درجة حرارة مطلقة

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى التنقل اذهب إلى البحث

درجة الحرارة المطلقة هي درجة الحرارة المقاسة على أساس الصفر المطلق ، ووحدتها كلفن. والعلاقة بين الصفر المطلق والصفر المئوي أن الصفر المطلق 273.15 يعادل درجة تحت الصفر المئوي . مثلاً، إذا كانت درجة حرارة الغرفة 20 درجة مئوية ، تكون بالكلفن = 20 + 273 = 293 كلفن.

في الفيزياء والكيمياء يعتبر الصفر المطلق ثابتاً طبيعياً، وهو أقل درجة حرارة على الإطلاق. ومن المستحيل الوصول إليها تماماً، لأن القانون الثالث للديناميكا الحرارية ينص على عدم إمكانية الوصول إلى الصفر المطلق ، وذلك بسبب التناسب الطردي بين الحجم والحرارة. ونتيجة لهذه العلاقة الطردية، فإذا بلغ جسم ما درجة الصفر المطلق فسوف يكون حجمه صفر. وإضافة إلى ذلك فإن الوصول إلى درجة الصفر المطلق يستلزم شغلاً هائلاً جداً . لأن التبريد يحتاج إلى طاقة ، أنظر إلى الثلاجة مثلا فهي تعمل بالطاقة الكهربية ، وكلما رغبنا في درجة حرارة أقل ، مثلا من -3 درجة مئوية إلى -11 أو -18 درجة مئوية فإن الثلاجة تستهلك طاقة أكبر ، ويزداد هذا الشغل زيادة متزايدة الكبر كلما اقتربنا من "الصفر المطلق".


مقدمة[عدل]

الحركات الانتقالية في الجسيمات المكوّنة للمواد (مثل الجزيئات والذرات) هي التي تمنحها الحرارة. في هذه الصورة، يظهر حجم ذرات الهيليوم بالنسبة للفراغ بينها تحت ضغط 1950 درجة أتموسفير.
طريقة الحركة الانتقالية للجسيمات في المواد الصلبة.

تنشأ الحرارة من الاهتزاز العشوائي للجسيمات التحت مجهرية المكوّنة للمادة (مثل الجزيئات والذرات). تُشكّل هذه الحركات طاقة حركية في المادة. وعلى وجه الخصوص أكثر، درجة الحرارة المطلقة لأي مقدار من المادة هي قياس متوسط الطاقة الحركية لنوع محدد من الحركة التذبذبية والاهتزازية للجسيمات المكوّنة للمادة، وتسمى "الحركات الانتقالية". الحركات الانتقالية أمر عادي، فجسم كامل يتحرك في فضاء ثلاثي البعد تتحرك الجسيمات فيه وتتبادل الطاقة في اصطدامات. الصورة على اليمين تظهر الحركة الانتقالية في الغازات، وتحتها صورة أخرى تظهر الحركة الانتقالية في المواد الصلبة. نقطة الصفر في درجة الحرارة المطلقة (الصفر المطلق) هي درجة الحرارة التي تكون عندها الجسيمات المشكلة للمادة قريبة[ملاحظة 1] لدرجة أنها تتوقف تماماً عن الحركة، حيث تبقى الطاقة الحركية هي 0 عند درجة الصفر المطلق.

في كل مكان في العالم يقوم العلماء بالقياس بواسطة وحدات "Si" (نظام الوحدات الدولي)، وفي نظام الوحدات هذا تقاس درجة الحرارة المطلقة بوحدة "الكلفن" ورمزها هو "ك" (K). لكن بالرغم من ذلك، ففي الولايات المتحدة يستخدم "مقياس رانكين" لقياس درجة الحرارة المطلقة في العديد من مجالات الهندسة.

تم باتفاق دولي تعريف مقياس الكلفن بنقطتين: الصفر المطلق والنقطة الثلاثية للماء. الصفر المطلق هو أخفق حرارة في الطبيعة، وهو يُمثل درجة 0 ك أو 273.16ْ- مئوية. أما النقطة الثلاثية للماء فهي درجة 273.16 ك أو 0.01ْ مئوية. يُحقق هذا التعريف ثلاثة أشياء:

1. يُثبّت مقدار وحدة الكلفن بأنها جزء من 273.16 بالضبط من النقطة الثلاثية للماء.

2. يُحدد مقدار درجة الكلفن بأنه مساوٍ تماما للدرجة المئوية الواحدة (من حيث زيادة الحرارة بزيادة كل درجة).

3. يُحدد الفرق بين نقطة الصفر في كل من المقياسين، حيث تبلغ درجة الصفر المئوي 273.16 بالضبط على مقياس الكلفن.

جدول درجة الحرارة المطلقة[عدل]

درجة الحرارة أقصى طول موجي[1]
of لفوتونات جسم أسود
الكلفن درجة مئوية
الصفر المطلق
(تماما حسب التعريف)
0 ك −273.15 °م لا نهائي[2]
أبرد درجة حرارة
مُقاسة[3]
450 pK −273.149,999,999,55 °م 6,400 كم
ملليكلفن واحد
(تماماً حسب التعريف)
0.001 ك −273.149 °م 2.897,77 م
(الراديو, إذاعة إف إم)[4]
النقطة الثلاثية للماء
(تماماً حسب التعريف)
273.16 ك 0.01 °م 10,608.3 ن.م
(أ.ت.ح ذات الأطوال الموجية العالية)
نقطة غليان الماء[A] 373.1339 ك 99.9839 °م 7,766.03 ن.م
(أ.ت.ح متوسطة الطول الموجي)
مصباح كهربائي متوهج[B] 2500 ك ≈2,200 °م 1,160 ن.م
(أ.ت.ح قريبة)[C]
السطح المرئي للشمس[D][5] 5,778 ك 5,505 °م 501.5 ن.م
(ضوء أخضر-أزرق)
صاعقة البرق
l[E]
28 kK 28,000 °م 100 ن.م
(الضوء الفوق بنفسجي البعيد)
نواة الشمس[E] 16 MK 16 مليون °م 0.18 ن.م (الأشعة السينية)
سلاح نووي حراري
(أقصى حرارة)[E][6]
350 MK 350 مليون °م 8.3×10−3 ن.م
(أشعة غاما)
نواةنجم
عالي الكتلة في أيامه الأخيرة
[E][7]
3 GK 3 مليار °م 1×10−3 ن.م
(أشعة غاما)
اندماج نظام نجم نيوتروني
ثنائي[E][8]
350 GK 350 مليار °م 8×10−6 ن.م
(أشعة غاما)
مصادم أيوني ثقيل نسبيا
[E][9]
1 TK 1 ترليون °م 3×10−6 ن.م
(أشعة غاما)
اصطدام سيرن لبروتونات
مع نوى[E][10]
10 TK 10 ترليون °م 3×10−7 ن.م
(أشعة غاما)
الكون بعد 5.391×10−44 s
من الانفجار العظيم[E]
1.417×1032 K 1.417×1032 °م طول بلانك
(تردد بلانك)[11]

اقرأ أيضاً[عدل]

ملاحظات[عدل]

  1. ^ العلاقة بين الحجم والحرار علاقة طردية، ولذلك فالأجسام تنكمش في البرد الشديد.

المراجع[عدل]

  1. ^ The cited emission wavelengths are for true black bodies in equilibrium. In this table, only the sun so qualifies. CODATA 2006 recommended value of 2.8977685(51)×10−3 m K used for Wien displacement law constant b.
  2. ^
    Absolute zero's relationship to zero-point energy
    While scientists are achieving temperatures ever closer to صفر مطلق, they can not fully achieve a state of zero temperature. However, even if scientists could remove all kinetic thermal energy from matter, ميكانيكا الكم طاقة النقطة-صفر (ZPE) causes particle motion that can never be eliminated. Encyclopædia Britannica Online defines zero-point energy as the "vibrational energy that molecules retain even at the absolute zero of temperature". ZPE is the result of all-pervasive energy fields in the vacuum between the fundamental particles of nature; it is responsible for the تأثير كازيمير and other phenomena. See Zero Point Energy and Zero Point Field. See also Solid Helium by the University of Alberta's Department of Physics to learn more about ZPE's effect on Bose–Einstein condensates of helium.

    Although absolute zero (T=0) is not a state of zero molecular motion, it is the point of zero temperature and, in accordance with the Boltzmann constant, is also the point of zero particle kinetic energy and zero kinetic velocity. To understand how atoms can have zero kinetic velocity and simultaneously be vibrating due to ZPE, consider the following thought experiment: two T=0 helium atoms in zero gravity are carefully positioned and observed to have an average separation of 620 pm between them (a gap of ten atomic diameters). It's an "average" separation because ZPE causes them to jostle about their fixed positions. Then one atom is given a kinetic kick of precisely 83 yoctokelvins (1 yK = 1×10−24 K). This is done in a way that directs this atom's velocity vector at the other atom. With 83 yK of kinetic energy between them, the 620 pm gap through their common مرجح would close at a rate of 719 pm/s and they would collide after 0.862 second. This is the same speed as shown in the Fig. 1 animation above. Before being given the kinetic kick, both T=0 atoms had zero kinetic energy and zero kinetic velocity because they could persist indefinitely in that state and relative orientation even though both were being jostled by ZPE. At T=0, no kinetic energy is available for transfer to other systems. The Boltzmann constant and its related formulas describe the realm of particle kinetics and velocity vectors whereas ZPE is an energy field that jostles particles in ways described by the mathematics of quantum mechanics. In atomic and molecular collisions in gases, ZPE introduces a degree of نظرية فوضى الكون, i.e., unpredictability, to rebound kinetics; it is as likely that there will be less ZPE-induced particle motion after a given collision as more. This random nature of ZPE is why it has no net effect upon either the pressure or volume of any bulk quantity (a statistically significant quantity of particles) of T>0 K gases. However, in T=0 فيزياء المواد المكثفة; e.g., solids and liquids, ZPE causes inter-atomic jostling where atoms would otherwise be perfectly stationary. Inasmuch as the real-world effects that ZPE has on substances can vary as one alters a thermodynamic system (for example, due to ZPE, helium won't freeze unless under a pressure of at least 25 bar or 2.5 MPa), ZPE is very much a form of thermal energy and may properly be included when tallying a substance's internal energy.

    Note too that absolute zero serves as the baseline atop which ديناميكا حرارية and its معادلات دينامية حرارية are founded because they deal with the exchange of thermal energy between "systems" (a plurality of particles and fields modeled as an average). Accordingly, one may examine ZPE-induced particle motion within a system that is at absolute zero but there can never be a net outflow of thermal energy from such a system. Also, the peak emittance wavelength of black-body radiation shifts to infinity at absolute zero; indeed, a peak no longer exists and black-body photons can no longer escape. Because of ZPE, however, virtual photons are still emitted at T=0. Such photons are called "virtual" because they can't be intercepted and observed. Furthermore, this zero-point radiation has a unique zero-point spectrum. However, even though a T=0 system emits zero-point radiation, no net heat flow Q out of such a system can occur because if the surrounding environment is at a temperature greater than T=0, heat will flow inward, and if the surrounding environment is at T=0, there will be an equal flux of ZP radiation both inward and outward. A similar Q equilibrium exists at T=0 with the ZPE-induced انبعاث تلقائي of photons (which is more properly called a stimulated emission in this context). The graph at upper right illustrates the relationship of absolute zero to zero-point energy. The graph also helps in the understanding of how zero-point energy got its name: it is the vibrational energy matter retains at the zero-kelvin point. Derivation of the classical electromagnetic zero-point radiation spectrum via a classical thermodynamic operation involving van der Waals forces, Daniel C. Cole, Physical Review A, 42 (1990) 1847. نسخة محفوظة 16 سبتمبر 2017 على موقع واي باك مشين.

  3. ^ A record cold tempe rature of 450 ±80 pK in a Bose–Einstein condensate (BEC) of sodium atoms was achieved in 2003 by researchers at MIT. Citation: Cooling Bose–Einstein Condensates Below 500 Picokelvin, A. E. Leanhardt et al., Science 301, 12 Sept. 2003, p. 1515. It's noteworthy that this record's peak emittance black-body wavelength of 6,400 kilometers is roughly the radius of Earth.
  4. ^ The peak emittance wavelength of 2.897,77 م is a frequency of 103.456 MHz
  5. ^ Measurement was made in 2002 and has an uncertainty of ±3 kelvin. A 1989 measurement produced a value of 5,777.0±2.5 K. Citation: Overview of the Sun (Chapter 1 lecture notes on Solar Physics by Division of Theoretical Physics, Dept. of Physical Sciences, University of Helsinki). نسخة محفوظة 12 مارس 2016 على موقع واي باك مشين.
  6. ^ The 350 MK value is the maximum peak fusion fuel temperature in a thermonuclear weapon of the Teller–Ulam configuration (commonly known as a hydrogen bomb). Peak temperatures in Gadget-style fission bomb cores (commonly known as an atomic bomb) are in the range of 50 to 100 MK. Citation: Nuclear Weapons Frequently Asked Questions, 3.2.5 Matter At High Temperatures. Link to relevant Web page. All referenced data was compiled from publicly available sources. نسخة محفوظة 21 مايو 2017 على موقع واي باك مشين.
  7. ^ Core temperature of a high–mass (>8–11 solar masses) star after it leaves the main sequence on the Hertzsprung–Russell diagram and begins the عملية ألفا (which lasts one day) of fusing silicon–28 into heavier elements in the following steps: sulfur–32 → argon–36 → calcium–40 → titanium–44 → chromium–48 → iron–52 → nickel–56. Within minutes of finishing the sequence, the star explodes as a Type II مستعر أعظم. Citation: Stellar Evolution: The Life and Death of Our Luminous Neighbors (by Arthur Holland and Mark Williams of the University of Michigan). Link to Web site. More informative links can be found here, and here, and a concise treatise on stars by NASA is here. نسخة محفوظة 18 يوليو 2017 على موقع واي باك مشين.
  8. ^ Based on a computer model that predicted a peak internal temperature of 30 MeV (350 GK) during the merger of a binary neutron star system (which produces a gamma–ray burst). The neutron stars in the model were 1.2 and 1.6 solar masses respectively, were roughly 20 km in diameter, and were orbiting around their barycenter (common center of mass) at about 390 Hz during the last several milliseconds before they completely merged. The 350 GK portion was a small volume located at the pair's developing common core and varied from roughly 1 to 7 km across over a time span of around 5 ms. Imagine two city-sized objects of unimaginable density orbiting each other at the same frequency as the G4 musical note (the 28th white key on a piano). It's also noteworthy that at 350 GK, the average neutron has a vibrational speed of 30% the speed of light and a relativistic mass (m) 5% greater than its rest mass (m0).  Torus Formation in Neutron Star Mergers and Well-Localized Short Gamma-Ray Bursts, R. Oechslin et al. of Max Planck Institute for Astrophysics., arXiv:astro-ph/0507099 v2, 22 Feb. 2006. An html summary. نسخة محفوظة 10 يناير 2018 على موقع واي باك مشين.
  9. ^ Results of research by Stefan Bathe using the PHENIX detector on the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, U.S.A.  Bathe has studied gold-gold, deuteron-gold, and proton-proton collisions to test the theory of quantum chromodynamics, the theory of the strong force that holds atomic nuclei together.  Link to news release. نسخة محفوظة 30 ديسمبر 2017 على موقع واي باك مشين.
  10. ^ How do physicists study particles? by CERN. نسخة محفوظة 11 فبراير 2013 على موقع واي باك مشين.
  11. ^ The Planck frequency equals 1.85487(14)×1043 Hz (which is the reciprocal of one Planck time). Photons at the Planck frequency have a wavelength of one Planck length. The Planck temperature of 1.41679(11)×1032 K equates to a calculated /T = λmax wavelength of 2.04531(16)×10−26 نـم. However, the actual peak emittance wavelength quantizes to the Planck length of 1.61624(12)×10−26 نـم.