Absolutna ničla — definicija, fizikalni pomen in enote (0 K, -273,15 °C)

Kaj je absolutna ničla?

Absolutna ničla je meja termodinamične temperature, pri kateri sistem doseže svoj najnižji možni energijski prazen ali osnovni (ground) položaj. Pri tej temperaturi bi v idealnem klasičnem pogledu kinetična energija delcev padla na nič, vendar v kvantni fiziki ne morejo delci popolnoma izgubiti vse energije. Obstaja namreč energija ničelne točke, ki izhaja iz Heisenbergovega načela negotovosti: če bi bil položaj delca povsem znan (delca popolnoma ustavimo), bi bila negotovost v gibalni količini neskončna in to ni skladno s kvantnimi zakoni. Zato imajo delci tudi pri zelo nizkih temperaturah še vedno neko osnovno nihanje ali ničelno gibanje.

Kaj se zgodi pri približevanju k absolutni ničli?

Pri približevanju 0 K se termalne motnje in število ekscitiranih kvantnih stanj zmanjšujeta. V preprostem statističnem pogledu pri temperaturi zelo blizu 0 K skoraj ves sistem zasede svoj osnovni kvantni nivo; razporeditev Boltzmannovih verjetnosti postane izjemno ostra. To je tudi razlog, da pri nizkih temperaturah nastajajo kvantni pojavi, kot so Bose–Einsteinov kondenzat ali superprevodnost (v materialih, ki so za to sposobni), kjer se vedenje snovi močno razlikuje od klasičnih pričakovanj.

Nekateri raziskovalci so dosegli rekordne temperature reda 100 pK (sto pikokelvinov, enako 10^-10 K) nad absolutno ničlo. Doseganje takih temperatur je tehnično zahtevno: vsak stik s toplejšim objektom prenaša toploto nazaj v ohlajeni vzorec. Zato pri eksperimentih uporabljajo velike vakuumske komore, magnetne in optične pasti ter kombinacijo tehnik, kot so laserje za upočasnitev atomov, evaporativno hlajenje, simpatetično hlajenje in adiabatska demagnetizacija (za trdne snovi).

Temperaturne lestvice in enote

Kelvinova lestvica je osnovna SI-enota za temperaturo; absolutna ničla je definirana kot 0 kelvinov (0 K). Na Rankinovi lestvici je absolutna ničla 0 stopinj Rankina (0 °R). Razmerje med običajnimi skalami je:

• K = °C + 273,15
• °R = °F + 459,67
• K = °R × 5/9

Torej sta na Celzijevi in Fahrenheitovi lestvici absolutni ničli ustrezata vrednosti približno −273,15 °C oziroma −459,67 °F.

Fizikalni pomen pri nizkih temperaturah

V idealnem klasičnem plinu bi tlak delcev upadel z zmanjševanjem temperature in pri 0 K teoretično dosegel nič, ker kinetična energija delcev pada na nič. V realnih sistemih pa kvantni učinki lahko povzročijo drugačno obnašanje: npr. degeneracijski tlak elektronov v zgoščenih sistemih (Posledica Paulijevega izključitvenega principa) ostaja nenaklonjen popolnemu propadu tlaka. Prav tako ne postanejo vsi materiali brez upora; le nekateri materiali se pri kritičnih temperaturah spremenijo v superprevodnike, pri katerih je odpornost električnega toka praktično nič pod merljivo mejo.

Pomembno je razumeti tudi, da ne moremo "obrnjeno" pomikati gibanja delcev — pri 0 K enostavno ni termalne energije za ekscitacijo v nižje stanje; nihanja, ki ostanejo, so kvantne narave (npr. kvantne nihaje v kristalni rešetki, tj. fononi), ne pa klasično "vzvratno gibanje".

Termodinamične omejitve

Tretji zakon termodinamike v eni formulaciji (Nernstov izrek) pravi, da entropija čiste, idealne kristalne snovi pri 0 K doseže konstantno minimalno vrednost in da absolutne ničle ni mogoče doseči z nobenim postopkom s končnim številom korakov (princip nedosegljivosti). Zato je doseganje točno 0 K praktično in teoretično nemogoče.

Drugi zakon termodinamike povezuje delovanje toplotnih strojev z razlikami temperatur: za idealni Carnotov krog je največja možna učinkovitost dana z izrazom η = 1 − T_c/T_h, kjer sta T_c (hladna rezerva) in T_h (topla rezerva) izraženi v absolutnih temperaturah (kelvinih). Če bi bila T_c enaka 0 K, bi bila η = 1 (100 %), vendar je T_c = 0 K nedosegljiva, zato praktično ni mogoče zgraditi toplotnega stroja s popolno izkoriščenostjo. V praksi lahko učinkovitost povečujemo z zviševanjem notranje (vroče) temperature in/ali znižanjem zunanje (hladne) temperature, vendar ne do popolne 100‑odstotne vrednosti.

Dodatne opombe

V nekaterih kvantnih sistemih z omejenim višjim energijskim nivojem se v termodinamičnem smislu pojavi pojem negativne temperature na Boltzmannovi lestvici — to pa ne pomeni, da so ti sistemi "hladnejši" od 0 K; namesto tega gre za posebne populacijske inverzije, pri katerih toplota in drugi termodinamični koncepti zahtevajo previdno interpretacijo. Za vsakdanjo fiziko in večino materialov pa ostaja 0 K spodnja meja, ki je ni mogoče doseči.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je absolutna ničla?

V: Ali absolutna ničla pomeni, da delci izgubijo vso energijo in se nehajo gibati?

V: Katera je rekordna temperatura, dosežena blizu absolutne ničle?

V: Kako znanstveniki ohladijo predmete na zelo nizke temperature?

V: Kako sta Celzijeva in Fahrenheitova lestvica opredeljeni glede na absolutno ničlo?

V: Kaj pravi tretji zakon termodinamike o absolutni ničli?

V: Kako lahko učinkovitost motorja povečamo na skoraj 100 %?

Išči po črki