéciaux, les scientifiques ont pu obtenir des températures de seulement quelques parties par million au-dessus du zéro absolu. Il est physiquement impossible d'atteindre cette valeur par soi-même en raison de la deuxième loi de la thermodynamique décrite ci-dessus.

Le terme « température » est apparu à une époque où les physiciens pensaient que les corps chauds étaient constitués davantage d'une substance spécifique - calorique - que les mêmes corps, mais froids. Et la température était interprétée comme une valeur correspondant à la quantité de calories présente dans le corps. Depuis lors, la température de tout corps est mesurée en degrés. Mais en fait, il s’agit d’une mesure de l’énergie cinétique des molécules en mouvement et, sur cette base, elle doit être mesurée en Joules, conformément au système d’unités C.

La notion de « température zéro absolu » vient de la deuxième loi de la thermodynamique. Selon lui, le processus de transfert de chaleur d'un corps froid à un corps chaud est impossible. Ce concept a été introduit par le physicien anglais W. Thomson. Pour ses réalisations en physique, il reçut le titre de noblesse « Lord » et le titre de « Baron Kelvin ». En 1848, W. Thomson (Kelvin) propose d'utiliser une échelle de température dans laquelle il prend comme point de départ la température zéro absolue, correspondant au froid extrême, et prend les degrés Celsius comme valeur de division. L'unité Kelvin correspond à 1/27316 de la température du point triple de l'eau (environ 0 degré C), soit température à laquelle l'eau pure existe immédiatement sous trois formes : glace, eau liquide et vapeur. La température est la température la plus basse possible à laquelle le mouvement des molécules s'arrête et il n'est plus possible d'extraire de l'énergie thermique d'une substance. Depuis, l’échelle de température absolue porte son nom.

La température est mesurée à différentes échelles

L’échelle de température la plus couramment utilisée est appelée l’échelle Celsius. Elle repose sur deux points : la température de transition de phase de l'eau du liquide à la vapeur et de l'eau à la glace. A. Celsius a proposé en 1742 de diviser la distance entre les points de référence en 100 intervalles et de prendre l'eau à zéro, avec un point de congélation à 100 degrés. Mais le Suédois K. Linnaeus a suggéré de faire le contraire. Depuis lors, l’eau a gelé à zéro degré Celsius. Bien qu'il doive bouillir exactement à Celsius. Le zéro Celsius absolu correspond à moins 273,16 degrés Celsius.

Il existe plusieurs autres échelles de température : Fahrenheit, Réaumur, Rankin, Newton, Roemer. Ils ont des prix de division différents. Par exemple, l'échelle de Réaumur est également construite sur les repères d'ébullition et de congélation de l'eau, mais elle comporte 80 divisions. L'échelle Fahrenheit, apparue en 1724, n'est utilisée dans la vie quotidienne que dans certains pays du monde, dont les États-Unis ; l’une est la température du mélange d’eau glacée et d’ammoniac et l’autre est la température du corps humain. L'échelle est divisée en cent divisions. Zéro Celsius correspond à 32. La conversion des degrés en Fahrenheit peut être effectuée à l'aide de la formule : F = 1,8 C + 32. Conversion inverse : C = (F - 32)/1,8, où : F - degrés Fahrenheit, C - degrés Celsius. Si vous êtes trop paresseux pour compter, accédez à un service en ligne permettant de convertir les degrés Celsius en Fahrenheit. Dans la case, entrez le nombre de degrés Celsius, cliquez sur « Calculer », sélectionnez « Fahrenheit » et cliquez sur « Démarrer ». Le résultat apparaîtra immédiatement.

Nommé d'après le physicien anglais (plus précisément écossais) William J. Rankin, contemporain de Kelvin et l'un des créateurs de la thermodynamique technique. Il y a trois points importants dans son échelle : le début est le zéro absolu, le point de congélation de l'eau est de 491,67 degrés Rankine et le point d'ébullition de l'eau est de 671,67 degrés. Le nombre de divisions entre la congélation de l'eau et son ébullition pour Rankine et Fahrenheit est de 180.

La plupart de ces échelles sont utilisées exclusivement par les physiciens. Et 40 % des lycéens américains interrogés aujourd’hui déclarent ne pas savoir ce qu’est le zéro absolu.

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Établissement d'enseignement budgétaire de l'État fédéral d'enseignement professionnel supérieur

"Université pédagogique d'État de Voronej"

Département de physique générale

sur le thème : « Température zéro absolu »

Réalisé par : Étudiant de 1ère année, FMF,

PI, Kondratenko Irina Alexandrovna

Vérifié par : assistant du service général

physiciens Afonin G.V.

Voronej-2013

Introduction……………………………………………………. 3

1.Zéro absolu…………………………………………...4

2.Historique………………………………………………………6

3. Phénomènes observés proches du zéro absolu………..9

Conclusion…………………………………………………… 11

Liste de la littérature utilisée…………………………..12

Introduction

Depuis de nombreuses années, les chercheurs progressent vers le zéro absolu. Comme on le sait, une température égale au zéro absolu caractérise l'état fondamental d'un système de nombreuses particules - un état avec l'énergie la plus basse possible, dans lequel les atomes et les molécules effectuent des vibrations dites « nulles ». Ainsi, un refroidissement profond proche du zéro absolu (le zéro absolu lui-même est considéré comme inaccessible en pratique) ouvre des possibilités illimitées pour étudier les propriétés de la matière.

1. Zéro absolu

Le zéro absolu (plus rarement, le zéro absolu) est la limite minimale de température qu'un corps physique dans l'Univers peut avoir. Le zéro absolu est à l'origine d'une échelle de température absolue, telle que l'échelle Kelvin. En 1954, la Xe Conférence générale des poids et mesures a établi une échelle de température thermodynamique avec un point de référence - le point triple de l'eau, dont la température a été fixée à 273,16 K (exacte), ce qui correspond à 0,01 °C, de sorte que sur l'échelle Celsius, la température correspond au zéro absolu −273,15 °C.

Dans le cadre de l'applicabilité de la thermodynamique, le zéro absolu est inaccessible en pratique. Son existence et sa position sur l'échelle de température découlent de l'extrapolation des phénomènes physiques observés, et une telle extrapolation montre qu'au zéro absolu, l'énergie du mouvement thermique des molécules et des atomes d'une substance doit être égale à zéro, c'est-à-dire le mouvement chaotique des particules. s'arrête et forme une structure ordonnée, occupant une position claire aux nœuds du réseau cristallin (l'hélium liquide est une exception). Cependant, du point de vue de la physique quantique, et à température nulle absolue, il n’y a aucune oscillation, provoquée par les propriétés quantiques des particules et le vide physique qui les entoure.

Lorsque la température d'un système tend vers le zéro absolu, son entropie, sa capacité thermique et son coefficient de dilatation thermique tendent également vers zéro, et le mouvement chaotique des particules qui composent le système s'arrête. En un mot, la substance devient une supersubstance dotée de supraconductivité et de superfluidité.

Le zéro absolu est inaccessible en pratique, et obtenir des températures extrêmement proches représente un problème expérimental complexe, mais on a déjà obtenu des températures qui ne sont qu'à quelques millionièmes de degrés du zéro absolu. .

Trouvons la valeur du zéro absolu sur l'échelle Celsius, en assimilant le volume V à zéro et en tenant compte du fait que

La température du zéro absolu est donc de -273°C.

Il s’agit de la température extrême, la plus basse de la nature, du « plus grand ou dernier degré de froid », dont Lomonossov avait prédit l’existence.

Fig. 1. Échelle absolue et Celsius

L'unité SI de température absolue est appelée le kelvin (en abrégé K). Par conséquent, un degré sur l’échelle Celsius équivaut à un degré sur l’échelle Kelvin : 1 °C = 1 K.

Ainsi, la température absolue est une grandeur dérivée qui dépend de la température Celsius et de la valeur de a déterminée expérimentalement. Pourtant, c’est d’une importance fondamentale.

Du point de vue de la théorie de la cinétique moléculaire, la température absolue est liée à l'énergie cinétique moyenne du mouvement chaotique des atomes ou des molécules. A T = 0 K, le mouvement thermique des molécules s'arrête.

2. Histoire

Le premier à proposer son échelle de température fut le physicien allemand G. Fahrenheit en 1714. Dans le même temps, la température du mélange, qui comprenait de la neige et de l'ammoniac, était considérée comme le zéro absolu, c'est-à-dire comme le point le plus bas de cette échelle. Le prochain indicateur important était la température normale du corps humain, qui est devenue égale à 1000. En conséquence, chaque division de cette échelle était appelée « degré Fahrenheit » et l'échelle elle-même était appelée « échelle Fahrenheit ».

30 ans plus tard, l'astronome suédois A. Celsius proposa sa propre échelle de température, dont les principaux points étaient la température de fonte de la glace et le point d'ébullition de l'eau. Cette échelle s'appelait « l'échelle Celsius » ; elle est toujours populaire dans la plupart des pays du monde, y compris la Russie.

En 1802, alors qu'il menait ses célèbres expériences, le scientifique français J. Gay-Lussac découvrit que le volume d'un gaz à pression constante dépend directement de la température. Mais le plus curieux était que lorsque la température changeait de 10 Celsius, le volume de gaz augmentait ou diminuait du même montant. Après avoir fait les calculs nécessaires, Gay-Lussac trouva que cette valeur était égale à 1/273 du volume du gaz. Cette loi a conduit à une conclusion évidente : une température égale à -273°C est la température la plus basse, même si on s'en approche, il est impossible de l'atteindre. C’est cette température que l’on appelle « température zéro absolu ». De plus, le zéro absolu est devenu le point de départ de la création de l'échelle de température absolue, à laquelle le physicien anglais W. Thomson, également connu sous le nom de Lord Kelvin, a pris une part active. Ses principales recherches visaient à prouver qu'aucun corps dans la nature ne peut être refroidi en dessous du zéro absolu. Dans le même temps, il a activement utilisé la deuxième loi de la thermodynamique, c'est pourquoi l'échelle de température absolue qu'il a introduite en 1848 a commencé à être appelée thermodynamique ou « échelle Kelvin ». Au cours des années et décennies suivantes, ce n'était qu'une clarification numérique du concept de. le « zéro absolu » s’est produit.

Figure 2. La relation entre les échelles de température Fahrenheit (F), Celsius (C) et Kelvin (K).

Il convient également de noter que le zéro absolu joue un rôle très important dans le système SI. Le fait est qu'en 1960, lors de la prochaine Conférence générale des poids et mesures, l'unité de température thermodynamique - le kelvin - est devenue l'une des six unités de mesure de base. Dans le même temps, il était spécialement stipulé qu'un degré Kelvin

est numériquement égal à un degré Celsius, mais le point de référence « en Kelvin » est généralement considéré comme le zéro absolu.

3. Phénomènes observés proches du zéro absolu

A des températures proches du zéro absolu, des effets purement quantiques peuvent être observés au niveau macroscopique, tels que :

1. La supraconductivité est la propriété de certains matériaux d'avoir une résistance électrique strictement nulle lorsqu'ils atteignent une température inférieure à une certaine valeur (température critique). On connaît plusieurs centaines de composés, éléments purs, alliages et céramiques qui se transforment en un état supraconducteur.

La supraconductivité est un phénomène quantique. Il se caractérise également par l'effet Meissner, qui consiste en un déplacement complet du champ magnétique du volume du supraconducteur. L’existence de cet effet montre que la supraconductivité ne peut pas être simplement décrite comme une conductivité idéale au sens classique du terme. Ouverture en 1986-1993. un certain nombre de supraconducteurs à haute température (HTSC) ont repoussé considérablement la limite de température de la supraconductivité et ont permis d'utiliser pratiquement des matériaux supraconducteurs non seulement à la température de l'hélium liquide (4,2 K), mais également au point d'ébullition du liquide l'azote (77 K), un liquide cryogénique beaucoup moins cher.

2. Superfluidité - la capacité d'une substance dans un état particulier (liquide quantique), qui se produit lorsque la température descend au zéro absolu (phase thermodynamique), à s'écouler à travers des fentes étroites et des capillaires sans friction. Jusqu'à récemment, la superfluidité n'était connue que pour l'hélium liquide, mais ces dernières années, la superfluidité a été découverte dans d'autres systèmes : dans les condensats atomiques raréfiés de Bose, l'hélium solide.

La superfluidité s'explique comme suit. Puisque les atomes d’hélium sont des bosons, la mécanique quantique permet à un nombre arbitraire de particules d’être dans le même état. À des températures proches du zéro absolu, tous les atomes d’hélium sont dans l’état d’énergie fondamentale. Puisque l’énergie des états est discrète, un atome ne peut recevoir aucune énergie, mais seulement une énergie égale à l’écart énergétique entre les niveaux d’énergie adjacents. Mais à basse température, l'énergie de collision peut être inférieure à cette valeur, de sorte que la dissipation d'énergie ne se produira tout simplement pas. Le liquide s'écoulera sans friction.

3. Bose - Condensat d'Einstein - un état d'agrégation de matière dont la base est constituée de bosons, refroidis à des températures proches du zéro absolu (moins d'un millionième de degré au-dessus du zéro absolu). Dans un état aussi fortement refroidi, un nombre suffisamment grand d’atomes se retrouvent dans leurs états quantiques minimaux possibles et les effets quantiques commencent à se manifester au niveau macroscopique.

Conclusion

L’étude des propriétés de la matière proche du zéro absolu présente un grand intérêt pour la science et la technologie.

De nombreuses propriétés d'une substance, masquées à température ambiante par des phénomènes thermiques (par exemple le bruit thermique), commencent à se manifester de plus en plus à mesure que la température diminue, permettant forme pureétudier les modèles et les connexions inhérentes à une substance donnée. Les recherches dans le domaine des basses températures ont permis de découvrir de nombreux nouveaux phénomènes naturels, comme la superfluidité de l'hélium et la supraconductivité des métaux.

À basse température, les propriétés des matériaux changent considérablement. Certains métaux augmentent leur résistance et deviennent ductiles, tandis que d’autres deviennent cassants, comme le verre.

L'étude des propriétés physico-chimiques à basse température permettra dans le futur de créer de nouvelles substances aux propriétés prédéterminées. Tout cela est très précieux pour la conception et la création d’engins spatiaux, de stations et d’instruments.

On sait que lors des études radar des corps cosmiques, le signal radio reçu est très faible et difficile à distinguer des divers bruits. Les oscillateurs et amplificateurs moléculaires récemment créés par les scientifiques fonctionnent à des températures très basses et ont donc un niveau de bruit très faible.

Les propriétés électriques et magnétiques à basse température des métaux, des semi-conducteurs et des diélectriques permettent de développer des dispositifs radio microscopiques fondamentalement nouveaux.

Des températures ultra-basses sont utilisées pour créer le vide nécessaire, par exemple, au fonctionnement d'accélérateurs de particules nucléaires géants.

Bibliographie

http://wikipedia.org
http://rudocs.exdat.com
http://fb.ru

Brève description

Température zéro absolu

La température limite à laquelle le volume d'un gaz parfait devient égal à zéro est considérée comme température zéro absolu.

Trouvons la valeur du zéro absolu sur l'échelle Celsius.
Égaliser le volume V dans la formule (3.1) zéro et en tenant compte du fait que

La température du zéro absolu est donc

t= –273 °C. 2

Il s’agit de la température extrême, la plus basse de la nature, du « plus grand ou dernier degré de froid », dont Lomonossov avait prédit l’existence.

Les températures les plus élevées sur Terre – des centaines de millions de degrés – sont obtenues lors des explosions de bombes thermonucléaires. Des températures encore plus élevées sont typiques des régions internes de certaines étoiles.

2Valeur plus précise du zéro absolu : –273,15 °C.

Échelle Kelvin

Le scientifique anglais W. Kelvin a présenté échelle absolue températures La température zéro sur l'échelle Kelvin correspond au zéro absolu, et l'unité de température sur cette échelle est égale à un degré sur l'échelle Celsius, donc la température absolue T est lié à la température sur l'échelle Celsius par la formule

T = t + 273. (3.2)

En figue. 3.2 montre l'échelle absolue et l'échelle Celsius à des fins de comparaison.

L'unité SI de température absolue est appelée Kelvin(en abrégé K). Par conséquent, un degré sur l’échelle Celsius équivaut à un degré sur l’échelle Kelvin :

Ainsi, la température absolue, selon la définition donnée par la formule (3.2), est une grandeur dérivée qui dépend de la température Celsius et de la valeur de a déterminée expérimentalement.

Lecteur: Quelle signification physique la température absolue a-t-elle ?

Écrivons l'expression (3.1) sous la forme

Considérant que la température sur l'échelle Kelvin est liée à la température sur l'échelle Celsius par la relation T = t + 273, on obtient

Où T 0 = 273 K, ou

Puisque cette relation est valable pour une température arbitraire T, alors la loi de Gay-Lussac peut être formulée comme suit :

Pour une masse de gaz donnée à p = const, la relation suivante est vraie :

Tâche 3.1. A une température T 1 = volume de gaz 300 K V 1 = 5,0 litres. Déterminer le volume de gaz à la même pression et température T= 400K.

ARRÊT! Décidez vous-même : A1, B6, C2.

Problème 3.2. Lors du chauffage isobare, le volume d'air a augmenté de 1 %. De quel pourcentage la température absolue a-t-elle augmenté ?

= 0,01.

Répondre: 1 %.

Rappelons la formule résultante

ARRÊT! Décidez vous-même : A2, A3, B1, B5.

La loi de Charles

Le scientifique français Charles a établi expérimentalement que si un gaz est chauffé de manière à ce que son volume reste constant, la pression du gaz augmentera. La dépendance de la pression sur la température a la forme :

R.(t) = p 0 (1 + b t), (3.6)

Où R.(t) – pression à température t°C ; R. 0 – pression à 0 °C ; b est le coefficient de température et de pression, qui est le même pour tous les gaz : 1/K.

Lecteur:Étonnamment, le coefficient de température de pression b est exactement égal au coefficient de température de dilatation volumétrique a !

Prenons une certaine masse de gaz avec un volume V 0 à la température T 0 et pression R. 0 . Pour la première fois, en maintenant constante la pression du gaz, nous le chauffons à une température T 1 . Le gaz aura alors un volume V 1 = V 0 (1 + une t) et la pression R. 0 .

La deuxième fois, en maintenant le volume de gaz constant, on le chauffe à la même température T 1 . Alors le gaz aura une pression R. 1 = R. 0 (1 + b t) et volume V 0 .

Puisque dans les deux cas la température du gaz est la même, la loi de Boyle-Mariotte est valable :

p 0 V 1 = p 1 V 0 Þ R. 0 V 0 (1 + une t) = R. 0 (1 + b t)V 0 Þ

Þ 1 + un t = 1 + b tÞ a = b.

Ce n'est donc pas surprenant que a = b, non !

Réécrivons la loi de Charles sous la forme

Étant donné que T = t°С + 273 °С, T 0 = 273 °C, on obtient

Lorsque la météo annonce des températures proches de zéro, il ne faut pas aller à la patinoire : la glace va fondre. La température de fonte de la glace est estimée à zéro degré Celsius, l’échelle de température la plus courante.
Nous connaissons très bien l'échelle négative des degrés Celsius - degrés<ниже нуля>, degrés de froid. La température la plus basse sur Terre a été enregistrée en Antarctique : -88,3°C. Des températures encore plus basses sont possibles en dehors de la Terre : à la surface de la Lune, à minuit lunaire, elles peuvent atteindre -160°C.
Mais des températures arbitrairement basses ne peuvent exister nulle part. La température extrêmement basse – le zéro absolu – correspond à - 273,16° sur l'échelle Celsius.
L'échelle de température absolue, l'échelle Kelvin, part du zéro absolu. La glace fond à 273,16° Kelvin et l'eau bout à 373,16° K. Ainsi, le degré K est égal au degré C. Mais sur l'échelle Kelvin, toutes les températures sont positives.
Pourquoi 0°K est-il la limite de froid ?
La chaleur est le mouvement chaotique des atomes et des molécules d'une substance. Lorsqu'une substance est refroidie, l'énergie thermique en est retirée et le mouvement aléatoire des particules est affaibli. Finalement, avec un fort refroidissement,<пляска>les particules s'arrêtent presque complètement. Les atomes et les molécules gèleraient complètement à une température considérée comme le zéro absolu. Selon les principes de la mécanique quantique, au zéro absolu, ce serait le mouvement thermique des particules qui cesserait, mais les particules elles-mêmes ne gèleraient pas, puisqu'elles ne peuvent pas être au repos complet. Ainsi, au zéro absolu, les particules doivent encore conserver une certaine sorte de mouvement, appelé mouvement nul.

Cependant, refroidir une substance à une température inférieure au zéro absolu est une idée aussi dénuée de sens que, disons, l'intention<идти медленнее, чем стоять на месте>.

De plus, même atteindre le zéro absolu exact est presque impossible. Vous ne pouvez que vous rapprocher de lui. Car on ne peut en aucun cas retirer absolument toute l’énergie thermique d’une substance. Une partie de l'énergie thermique reste au refroidissement le plus profond.
Comment atteindre des températures ultra basses ?
Il est plus difficile de congeler une substance que de la chauffer. Cela peut être vu même en comparant la conception d'une cuisinière et d'un réfrigérateur.
Dans la plupart des réfrigérateurs domestiques et industriels, la chaleur est évacuée en raison de l'évaporation d'un liquide spécial - le fréon, qui circule à travers des tubes métalliques. Le secret est que le fréon ne peut rester à l'état liquide qu'à une température suffisamment basse. Dans le compartiment réfrigérateur, en raison de la chaleur de la chambre, il se réchauffe et bout, se transformant en vapeur. Mais la vapeur est comprimée par le compresseur, liquéfiée et pénètre dans l'évaporateur, reconstituant la perte de fréon évaporé. De l'énergie est consommée pour faire fonctionner le compresseur.
Dans les appareils de refroidissement en profondeur, le support froid est un liquide ultra-froid - l'hélium liquide. Incolore, légère (8 fois plus légère que l'eau), elle bout sous pression atmosphérique à 4,2°K, et sous vide à 0,7°K. Une température encore plus basse est donnée par l’isotope léger de l’hélium : 0,3°K.
L'installation d'un réfrigérateur permanent à l'hélium est assez difficile. La recherche s'effectue simplement dans des bains d'hélium liquide. Et pour liquéfier ce gaz, les physiciens utilisent différentes techniques. Par exemple, l’hélium pré-refroidi et comprimé est détendu et libéré à travers un mince trou dans une chambre à vide. Dans le même temps, la température diminue encore et une partie du gaz se transforme en liquide. Il est plus efficace non seulement de dilater le gaz refroidi, mais également de le forcer à effectuer un travail - déplacer le piston.
L'hélium liquide obtenu est stocké dans des thermos spéciaux - des flacons Dewar. Le coût de ce liquide très froid (le seul qui ne gèle pas au zéro absolu) s’avère assez élevé. Néanmoins, l’hélium liquide est de nos jours de plus en plus utilisé, non seulement dans le domaine scientifique, mais également dans divers dispositifs techniques.
Les températures les plus basses ont été atteintes d'une manière différente. Il s'avère que les molécules de certains sels, par exemple l'alun de potassium et de chrome, peuvent tourner le long de lignes de force magnétique. Ce sel est pré-refroidi avec de l'hélium liquide à 1°K et placé dans un champ magnétique puissant. Dans ce cas, les molécules tournent le long des lignes de force et la chaleur dégagée est évacuée par l'hélium liquide. Ensuite, le champ magnétique est brusquement supprimé, les molécules tournent à nouveau dans des directions différentes et le temps dépensé

Ce travail conduit à un refroidissement supplémentaire du sel. C’est ainsi que nous avons obtenu une température de 0,001° K. En utilisant une méthode similaire en principe, en utilisant d’autres substances, nous pouvons obtenir une température encore plus basse.
La température la plus basse obtenue jusqu'à présent sur Terre est de 0,00001° K.

Superfluidité

Une substance congelée à des températures ultra-basses dans des bains d'hélium liquide change sensiblement. Le caoutchouc devient cassant, le plomb devient dur comme l'acier et élastique, de nombreux alliages augmentent la résistance.

L’hélium liquide lui-même se comporte d’une manière particulière. À des températures inférieures à 2,2° K, il acquiert une propriété sans précédent pour les liquides ordinaires : la superfluidité : une partie perd complètement sa viscosité et s'écoule à travers les fissures les plus étroites sans aucun frottement.
Ce phénomène a été découvert en 1937 par l'académicien physicien soviétique P. JI. Kapitsa, a ensuite expliqué l'académicien JI. D. Landau.
Il s'avère qu'à des températures ultra-basses, les lois quantiques du comportement de la matière commencent à avoir un effet notable. Comme l’exige l’une de ces lois, l’énergie ne peut être transférée d’un corps à l’autre que par portions bien définies – les quanta. Il y a si peu de quanta de chaleur dans l’hélium liquide qu’il n’y en a pas assez pour tous les atomes. La partie du liquide, dépourvue de quanta de chaleur, reste comme à température nulle absolue ; ses atomes ne participent pas du tout à un mouvement thermique aléatoire et n'interagissent en aucune façon avec les parois du récipient. Cette partie (appelée hélium-H) possède une superfluidité. À mesure que la température diminue, l’hélium P devient de plus en plus abondant et, au zéro absolu, tout l’hélium se transformerait en hélium H.
La superfluidité a maintenant été étudiée en détail et a même trouvé une application pratique utile : grâce à elle, il est possible de séparer les isotopes de l'hélium.

Supraconductivité

Proche du zéro absolu, des changements extrêmement intéressants se produisent dans les propriétés électriques de certains matériaux.
En 1911, le physicien néerlandais Kamerlingh Onnes fait une découverte inattendue : il s'avère qu'à une température de 4,12°K, la résistance électrique du mercure disparaît complètement. Mercure devient supraconducteur. Le courant électrique induit dans un anneau supraconducteur ne s’éteint pas et peut circuler presque indéfiniment.
Au-dessus d'un tel anneau, une boule supraconductrice flottera dans les airs et ne tombera pas, comme dans un conte de fées<гроб Магомета>, car sa gravité est compensée par la répulsion magnétique entre l'anneau et la boule. Après tout, un courant continu dans l’anneau créera un champ magnétique qui, à son tour, induira un courant électrique dans la balle et avec lui un champ magnétique de direction opposée.
En plus du mercure, l’étain, le plomb, le zinc et l’aluminium ont une supraconductivité proche du zéro absolu. Cette propriété a été trouvée dans 23 éléments et plus d’une centaine d’alliages différents et autres composés chimiques.
Les températures auxquelles apparaît la supraconductivité (températures critiques) couvrent une plage assez large - de 0,35° K (hafnium) à 18° K (alliage niobium-étain).
Le phénomène de supraconductivité, comme la super-
la fluidité a été étudiée en détail. Les dépendances des températures critiques sur la structure interne des matériaux et le champ magnétique externe ont été trouvées. Une théorie profonde de la supraconductivité a été développée (une contribution importante a été apportée par l'académicien scientifique soviétique N. N. Bogolyubov).
L’essence de ce phénomène paradoxal est là encore purement quantique. À des températures ultra-basses, les électrons dans

Le supraconducteur forme un système de particules liées par paires qui ne peuvent pas donner d'énergie au réseau cristallin ni gaspiller des quanta d'énergie en le chauffant. Des paires d'électrons se déplacent comme si<танцуя>, entre<прутьями решетки>- des ions et les contourne sans collisions ni transfert d'énergie.
La supraconductivité est de plus en plus utilisée en technologie.
Par exemple, des solénoïdes supraconducteurs sont utilisés dans la pratique - des bobines de supraconducteur immergées dans de l'hélium liquide. Une fois induits, le courant et, par conséquent, un champ magnétique peuvent y être stockés aussi longtemps que souhaité. Il peut atteindre une taille gigantesque – plus de 100 000 oersted. Dans le futur, de puissants dispositifs supraconducteurs industriels apparaîtront sans aucun doute : moteurs électriques, électro-aimants, etc.
En radioélectronique, les amplificateurs ultra-sensibles et les générateurs d'ondes électromagnétiques, qui fonctionnent particulièrement bien dans les bains d'hélium liquide, commencent à jouer un rôle important - là, le<шумы>équipement. Dans la technologie informatique électronique, un brillant avenir est promis aux commutateurs supraconducteurs de faible puissance - les cryotrons (voir Art.<Пути электроники>).
Il n’est pas difficile d’imaginer à quel point il serait tentant de faire fonctionner de tels dispositifs dans une région où les températures sont plus élevées et plus accessibles. Récemment, l’espoir de créer des supraconducteurs à film polymère a été découvert. La nature particulière de la conductivité électrique de ces matériaux promet une brillante opportunité de maintenir la supraconductivité même à température ambiante. Les scientifiques cherchent constamment des moyens de concrétiser cet espoir.

Au fond des étoiles

Et maintenant, regardons le domaine de la chose la plus chaude au monde : les profondeurs des étoiles. Où les températures atteignent des millions de degrés.
Le mouvement thermique aléatoire des étoiles est si intense que des atomes entiers ne peuvent y exister : ils sont détruits lors d’innombrables collisions.
Une substance si chaude ne peut donc être ni solide, ni liquide, ni gazeuse. Il est à l'état de plasma, c'est à dire d'un mélange d'éléments chargés électriquement.<осколков>atomes - noyaux atomiques et électrons.
Le plasma est un état unique de la matière. Ses particules étant chargées électriquement, elles sont sensibles aux forces électriques et magnétiques. La proximité de deux noyaux atomiques (ils portent une charge positive) est donc un phénomène rare. Ce n'est qu'à des densités élevées et à des températures énormes que les noyaux atomiques entrant en collision peuvent se rapprocher. Ensuite, des réactions thermonucléaires se produisent - la source d'énergie des étoiles.
L'étoile la plus proche de nous, le Soleil, est constituée principalement de plasma d'hydrogène, qui est chauffé dans les entrailles de l'étoile à 10 millions de degrés. Dans de telles conditions, des rencontres rapprochées de noyaux d'hydrogène rapides et de protons, bien que rares, se produisent. Parfois, des protons proches interagissent : après avoir surmonté la répulsion électrique, ils tombent rapidement sous la puissance de gigantesques forces d'attraction nucléaires.<падают>les uns sur les autres et fusionner. Ici se produit une restructuration instantanée : au lieu de deux protons, apparaissent un deuton (le noyau d'un isotope lourd de l'hydrogène), un positron et un neutrino. L'énergie libérée est de 0,46 million d'électrons-volts (MeV).
Chaque proton solaire peut entreprendre une telle réaction en moyenne une fois tous les 14 milliards d’années. Mais il y a tellement de protons dans les entrailles de la lumière que cet événement improbable se produit ici et là - et notre étoile brûle de sa flamme uniforme et éblouissante.
La synthèse des deutons n'est que la première étape des transformations thermonucléaires solaires. Le deuton nouveau-né se combine très vite (en moyenne après 5,7 secondes) avec un autre proton. Un noyau léger d'hélium et un quantum gamma de rayonnement électromagnétique apparaissent. 5,48 MeV d'énergie sont libérés.
Enfin, en moyenne une fois tous les millions d’années, deux noyaux légers d’hélium peuvent converger et se combiner. Ensuite, un noyau d’hélium ordinaire (particule alpha) se forme et deux protons sont séparés. 12,85 MeV d'énergie sont libérés.
Ces trois étapes<конвейер>les réactions thermonucléaires ne sont pas les seules. Il existe une autre chaîne de transformations nucléaires, plus rapides. Les noyaux atomiques de carbone et d'azote y participent (sans être consommés). Mais dans les deux cas, les particules alpha sont synthétisées à partir de noyaux d’hydrogène. Au sens figuré, le plasma d'hydrogène du Soleil<сгорает>, se transformer en<золу>-Plasma d'hélium. Et lors de la synthèse de chaque gramme de plasma d'hélium, 175 000 kWh d'énergie sont libérés. Grande quantité!
Chaque seconde, le Soleil émet 4 1033 ergs d’énergie, perdant 4 1012 g (4 millions de tonnes) de matière en poids. Mais la masse totale du Soleil est de 2 1027 tonnes, ce qui signifie qu'en un million d'années, grâce au rayonnement, le Soleil.<худеет>seulement un dix millionième de sa masse. Ces chiffres illustrent éloquemment l’efficacité des réactions thermonucléaires et le gigantesque pouvoir calorifique de l’énergie solaire.<горючего>- l'hydrogène.
La fusion thermonucléaire est apparemment la principale source d'énergie de toutes les étoiles. À différentes températures et densités des intérieurs stellaires, différents types de réactions se produisent. En particulier, le solaire<зола>-noyaux d'hélium - à 100 millions de degrés, il devient lui-même thermonucléaire<горючим>. Des noyaux atomiques encore plus lourds – carbone et même oxygène – peuvent alors être synthétisés à partir de particules alpha.
Selon de nombreux scientifiques, l'ensemble de notre métagalaxie est également le fruit d'une fusion thermonucléaire, qui a eu lieu à une température d'un milliard de degrés (voir Art.<Вселенная вчера, сегодня и завтра>).

Vers le soleil artificiel

Pouvoir calorifique extraordinaire du thermonucléaire<горючего>a incité les scientifiques à mettre en œuvre artificiellement des réactions de fusion nucléaire.
<Горючего>- Il existe de nombreux isotopes de l'hydrogène sur notre planète. Par exemple, l’hydrogène tritium superlourd peut être produit à partir du lithium métallique dans des réacteurs nucléaires. Et l'hydrogène lourd - le deutérium fait partie de l'eau lourde, qui peut être extraite de l'eau ordinaire.
L’hydrogène lourd extrait de deux verres d’eau ordinaire fournirait dans un réacteur thermonucléaire autant d’énergie qu’on en produit actuellement en brûlant un baril d’essence super.
La difficulté est de préchauffer<горючее>à des températures auxquelles il peut s'enflammer avec un puissant feu thermonucléaire.
Ce problème a été résolu pour la première fois avec la bombe à hydrogène. Les isotopes de l'hydrogène y sont enflammés par l'explosion d'une bombe atomique, qui s'accompagne d'un chauffage de la substance à plusieurs dizaines de millions de degrés. Dans l'une des versions de la bombe à hydrogène, le combustible thermonucléaire est un composé chimique d'hydrogène lourd avec du lithium léger - deutérure de lithium léger. Cette poudre blanche, semblable au sel de table,<воспламеняясь>depuis<спички>, qui est une bombe atomique, explose instantanément et crée une température de plusieurs centaines de millions de degrés.
Pour déclencher une réaction thermonucléaire pacifique, il faut d’abord apprendre à chauffer de petites doses d’un plasma suffisamment dense d’isotopes d’hydrogène à des températures de plusieurs centaines de millions de degrés sans l’aide d’une bombe atomique. Ce problème est l’un des plus difficiles de la physique appliquée moderne. Les scientifiques du monde entier y travaillent depuis de nombreuses années.
Nous avons déjà dit que c'est le mouvement chaotique des particules qui crée l'échauffement des corps, et l'énergie moyenne de leur mouvement aléatoire correspond à la température. Réchauffer un corps froid signifie créer ce désordre de quelque manière que ce soit.
Imaginez deux groupes de coureurs se précipitant l'un vers l'autre. Alors ils se sont heurtés, se sont mélangés, la cohue et la confusion ont commencé. Gros gâchis !
De la même manière, les physiciens ont d'abord essayé d'obtenir des températures élevées en faisant entrer en collision des jets de gaz à haute pression. Le gaz s'est chauffé jusqu'à 10 000 degrés. À une certaine époque, c'était un record : la température était plus élevée qu'à la surface du Soleil.
Mais avec cette méthode, un chauffage ultérieur, plutôt lent et non explosif du gaz est impossible, car le désordre thermique se propage instantanément dans toutes les directions, réchauffant les parois de la chambre expérimentale et l'environnement. La chaleur qui en résulte quitte rapidement le système et il est impossible de l'isoler.
Si les jets de gaz sont remplacés par des flux de plasma, le problème de l'isolation thermique reste très difficile, mais il y a aussi de l'espoir pour sa solution.
Certes, le plasma ne peut pas être protégé des pertes de chaleur par des récipients constitués même de la substance la plus réfractaire. Lorsque le plasma chaud entre en contact avec des parois solides, il se refroidit immédiatement. Mais vous pouvez essayer de maintenir et de chauffer le plasma en créant son accumulation dans le vide afin qu'il ne touche pas les parois de la chambre, mais pende dans le vide, sans rien toucher. Ici, nous devons profiter du fait que les particules de plasma ne sont pas neutres, comme les atomes de gaz, mais chargées électriquement. Par conséquent, lorsqu’ils se déplacent, ils sont exposés à des forces magnétiques. La tâche se pose : créer un champ magnétique d'une configuration particulière dans lequel le plasma chaud serait suspendu comme dans un sac aux parois invisibles.
La forme la plus simple d’un tel plasma est créée automatiquement lorsque de fortes impulsions de courant électrique traversent le plasma. Dans ce cas, des forces magnétiques sont induites autour du cordon plasma, qui ont tendance à comprimer le cordon. Le plasma est séparé des parois du tube à décharge et, dans l'axe du cordon, lors de l'écrasement des particules, la température s'élève à 2 millions de degrés.
Dans notre pays, de telles expériences ont été réalisées dès 1950 sous la direction des académiciens JI. A. Artsimovich et M. A. Leontovich.
Une autre direction d'expérimentation est l'utilisation d'une bouteille magnétique, proposée en 1952 par le physicien soviétique G.I. Budker, aujourd'hui académicien. La bouteille magnétique est placée dans une chambre en liège - une chambre à vide cylindrique équipée d'un enroulement externe, qui est condensé aux extrémités de la chambre. Le courant circulant dans le bobinage crée un champ magnétique dans la chambre. Ses lignes de champ dans la partie médiane sont situées parallèlement aux génératrices du cylindre, et aux extrémités elles sont comprimées et forment des bouchons magnétiques. Les particules de plasma injectées dans une bouteille magnétique s'enroulent autour des lignes de champ et sont réfléchies par les bouchons. Le plasma reste ainsi retenu à l’intérieur du flacon pendant un certain temps. Si l'énergie des particules de plasma introduites dans la bouteille est suffisamment élevée et qu'elles sont assez nombreuses, elles entrent dans des interactions de force complexes, leur mouvement initialement ordonné s'enchevêtre, devient désordonné - la température des noyaux d'hydrogène s'élève jusqu'à des dizaines de des millions de degrés.
Un chauffage supplémentaire est obtenu par électromagnétique<ударами>par plasma, compression du champ magnétique, etc. Désormais, le plasma de noyaux d'hydrogène lourds est chauffé à des centaines de millions de degrés. Certes, cela peut être fait pendant une courte période ou avec une faible densité de plasma.
Pour initier une réaction auto-entretenue, la température et la densité du plasma doivent être encore augmentées. C’est difficile à réaliser. Cependant, comme les scientifiques en sont convaincus, le problème peut sans aucun doute être résolu.

G.B. Anfilov

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