Absoluuttinen nollapiste
Absoluuttinen nollapiste on lämpötila, jossa aineen hiukkaset (molekyylit ja atomit) ovat alhaisimmissa energiapisteissään. Jotkut ajattelevat, että absoluuttisessa nollapisteessä hiukkaset menettävät kaiken energiansa ja lakkaavat liikkumasta. Tämä ei pidä paikkaansa. Kvanttifysiikassa on olemassa niin sanottu nollapiste-energia, joka tarkoittaa, että vaikka hiukkasilta on poistettu kaikki energia, hiukkasilla on edelleen jonkin verran energiaa. Tämä johtuu Heisenbergin epävarmuusperiaatteesta, jonka mukaan mitä enemmän hiukkasen sijainnista tiedetään, sitä vähemmän voidaan tietää sen liikemäärästä ja päinvastoin. Siksi hiukkasta ei voida pysäyttää kokonaan, koska silloin sen tarkka sijainti ja impulssi tunnettaisiin.
Jotkut ihmiset ovat luoneet lämpötiloja hyvin lähelle absoluuttista nollaa: ennätyslämpötila oli 100 pK (sata pikokelviniä, vastaa 10-10 kelviniä) absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Jopa absoluuttisen nollapisteen lähelle pääseminen on vaikeaa, koska kaikki, mikä koskettaa lähellä absoluuttista nollapistettä jäähdytettävää esinettä, luovuttaisi lämpöä esineisiin. Tutkijat käyttävät lasereita atomien hidastamiseen jäähdyttäessään esineitä hyvin alhaisiin lämpötiloihin.
Kelvin- ja Rankinen lämpötila-asteikot on määritelty siten, että absoluuttinen nollapiste on 0 kelviniä (K) tai 0 astetta Rankinea (°R). Celsius- ja Fahrenheit-asteikot on määritelty siten, että absoluuttinen nollapiste on -273,15 °C tai -459,67 °F.
Tässä vaiheessa hiukkasten paine on nolla. Jos piirretään kuvaaja siihen, nähdään, että hiukkasten lämpötila on nolla. Lämpötila ei voi enää laskea. Hiukkaset eivät myöskään voi liikkua "takaperin", koska koska hiukkasten liike on värähtelyä, värähtely takaperin ei olisi mitään muuta kuin pelkkää uudelleen värähtelyä. Mitä lähemmäs kappaleen lämpötila tulee absoluuttista nollaa, sitä vähemmän materiaali vastustaa sähköä, joten se johtaa sähköä lähes täydellisesti ilman mitattavaa vastusta.
Termodynamiikankolmannenmukaan minkään lämpötilan ei voi koskaan olla absoluuttinen nolla.
Termodynamiikan toinen laki sanoo, että kaikkien lämpövoimalla toimivien moottoreiden (kuten autojen moottoreiden ja höyryjunien moottoreiden) on vapautettava hukkalämpöä, eivätkä ne voi olla 100-prosenttisen tehokkaita. Tämä johtuu siitä, että hyötysuhde (prosenttiosuus moottorin käyttämästä energiasta, joka todellisuudessa käytetään moottorin tehtäviin) on 100 % × (1 - ulkopuoli / sisäpuoli), joka on 100 % vain, jos ulkolämpötila on absoluuttinen nolla, mitä se ei voi olla. Moottorin hyötysuhde ei siis voi olla 100 %, mutta sen hyötysuhde voidaan saada lähemmäksi 100 %:a tekemällä sisälämpötilasta kuumempi ja/tai ulkolämpötilasta kylmempi.
Nollakelvin (-273,15 °C) määritellään absoluuttiseksi nollapisteeksi.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Absoluuttinen lämpötila
- Ehdottoman kuuma
Kysymyksiä ja vastauksia
Kysymys: Mikä on absoluuttinen nollapiste?
V: Absoluuttinen nollapiste on lämpötila, jossa aineen hiukkaset (molekyylit ja atomit) ovat alimmassa energiapisteessään.
K: Tarkoittaako absoluuttinen nollapiste sitä, että hiukkaset menettävät kaiken energiansa ja lakkaavat liikkumasta?
V: Ei, kvanttifysiikassa on olemassa niin sanottu nollapiste-energia, joka tarkoittaa, että vaikka hiukkasilta on poistettu kaikki energia, hiukkasilla on Heisenbergin epävarmuusperiaatteen vuoksi edelleen jonkin verran energiaa.
K: Mikä on absoluuttisen nollapisteen lähellä saavutettu lämpötilaennätys?
V: Ennätyslämpötila oli 100 pK (sata pikokelviniä, vastaa 10-10 kelviniä) absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.
K: Miten tutkijat jäähdyttävät esineitä hyvin alhaisiin lämpötiloihin?
V: Tutkijat käyttävät lasereita atomien hidastamiseen jäähdyttäessään esineitä hyvin alhaisiin lämpötiloihin.
K: Miten Celsius- ja Fahrenheit-asteikot määritellään suhteessa absoluuttiseen nollaan?
V: Celsius- ja Fahrenheit-asteikot on määritelty siten, että absoluuttinen nollapiste on -273,15 °C tai -459,67 °F.
K: Mitä termodynamiikan kolmas laki sanoo absoluuttisesta nollapisteestä?
V: Termodynamiikan kolmannen lain mukaan mikään ei voi koskaan olla absoluuttisen nollan lämpötilassa.
K: Miten moottorin hyötysuhdetta voidaan nostaa lähemmäs 100 %?
V: Moottorin hyötysuhde voidaan nostaa lähemmäs 100 % tekemällä sisälämpötilasta kuumempi ja/tai ulkolämpötilasta kylmempi termodynamiikan toisen lain mukaisesti.
