Absolutní nula je spodní hranice teplotní stupnice, při které jsou všechny látky v naprostém klidu. Je to nejnižší teplota, které lze v přírodě dosáhnout a je -273,15 stupně Celsia, neboli 0 Kelvinů.
K přiblížení k absolutní nule dochází pomocí různých metod chlazení. V důsledku experimentů se podařilo dosáhnout velmi nízkých teplot-až několika nanokelvinů. Podle teorie je však zásadně nemožné dosáhnout absolutní nuly právě kvůli zvláštní povaze atomů a jejich interakcím.
Teplota je měřítkem průměrné kinetické energie atomů nebo molekul látky. Při ochlazování teplota klesá a kinetická energie se stále více blíží nule. Podle teorie kvantové mechaniky však atomy a molekuly mají vždy určitý oscilační pohyb bez ohledu na vnější podmínky. To znamená, že i při absolutní nule atomy nadále oscilují a mají kinetickou energii.
Absolutní nula a teplota
Podle termodynamického minima nelze dosáhnout absolutní nuly. Je to proto, že přiblížení k němu vyžaduje nekonečně velké energetické náklady. Když se teplota přiblíží k absolutní nule, začne se projevovat mnoho účinků, jako je supravodivost a supratecita, což vyžaduje další úsilí k udržení takového stavu.
Poměr mezi teplotou a kinetickou energií částic látky je popsán vzorcem:
k = 1 / 2 * m * v^2 * (3 / 2) * t
Kde k - kinetická energie, m - hmotnost částice, v rychlost částice a t - teplota v Kelvinech. Z tohoto vzorce je zřejmé, že když se teplota přiblíží k absolutní nule, kinetická energie by se měla snížit, což je v rozporu s fyzikálními zákony.
Absolutní nula tak zůstává jen teoretickou hranicí a nedosažitelným bodem v měřítku reálného světa.
Absolutní nula a její význam
V Kelvinově stupnici nula stupňů znamená naprostý nedostatek tepelného pohybu molekul a absolutní nedostatek energie. Dosáhnout absolutní nuly je tedy téměř nemožné.
Zatímco v laboratorních podmínkách vědci dosáhli velmi nízkých teplot a prakticky se přiblížili absolutní nule, není možné překročit tento limit kvůli vlastnostem kvantové mechaniky.
Kvantová mechanika říká, že částice nemohou mít absolutně nulovou energii a vždy musí mít nějakou minimální energii zvanou nulové pozadí. Ať je tedy teplota jakkoli nízká, vždy zůstanou vibrace a pohyb molekul.
Absolutní nula tak zůstává nedosažitelným cílem a předmětem vědeckého výzkumu. Vědci se k němu vždy snaží přiblížit a studovat chování hmoty při velmi nízkých teplotách, což je důležité pro pochopení základních fyzikálních zákonů a vytváření nových materiálů a technologií.
Tepelné záření a absolutní nula
Podle Planckova zákona je tepelné záření závislé na teplotě a představuje souvislé spektrum různých frekvencí. Čím vyšší je teplota, tím intenzivnější je záření. Při snaze teploty o absolutní nulu však energie fotonů tvořících záření směřuje k nule. Frekvence záření je totiž velmi nízká.
Vzorec popisující tepelné záření se nazývá zákon vína. Ukazuje, že s rostoucí teplotou se vrchol záření posouvá na kratší vlny. Při snaze teploty o absolutní nulu se tedy vrchol záření přesune do oblasti s velmi nízkými frekvencemi, a proto energie bude směřovat k nule.
| Teplota (T), K | Frekvence pick záření (v), Hz |
|---|---|
| 300 K | 3 × 10^11 |
| 100 k | 10^11 |
| 10 K | 3 × 10^10 |
| 1 K | 10^10 |
| 0,1 K | 3 × 10^9 |
Tabulka uvádí přibližné hodnoty frekvence vrcholu záření pro různé teploty. Jak je vidět z dat, s poklesem teploty se frekvence vrcholu záření blíží nule na hranici absolutní nuly.
Tepelné záření a zákon vína tak vysvětlují, proč není možné dosáhnout absolutní nuly. Když teplota směřuje k absolutní nule, tepelné záření a energie fotonů se stávají nekonečně nízkými, což znemožňuje dosažení absolutní nuly.
Teploty v kelvinech i ve stupních Celsia
Stupnice stupňů Celsia je založena na rozdělení intervalu mezi teplotami tání a varu vody na 100 stejných částí. Teplota tání vody za normálních podmínek je 0°C a varu je 100°C. Normální pokojová teplota je tedy přibližně 20-25°C.
Kelvinova stupnice je založena na absolutním nulovém bodě, bodu, který odpovídá absenci tepelné energie. Absolutní nula je -273.15°C nebo 0K.v Kelvinově stupnici se teplota měří v kelvinech, kde 1K je 1 stupeň Celsia. Normální pokojová teplota je tedy přibližně 293k.
Rozdíl mezi stupnicí Celsia a kelvinovou stupnicí je v počátečním bodě: v Celsii je tání a vaření vody, zatímco v Kelvinu je absolutní nula. Za zmínku také stojí, že kelviny mají menší vzdálenost mezi stupni než ve stupních Celsia. Například změna o 1 K odpovídá změně o 1 stupeň Celsia.
Obě stupnice jsou široce používány ve vědě a technice. Kelvinova stupnice je zvláště užitečná při zvažování teplotních změn, protože umožňuje vyhnout se záporným hodnotám a zjednodušuje matematické výpočty.
Magnetické vlastnosti materiálů při nízkých teplotách
Při poklesu teploty dochází ke zvýšení magnetického momentu a uspořádanosti domén, což vede ke vzniku permanentních magnetických polí. To způsobuje fenomén feromagnetismu a související magnetickou saturaci.
Dalším zajímavým fenoménem pozorovaným při nízkých teplotách je fenomén supravodivosti. Při přechodu materiálu do supravodivého stavu se jeho magnetická propustnost otočí na nulu, což vede k jevu dokonalé adaptace magnetických polí. Tento materiál nemá ani magnetismus, ani jasný projev feromagnetismu.
Nízkoteplotní vlastnosti materiálů mají obrovský praktický význam a nacházejí uplatnění v oblastech, jako je vytváření super magnetů pro lékařskou diagnostiku, vývoj moderních elektronických součástek a další.