Mutlaq nol harorat

Haroratning mutlaq noli (kamroq hollarda — haroratning mutlaq nol nuqtasi) — haroratning eng quyi chegarasi bo‘lib, unga fizik jism Koinotda ega bo‘lishi mumkin. Bu holatda tizimning ichki energiyasi minimumga tushadi, ideal holatda esa entropiyasi nolga tenglashadi.

Mutlaq nol mutlaq harorat shkalalari, jumladan, Kelvin va Rankin shkalalari uchun hisoblashning boshlang‘ich nuqtasidir. Selsiy shkalasi bo‘yicha mutlaq nol −273,15 °C ga, Farengeyt shkalasi bo‘yicha esa −459,67 °F ga teng.

Amalda, termodinamika qonunlariga ko‘ra mutlaq nolga erishib bo‘lmaydi. Biroq nolga cheksiz yaqin haroratlarga erishish mumkin. Bunday sharoitda moddalar noodatiy kvant xossalarini, jumladan, o‘ta o‘tkazuvchanlik, o‘ta oquvchanlik, Boze — Eynshteyn kondensatining hosil bo‘lishi va boshqa hodisalarni namoyon etadi.

Ta’rif

Mutlaq nol tushunchasini ekstrapolyatsiya qilish, ya’ni ideal gaz qonunlarini davom ettirish orqali keltirib chiqarish mumkin. Ideal gazda bosim (hajm o‘zgarmas bo‘lganda) va hajm (bosim o‘zgarmas bo‘lganda) haroratga chiziqli bog‘liq:

$pV=\mathrm {const} \cdot T,$

bu yerda $p$ — bosim, $V$ — hajm, $T$ — mutlaq harorat.

Agar bu bog‘liqliklar Selsiy shkalasida ifodalansa, bosim (yoki hajm) grafiklari harorat o‘qini −273,15 °C nuqtada kesib o‘tadi (rasmga qarang). Bu haroratning quyi chegarasi mavjudligini bildiradi: undan pastda gazning hajmi yoki bosimi manfiy bo‘lishi kerak edi, bu esa fizik jihatdan mumkin emas.

Ushbu ziddiyatni bartaraf etish uchun mutlaq harorat tushunchasi kiritiladi. Unda 0 kelvin (K) ideal gaz bosimi yoki hajmi nolga teng bo‘lishi kerak bo‘lgan nuqta sifatida belgilanadi.

1954-yilda X O‘lchov va tarozilar bo‘yicha bosh konferensiya termodinamik harorat shkalasiga yagona tayanch nuqtani — suvning uchlanma nuqtasini asos qilib oldi. Uning harorati 273,16 K (0,01 °C ga teng) deb qabul qilindi.

Mutlaq nolga erishib bo‘lmasligi

Termodinamikaning uchinchi qonuniga ko‘ra, tizim entropiyasi harorat mutlaq nolga yaqinlashgan sari o‘zgarmas minimumga intiladi. Ideal kristall uchun bu minimum nolga teng deb olinadi, chunki tizim faqat bitta mumkin bo‘lgan mikroholatga ega mukammal tartibli holatga o‘tadi. Ayrim haqiqiy tizimlar 0 K da bir nechta mikroholatga va qoldiq entropiyaga ega bo‘lishi mumkin.

Termodinamikaning uchinchi qonunidan mutlaq nolga prinsipial jihatdan erishib bo‘lmasligi kelib chiqadi. Hech qanday fizik jarayon tizimni chekli sondagi bosqichlarda 0 K gacha sovita olmaydi. Bu chegaraga yaqinlashgan sari issiqlikni chiqarib yuborish samaradorligi tobora pasayadi, chunki har qanday jarayonda entropiyaning o‘zgarishi nolga intiladi. Aynan nolga erishish imkonsiz bo‘lsa-da, unga cheksiz yaqinlashish, bu chegaradan atigi darajaning milliarddan bir ulushlaricha yuqori haroratlarni olish mumkin.

Past haroratlarda fizik xossalar

Nol nuqtaviy energiya

Zarralar harakati butunlay to‘xtaydi, degan klassik fizika tasavvuridan farqli ravishda, kvant mexanikasi mutlaq nolda ham tizimda nol nuqtaviy energiya deb ataladigan minimal energiya saqlanishini ko‘rsatadi. Bunga Geyzenbergning noaniqlik prinsipi sabab bo‘ladi: unga ko‘ra, zarrachaning koordinatalari bilan impulsini bir vaqtda mutlaqo aniq belgilab bo‘lmaydi.

Nol nuqtaviy energiya ta’sirining yaqqol misoli — geliy: normal atmosfera bosimida u mutlaq nolga nihoyatda yaqin haroratlarda ham suyuq holatda qoladi. Geliy atomlaridagi nol nuqtaviy tebranishlar katta amplitudaga ega bo‘lgani uchun kristall panjara hosil bo‘lishiga to‘sqinlik qiladi; geliy faqat bosim oshirilgandagina qotishi mumkin.

Qattiq jismlarning issiqlik xossalari

Mutlaq nolga yaqin haroratlarda qattiq jismlarning issiqlik sig‘imi nolga intiladi. Debay modeliga ko‘ra, sof kristallning issiqlik sig‘imi va entropiyasi haroratning kubiga proporsional ( $T^{3}$ ). Shuningdek, issiqlik kengayish koeffitsiyenti va boshqa termodinamik kattaliklar ham nolga intiladi, bunda $T=0$ .

Metallardagi elektronlar

Past haroratlarda metallardagi elektronlarning harakati Fermi gazi modeli bilan tavsiflanadi. Elektronlar fermionlar bo‘lgani va Pauli taqiqlash prinsipiga bo‘ysungani uchun bir xil kvant holatini egallay olmaydi. Shu sababli elektronlar mutlaq nolda ham yuqori energiyali sathlarni egallashga majbur bo‘ladi.

0 K dagi elektronlarning eng katta energiyasi Fermi energiyasi deb ataladi; unga mos harorat (Fermi harorati) metallarda taxminan 80 000 K ni tashkil etadi. Shu sababli metallardagi elektronlar o‘ta past haroratlarda ham yuqori harakat tezligini saqlab qoladi.

Gibbs energiyasi

Quyidagi kattaliklarning o‘zgarishlari orasidagi bog‘lanish ko‘rib chiqiladi: Gibbsning erkin energiyasi ( $\Delta G$ ), entropiya ( $\Delta S$ ) va entalpiya ( $\Delta H$ )

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S\,$

Ushbu bog‘lanishdan ko‘rinadiki, harorat ( $T$ ) mutlaq nolga yaqinlashgan sari Gibbs energiyasi va entalpiyaning o‘zgarishlari bir-biriga yaqinlashadi, ularning harorat bo‘yicha hosilalari esa nolga tenglashadi.

Bu holat Tomsen — Bertloning empirik prinsipiga nazariy asos bo‘ladi. Unga ko‘ra, o‘z-o‘zidan boradigan reaksiyalar, odatda, ekzotermik.

O‘rganilish tarixi

Dastlabki tasavvurlar

Mutlaq sovuqlikning eng quyi chegarasi mavjud bo‘lishi mumkinligi ilk marta XVII asrda muhokama qilingan. Robert Boyl 1665-yilda «Sovuqqa oid yangi tajribalar va kuzatishlar» nomli asarida bu masalani ko‘rib chiqqan, ammo naturfaylasuflar orasida «eng yuqori sovuqlik»ning tabiati haqida turli qarashlar bo‘lgan.

1703-yilda fransuz fizigi Giyom Amonton havo termometrini taqdim etib, havo «butun elastikligini yo‘qotadigan» nuqtani shkalaning nazariy noli deb asoslagan. Uning hisob-kitoblarida bu qiymat taxminan −239,5 °C chiqqan. Keyinchalik, 1779-yilda nemis olimi Iogann Genrix Lambert uni −270 °C gacha aniqlashtirgan.

Rossiyada issiqlik tabiatini tushunishga M. V. Lomonosov katta hissa qo‘shgan. O‘zining kinetik nazariyasida u issiqlikni zarrachalarning «aylanma» (rotatsion) harakati bilan bog‘lagan. Uning nazariyasiga ko‘ra, bunday harakatning to‘liq to‘xtashi eng past sovuqlik darajasiga mos kelishi kerak edi.

XIX asr boshida Jak Sharl, Jon Dalton va Jozef Lui Gey-Lyussak gazlarning issiqlikdan chiziqli kengayish qonunini aniqlagan. Bu gaz hajmi nolga tenglashadigan nuqtani −273 °C atrofida aniqroq ekstrapolyatsiya qilish imkonini bergan.

Kelvin shkalasi va gazlarni suyultirish

1848-yilda lord Kelvin Karno va Joul tadqiqotlariga asoslanib, ishchi moddaning xossalariga bog‘liq bo‘lmagan mutlaq harorat shkalasini taklif qilgan. Bu shkalaning noli (−273 °C) havo termometrining noliga mos kelgan.

XIX asrning ikkinchi yarmida mutlaq nolga erishish yo‘lida «poyga» boshlandi. Uning asosiy yo‘li — gazlarni suyultirish:

1877-yil: Lui Pol Kayete va Raul Pikte suyuq havoning dastlabki tomchilarini hosil qilishdi (−195 °C).
1883-yil: Zigmund Vrublevskiy va Karol Olshevskiy suyuq kislorod olishdi (−218 °C).
1898-yil: Jeyms Dyuar birinchi marta vodorodni suyultirdi (−252 °C).
1908-yil: Xeyke Kamerling-Onnes geliyni suyultirdi (−269 °C). Bu o‘ta o‘tkazuvchanlikning kashf etilishiga yo‘l ochdi. Erishgan yutuqlari uchun u Nobel mukofotiga 1913-yilda sazovor bo‘lgan.

Manfiy haroratlar

Termodinamikada ayrim maxsus kvazimuvozanatli tizimlar (masalan, yadro spinlarining magnit maydonidagi tizimlari) Kelvin shkalasida rasmiy jihatdan «manfiy» haroratga ega bo‘lishi mumkin. Yuqori energiya sathlaridagi zarrachalar soni quyi sathlardagidan ko‘p bo‘lganda bu holat yuzaga keladi (bandlik inversiyasi).

Fizik jihatdan bular noldan «past» haroratlar emas. Manfiy mutlaq haroratli tizim har qanday musbat haroratli tizimdan «issiqroq» hisoblanadi, chunki ular o‘zaro tutashganda energiya manfiy haroratli tizimdan musbat haroratli tizimga o‘tadi.

Tabiatdagi o‘ta past haroratlar

Hozirgi Koinotning o‘rtacha harorati taxminan 2,73 K (−270,42 °C) deb baholanadi; bu qiymat relikt nurlanish ma’lumotlariga asoslanadi.

Tabiatda ma’lum bo‘lgan eng sovuq obyekt — Bumerang tumanligi, uning harorati 1 K deb baholanadi (gazning tez kengayishi tufayli). Quyosh sistemasidagi eng sovuq obyektlardan biri Neptun orti obyekti Sedna bo‘lib, uning sirt harorati taxminan 33 K (−240 °C).

Laboratoriya sharoitidagi rekordlar

Hozirgi vaqtda olimlar kvant hodisalarini o‘rganish uchun tobora pastroq haroratlarga erishishda davom etmoqdalar.

2014-yilda CUORE tajribasida (Italiya) hajmi 1 m $^{3}$ bo‘lgan mis idish 0,006 K gacha 15 kun davomida sovitildi.

2021-yilda Germaniya va Fransiya olimlari materiya to‘lqinlarini linzalash usulidan foydalanib, quyidagi tizimni o‘rganishdi: Boze — Eynshteyn kondensati (rubidiy), bunda haroratni rekord darajadagi 38 pikokelvin ( $38\cdot 10^{-12}$ K) gacha tushirishga erishildi.

Adabiyotlar

G. Burmin. Mutlaq nolni zabt etish. — M.: «Bolalar adabiyoti», 1983