Может ли быть пониженная температура: Пониженная температура тела — причины появления, при каких заболеваниях возникает, диагностика и способы лечения

Содержание

Низкая температура тела: причины — Женский журнал IVONA

По каким причинам у тебя может быть понижена температура тела и как ее поднять, читай на Ivona.

Низкая температура тела встречается гораздо реже, чем высокая, но не менее опасна для организма, ведь снижение температуры тела до 32 °C влечет за собой смерть. Узнай, по каким причинам у тебя может быть низкая температура тела и как ее поднять.

О чем говорит низкая температура тела

Обычная температура тела человека 36,6°C. Но она может отличатся у разных людей, эти колебания не больше нескольких десятых °C. Если температура тела ниже обычного, то это свидетельствует о нарушениях в нашем организме. Пониженной считается температура ниже 36,0°C.

  • болезни щитовидной железы;
  • пониженный гемоглобин;
  • слабый иммунитет;
  • сильное переохлаждение;
  • внутренние кровотечения;
  • отравления.

Чаще всего низкая температура наблюдается вместе с упадком сил. Она может быть последствием перенесенной болезни, и тогда для ее нормализации необходимо полное выздоровление.

 

Причины низкой температуры

Диета

Нехватка жиров и углеводов ослабляет наш организм. Температура начинает снижаться, когда запасы организма на исходе, и их уже не хватает для нормальной жизнедеятельности. Для нормальной температуры тела необходимо питаться полноценно.

 

Лекарственные препараты
Внимательно прочти инструкции таблеток, которые ты принимала в последнее время. Антидепрессанты и снотворные часто становятся причиной пониженной температуры, они ослабляют нервные рецепторы, и они слабо реагируют на холод.
 

Гормональный дисбаланс

Чтобы это проверить придется обратиться к эндокринологу.

 

Появление опухоли в области гипоталамуса.
 

Если температура тела колеблется на протяжении суток

Утром температура тела может составлять 35,5°C, а на протяжении дня подниматься до 37,0°C. Такие колебания нормальны, поэтому не стоит впадать в панику, если утром у тебя низкая температура. Обращаться к врачу следует, если низкая температура держится на протяжении всего дня несколько дней подряд. Кроме того, смена питания помогает в 80% случаев.

 

 

Как поднять температуру тела

– Самое главное – возобновить свои силы. Для этого достаточно ежедневно высыпаться и правильно питаться. Для временного поднятия температуры отлично помогает горячий чай с сахаром.

 

– Пройди курс лечения витамином Е. Это улучшит питание клеток и укрепит сосуды.

 

– Сходи на массаж. Массажные процедуры расслабляют тело и даже могут снять стресс. А еще массаж – прекрасное средство для улучшения кровообращения.

 

– На ночь принимай по 20 капель настойки валерьянки или пустырника. Если причина снижения температуры в стрессе и эмоциональных нагрузках, то капли помогут тебе с этим справиться.

 

– По утрам полезен контрастный душ. Он будит организм и способствует терморегуляции.

 

Смотри, как ощутить прилив сил: Выполняем простые упражнения

Назван симптом, маскирующий под коронавирус другие болезни

Фото: Сергей Булкин/NEWS.ru

Читайте нас в Google Новости

Пониженная температура тела является нетипичной реакцией организма при коронавирусе. Причём она может наблюдаться не только при COVID-19, но также при ряде других заболеваний.

Об этом заявил терапевт и кандидат медицинских наук Андрей Кондрахин. По его словам, пониженная температура тела при коронавирусе может наблюдаться у детей и пожилых людей, но не обязательно она будет связана со смертоносной инфекцией, сообщает «Вечерняя Москва».

Пониженная температура встречается и при гипотиреозе, онкологии, онкологии ЦНС, травмах ЦНС и заболеваниях печени

, — пояснил терапевт.

Он добавил, что за «отопление» организма отвечает печень, поэтому пониженная температура порой отмечается у пациентов с циррозами. Также она может быть врождённой, указывать на употребление некоторых медицинских препаратов и наркотическую зависимость.

Ранее NEWS.ru сообщал, что обоняние у человека пропадает не только при коронавирусе, но и при острых респираторных заболеваниях. Особенностью ОРВИ является то, что слизистая полости носа забита, в ней скапливается слизь и возникает чувство заложенности. При коронавирусе сначала теряется обоняние, но без отёков слизистой полости носа, то есть без насморка, пояснила врач-терапевт Елена Селькова.

что это значит, и может ли она быть связана с долголетием

Давно известно, что у большинства здоровых людей температура тела колеблется от 36,3 до 36,8 градусов. Врачи говорят, что отклонение на полградуса не влияет на состояние организма, а может являться особенностью человека. Но что может значить пониженная температура тела у человека, если она опускается до 35,6? Совсем недавно ученые предположили, что такой фактор может говорить о долголетии.

Около 3% людей на Земле имеют «рабочую» температуру тела ниже, чем 36,7°С. Врачи успокаивают, незначительные отклонение от нормы вообще не считается проблемой. Ведь процессы теплорегуляции зависят от множества факторов: времени суток, поры года, погодных и климатических условий, типа нервной деятельности человека, пола и возраста.

Какая температура тела считается нормальной?

Иногда температура тела понижается. Это может говорить об имеющемся или развивающемся заболевании внутри организма. Пониженной температурой тела считается температура, равная 35,5 °С и ниже. Основной причиной пониженной температуры является переохлаждение. Однако если такая температура сохраняется длительное время, то это может свидетельствовать о различных заболеваниях или о периоде их обострения.

Обратиться к врачу необходимо, если температура тела ниже 35,5 °С. Она может возникнуть на фоне нарушения работы нервной, эндокринной или сердечно-сосудистой систем, а также быть вызвана хроническими инфекциями, инвазиями паразитов, в т.ч. глистов, онкологическими заболеваниями. Установить причину такой температуры способен только врач.

Что значит пониженная температура тела у человека

Хоть раз в жизни, но каждый из нас измерял градусником температуру тела. Считается, что у здорового человека она колеблется в пределах классических 36,6. Однако это не совсем так. Да, она наиболее оптимальна для биохимических процессов, происходящих в организме, но «рабочей» температурой может быть и более низкая.

Тепловое состояние человека может меняться в течение дня. Как правило, самая низкая наблюдается утром (около 6:00), а «максимально» высокая фиксируется вечером. Также важно знать, что тепловой обмен у мужчин (их средние показатели ниже на 0,7 градуса, чем у представительниц прекрасного пола) и женщин (корректировать температуру могут фазы менструального цикла) разный.

Пониженная температура может говорить о долголетии

Специалисты из Скриппсовского института установили, что понижение температуры тела на 0,3 – 0,5 градуса приводит к росту продолжительности жизни самцов мышей на 12%, а самок – на 20%. Идея провести эксперимент по искусственному понижению температуры у подопытных возникла из-за того, что на сегодняшний день самым надежным способом продления жизни у лабораторных грызунов является полуголодная диета. Именно она приводит к тому, что подопытные мыши имеют пониженную температуру тела.

Генные инженеры создали породу грызунов с пониженной температурой тела. В гипоталамусе мышей был активирован ген, отвечающий за выработку тепла. В результате «главный термометр» перегревается и посылает тканям команду «остыть», ведь ошибочно принимает сигнал перегрева всего организма.

Стоит отметить, что «холодные» мыши имеют хороший аппетит и не вынуждены сидеть на полуголодной диете. При этом показатели продолжительности жизни у них выше, чем у контрольный подопытных.

Это подтверждает гипотезу о том, что благотворный эффект ограниченного питания связан с общим замедлением обмена веществ и снижением температуры тела.

атомов достигают рекордной температуры, ниже абсолютного нуля

Абсолютный ноль часто считается самой низкой из возможных температур. Но теперь исследователи показывают, что они могут достичь еще более низких температур в странной области «отрицательных температур».

Как ни странно, еще один способ взглянуть на эти отрицательные температуры — это считать их более горячими, чем бесконечность, добавили исследователи.

Это необычное достижение может привести к созданию новых двигателей, которые технически могут быть более чем на 100% эффективными, и пролить свет на такие загадки, как темная энергия, таинственная субстанция, которая, по-видимому, разрывает нашу Вселенную.

Температура объекта — это мера того, насколько движутся его атомы: чем холоднее объект, тем медленнее они. При физически недоступной температуре в ноль кельвинов, или минус 459,67 градусов по Фаренгейту (минус 273,15 градусов по Цельсию), атомы перестали бы двигаться. Таким образом, ничто не может быть холоднее абсолютного нуля по шкале Кельвина.

Причудливые отрицательные температуры

Чтобы понять отрицательные температуры, изобретенные учеными, можно представить себе температуру как существующую на шкале, которая на самом деле является петлей, а не линейной.Положительные температуры составляют одну часть контура, а отрицательные — другую. Когда температура опускается ниже нуля или выше бесконечности в положительной области этой шкалы, они оказываются на отрицательной территории. [Что это такое? Ответы на ваши основные вопросы по физике]

При положительных температурах атомы более вероятно занимают состояния с низкой энергией, чем с состояниями с высокой энергией, — закономерность, известная в физике как распределение Больцмана. Когда объект нагревается, его атомы могут достигать более высоких уровней энергии.

При абсолютном нуле атомы занимали бы самое низкое энергетическое состояние. При бесконечной температуре атомы занимали бы все энергетические состояния. Таким образом, отрицательные температуры противоположны положительным — атомы, скорее всего, занимают высокоэнергетические состояния, чем низкоэнергетические.

«Обратное распределение Больцмана является отличительной чертой отрицательной абсолютной температуры, и именно этого мы достигли», — сказал исследователь Ульрих Шнайдер, физик из Мюнхенского университета в Германии.«Тем не менее, газ не холоднее нуля по Кельвину, а горячее. Он даже горячее, чем при любой положительной температуре — шкала температур просто не заканчивается на бесконечности, а вместо этого перескакивает к отрицательным значениям».

Как и следовало ожидать, объекты с отрицательной температурой ведут себя очень странно. Например, энергия обычно течет от объектов с более высокой положительной температурой к объектам с более низкой положительной температурой, то есть более горячие объекты нагревают более холодные объекты, а более холодные объекты охлаждают более горячие, пока они не достигнут общей температуры.Однако энергия всегда будет течь от объектов с отрицательной температурой к объектам с положительной температурой. В этом смысле объекты с отрицательной температурой всегда горячее, чем предметы с положительной температурой.

Еще одно странное следствие отрицательных температур связано с энтропией, которая является мерой беспорядка в системе. Когда объекты с положительной температурой выделяют энергию, они увеличивают энтропию окружающих их вещей, заставляя их вести себя более хаотично. Однако, когда объекты с отрицательной температурой выделяют энергию, они фактически могут поглощать энтропию.

Отрицательные температуры можно было бы считать невозможными, так как обычно не существует верхней границы того, сколько энергии могут иметь атомы, насколько современная теория предлагает. (Есть предел скорости, с которой они могут двигаться — согласно теории относительности Эйнштейна, ничто не может разогнаться до скоростей, превышающих скорость света.) имеют предел того, сколько энергии они могут обладать.Сначала они охладили около 100000 атомов до положительной температуры в несколько нанокельвинов, или миллиардную долю кельвина. Они охлаждали атомы в вакуумной камере, что изолировало их от любого воздействия окружающей среды, которое могло потенциально их случайно нагреть. Они также использовали паутину лазерных лучей и магнитных полей, чтобы очень точно контролировать поведение этих атомов, помогая им перейти в новый температурный диапазон. [Искаженная физика: 7 поразительных открытий]

«Достигнутые нами температуры — отрицательные нанокельвины», — сказал Шнайдер LiveScience.

Температура зависит от того, сколько движутся атомы — сколько у них кинетической энергии. Паутина лазерных лучей создала идеально упорядоченный массив из миллионов ярких световых пятен, и в этой «оптической решетке» атомы все еще могли двигаться, но их кинетическая энергия была ограничена.

Температура также зависит от того, сколько у атомов потенциальной энергии и сколько энергии заложено во взаимодействиях между атомами. Исследователи использовали оптическую решетку, чтобы ограничить потенциальную энергию атомов, и они использовали магнитные поля, чтобы очень точно контролировать взаимодействия между атомами, делая их либо притягивающими, либо отталкивающими.

Температура связана с давлением: чем горячее что-то, тем больше оно расширяется наружу, а чем холоднее, тем сильнее сжимается внутрь. Чтобы убедиться, что у этого газа отрицательная температура, исследователи также должны были придать ему отрицательное давление, возясь с взаимодействиями между атомами, пока они не притягивали друг друга больше, чем отталкивали друг друга.

«Мы создали первое состояние с отрицательной абсолютной температурой для движущихся частиц», — сказал исследователь Саймон Браун из Мюнхенского университета в Германии.

Новые типы двигателей

Отрицательные температуры могут быть использованы для создания тепловых двигателей — двигателей, которые преобразуют тепловую энергию в механическую работу, такую ​​как двигатели внутреннего сгорания, — которые более чем на 100 процентов эффективны, что, казалось бы, невозможно. Такие двигатели будут поглощать энергию не только более горячих, но и более холодных веществ. Таким образом, работа, выполняемая двигателем, может быть больше, чем энергия, полученная только от более горячего вещества.

Отрицательные температуры могут также помочь пролить свет на одну из величайших загадок науки.Ученые ожидали, что гравитационное притяжение материи замедлит расширение Вселенной после Большого взрыва, в конечном итоге приведя ее к полной остановке или даже повернув ее вспять для «Большого сжатия». Однако расширение Вселенной, по-видимому, ускоряется, ускоренный рост, который, по мнению космологов, может быть связан с темной энергией, пока неизвестным веществом, которое может составлять более 70 процентов космоса.

Точно так же отрицательное давление холодного газа, созданного исследователями, должно заставить его схлопнуться.Однако отрицательная температура удерживает его от этого. Таким образом, отрицательные температуры могут иметь интересные параллели с темной энергией, которые могут помочь ученым понять эту загадку.

Отрицательные температуры также могут пролить свет на экзотические состояния материи, создавая системы, которые без них обычно не могли бы быть стабильными. «Лучшее понимание температуры может привести к новым вещам, о которых мы еще даже не думали», — сказал Шнайдер. «Когда вы очень внимательно изучаете основы, никогда не знаете, чем это может закончиться.»

Ученые подробно описали свои выводы в выпуске журнала Science от 4 января.

Следите за LiveScience в Twitter @livescience . Мы также находимся на Facebook и Google+ .

Существуют ли верхний и нижний пределы температуры?

Три изображения, показывающие образование конденсата Бозе-Эйнштейна из атомов рубидия. Предоставлено NIST

Большинство людей слышали, что абсолютный ноль описывается как минимально возможная температура, но что это значит? Действительно ли это самый холодный или самый низкий уровень температуры, который мы можем измерить? Есть ли соответствующая самая высокая температура? По словам Моисея Чана, профессора физики Эвана Пью в Пенсильванском университете, для ответа на эти вопросы необходимо понимать значение температуры.

«Температура — это мера степени« беспорядка »или« беспорядка »системы, — сказал Чан. «Когда система охлаждается до абсолютного нуля, тогда эта система совершенно упорядочена, и все ее составляющие — молекулы и атомы — находятся на своих местах. Это минимально возможная температура». Абсолютный ноль или 0 K (кельвинов) соответствует -273,16 C или -459,688 F.

До того, как квантовая механика была разработана как модель для объяснения поведения атомных и субатомных частиц, ученые думали, что все атомы перестанут двигаться при абсолютном нуле.Однако даже при этой температуре атомы и молекулы сохраняют так называемую нулевую энергию, минимально возможную энергию, которую может иметь система. Как объяснил Чан, энергия в вакууме пустого пространства считается формой нулевой энергии. Абсолютный ноль, также описываемый как «основное» или «стационарное» состояние, считается стабильным состоянием, из которого нельзя удалить энергию.

«При низких температурах, — продолжил Чан, — квантово-механические эффекты доминируют над свойствами всей материи.«В некоторых материалах эффект действительно впечатляющий. При достаточно низких температурах, например, некоторые типы материи становятся сверхпроводящими, проводя электрический ток абсолютно без сопротивления. Практические применения этого явления включают аппараты МРТ с сильным магнитным полем и очень эффективные электродвигатели. и трансформаторы.

Еще один яркий пример квантовых эффектов можно найти в жидком гелии. Когда жидкий гелий становится сверхтекучим, при температурах ниже 2,176 К, отмечает Чан, он может течь без трения.Отсутствие трения означает, что сверхтекучая жидкость не имеет вязкости. Если заставить каплю вращаться внутри контейнера, она может продолжать вращаться бесконечно, как если бы она находилась в вакууме. Для Чана это примеры макроскопических квантовых явлений — квантовой механики, действующей в макроскопическом масштабе.

Еще в 1920-х годах физики Сатьендра Бозе и Альберт Эйнштейн предсказали, что при очень низких температурах частицы, такие как атомы, будут собираться вместе в точно таком же квантовом состоянии с самой низкой энергией. Это состояние вещества известно как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК).Набор частиц действует как один гигантский атом. Это явление, как отметил Чен, наконец-то было обнаружено в лаборатории в 1995 году при охлаждении атомов рубидия в паровой фазе до температуры на 50 нанокельвинов (миллиардных долей кельвина) выше абсолютного нуля. Физики, наблюдавшие это, Карл Вейман и Эрик Корнелл были удостоены Нобелевской премии за свою работу.

Собственные исследования Чана при очень низких температурах привели к еще одному важному прорыву в 2004 году.«Мой бывший студент, Ынсон Ким, обнаружил, что твердый гелий также проявляет свойства, подобные сверхтекучести, ниже 0,2К», — пояснил он. «Обнаружение этой сверхтвердой фазы указывает на то, что все три состояния вещества — пар, жидкость и твердое тело — могут подвергаться БЭК». Явления сверхтвердого тела вызвали интерес физиков-низкотемператур и физиков-теоретиков во всем мире. Чан и его нынешние ученики — Тони Кларк, Си Линь и Джош Уэст — продолжают попытки понять это увлекательное открытие.

Итак, есть ли высокотемпературный аналог абсолютного нуля? По словам Чана, когда материал становится очень горячим, его частицы обладают большим количеством тепловой энергии.Твердые тела плавятся, а жидкости испаряются, потому что их тепловая энергия превышает силы, связывающие атомы или молекулы вместе. При еще более высокой температуре атомы диссоциируют на электроны и ионную плазму — еще одно состояние вещества. Чем больше энергии вводится в систему, тем выше ее температура.

«В том смысле, что существует предел полной энергии, существующей во Вселенной, существует максимально возможная температура», — сказал Чан. Космологи постулируют, что примерно через 10 -43 секунды, невообразимо крошечную долю мгновения после Большого взрыва (если бы вы совершили путешествие в самую далекую от Земли галактику, 10 -43 представляли бы первую миллиардную долю секунды). миллиметра вы прошли), температура новорожденной Вселенной была 10 32 К.Даже центр сегодняшнего Солнца при температуре 15 000 000 C по сравнению с ним холоден.

Ясно, что мы никогда не сможем использовать всю энергию Вселенной, поэтому максимально возможная температура недостижима. Сможем ли мы когда-нибудь испытать другой конец шкалы — абсолютный ноль? «Нет, мы можем очень близко подойти, но никогда не достичь абсолютного нуля», — сказал Чан. «Некоторые лаборатории, в том числе лаборатория Дэвида Вайса здесь, в Пенсильванском университете, могут охлаждать образцы пара с точностью до нескольких нанокельвинов или миллиардных долей градуса. Но чтобы привести что-то в идеальный порядок, вы должны избавиться от беспорядка или беспорядка.По мере того, как система приближается к абсолютному нулю, устранять это нарушение становится все труднее и труднее «.

Исследование показало, что вертикальная зелень может действовать как буфер для стресса

Предоставлено Государственный университет Пенсильвании

Ссылка : Вопрос проверки: существуют ли верхний и нижний пределы температуры? (7 июня 2007 г.) получено 2 октября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2007-06-probing-upper-limits-temperature.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Атомов при отрицательной абсолютной температуре — самые горячие системы в мире — ScienceDaily

То, что нормально для большинства людей зимой, пока что невозможно в физике: отрицательная температура.По шкале Цельсия минусовые температуры удивляют только летом. По шкале абсолютных температур, которая используется физиками и также называется шкалой Кельвина, невозможно опуститься ниже нуля — по крайней мере, не в том смысле, что становится холоднее нуля по шкале Кельвина.

Согласно физическому смыслу температуры, температура газа определяется хаотическим движением его частиц: чем холоднее газ, тем медленнее частицы. При нуле кельвина (минус 273 градуса Цельсия) частицы перестают двигаться, и весь беспорядок исчезает.Таким образом, ничто не может быть холоднее абсолютного нуля по шкале Кельвина. Физики из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге создали в лаборатории атомный газ, который, тем не менее, имеет отрицательные значения Кельвина. Эти отрицательные абсолютные температуры имеют несколько, по-видимому, абсурдных последствий: хотя атомы в газе притягиваются друг к другу и создают отрицательное давление, газ не коллапсирует — поведение, которое также постулируется для темной энергии в космологии.Предположительно невозможные тепловые двигатели, такие как двигатель внутреннего сгорания с термодинамическим КПД более 100%, также могут быть реализованы с помощью отрицательных абсолютных температур.

Чтобы довести воду до кипения, необходимо добавить энергии. По мере того, как вода нагревается, молекулы воды со временем увеличивают свою кинетическую энергию и в среднем перемещаются все быстрее и быстрее. Тем не менее, отдельные молекулы обладают разной кинетической энергией — от очень медленной до очень быстрой. Состояния с низкой энергией более вероятны, чем состояния с высокой энергией, т.е.е. только несколько частиц движутся очень быстро. В физике это распределение называется распределением Больцмана. Физики, работающие с Ульрихом Шнайдером и Иммануилом Блохом, теперь реализовали газ, в котором это распределение точно инвертировано: многие частицы обладают высокими энергиями, а лишь некоторые — низкими. Эта инверсия распределения энергии означает, что частицы приняли отрицательную абсолютную температуру.

«Перевернутое распределение Больцмана является признаком отрицательной абсолютной температуры; и это то, чего мы достигли », — говорит Ульрих Шнайдер.«Тем не менее, газ не холоднее нуля по Кельвину, а горячее», — объясняет физик: «Он даже горячее, чем при любой положительной температуре — шкала температур просто не заканчивается на бесконечности, а вместо этого перескакивает к отрицательным значениям».

Отрицательная температура может быть достигнута только с верхним пределом энергии

Значение отрицательной абсолютной температуры лучше всего можно проиллюстрировать с помощью катящихся сфер на холмистом ландшафте, где долины означают низкую потенциальную энергию, а холмы — высокую.Чем быстрее движутся сферы, тем выше их кинетическая энергия: если начать с положительных температур и увеличить общую энергию сфер, нагревая их, сферы будут все больше распространяться в области с высокой энергией. Если бы можно было нагреть сферы до бесконечной температуры, то была бы равная вероятность найти их в любой точке ландшафта, независимо от потенциальной энергии. Если бы теперь можно было добавить еще больше энергии и тем самым еще больше нагреть сферы, они бы предпочтительно собирались в высокоэнергетических состояниях и были бы даже горячее, чем при бесконечной температуре.Распределение Больцмана было бы инвертированным, и поэтому температура была бы отрицательной. На первый взгляд может показаться странным, что отрицательная абсолютная температура выше положительной. Однако это просто следствие исторического определения абсолютной температуры; если бы это было определено иначе, этого очевидного противоречия не существовало бы.

Эта инверсия населенности энергетических состояний невозможна в воде или любой другой природной системе, поскольку системе необходимо поглощать бесконечное количество энергии — невозможный подвиг! Однако, если частицы обладают верхним пределом своей энергии, например, вершиной холма в ландшафте потенциальной энергии, ситуация будет совершенно иной.Исследователи из исследовательской группы Иммануэля Блоха и Ульриха Шнайдера реализовали такую ​​систему атомарного газа с верхним пределом энергии в своей лаборатории, следуя теоретическим предложениям Алларда Моска и Ахима Роша.

В своем эксперименте ученые сначала охлаждают около ста тысяч атомов в вакуумной камере до положительной температуры в несколько миллиардных долей Кельвина и захватывают их в оптические ловушки из лазерных лучей. Окружающий сверхвысокий вакуум гарантирует идеальную теплоизоляцию атомов от окружающей среды.Лазерные лучи создают так называемую оптическую решетку, в которой атомы расположены регулярно в узлах решетки. В этой решетке атомы все еще могут перемещаться с узла на узел посредством туннельного эффекта, но их кинетическая энергия имеет верхний предел и, следовательно, обладает требуемым верхним пределом энергии. Однако температура относится не только к кинетической энергии, но и к полной энергии частиц, которая в данном случае включает взаимодействие и потенциальную энергию. Система исследователей из Мюнхена и Гархинга также устанавливает предел для обоих из них.Затем физики подводят атомы к этой верхней границе полной энергии — таким образом достигается отрицательная температура, составляющая минус несколько миллиардных долей кельвина.

При отрицательных температурах двигатель может работать больше

I f сферы обладают положительной температурой и лежат в долине с минимальной потенциальной энергией, это состояние, очевидно, устойчиво — это природа, как мы ее знаем. Если сферы расположены на вершине холма с максимальной потенциальной энергией, они обычно скатываются вниз и тем самым преобразуют свою потенциальную энергию в кинетическую энергию.«Однако, если сферы имеют отрицательную температуру, их кинетическая энергия уже будет настолько большой, что не сможет увеличиваться дальше», — объясняет Саймон Браун, докторант исследовательской группы. «Таким образом, сферы не могут скатиться вниз и остаются на вершине холма. Таким образом, ограничение по энергии делает систему стабильной! » Состояние с отрицательной температурой в их эксперименте действительно так же стабильно, как и состояние с положительной температурой. «Таким образом, мы создали первое состояние с отрицательной абсолютной температурой для движущихся частиц», — добавляет Браун.

Материя при отрицательной абсолютной температуре имеет целый ряд поразительных последствий: с ее помощью можно создавать тепловые двигатели, такие как двигатели внутреннего сгорания, с КПД более 100%. Однако это не означает, что нарушается закон сохранения энергии. Вместо этого двигатель мог не только поглощать энергию из более горячей среды и, таким образом, работать, но, в отличие от обычного случая, также и из более холодной среды.

При чисто положительных температурах более холодная среда, напротив, неизбежно нагревается, тем самым поглощая часть энергии горячей среды и тем самым ограничивая эффективность.Если горячая среда имеет отрицательную температуру, возможно одновременное поглощение энергии обеих сред. Таким образом, работа, выполняемая двигателем, больше, чем энергия, получаемая от одной только более горячей среды — КПД превышает 100 процентов.

Достижение мюнхенских физиков может быть интересно для космологии, поскольку термодинамическое поведение отрицательной температуры обнаруживает параллели с так называемой темной энергией. Космологи постулируют темную энергию как неуловимую силу, которая ускоряет расширение Вселенной, хотя на самом деле космос должен сжиматься из-за гравитационного притяжения между всеми массами.Аналогичное явление наблюдается в атомном облаке в мюнхенской лаборатории: эксперимент основан на том факте, что атомы в газе не отталкиваются друг от друга, как в обычном газе, а вместо этого взаимодействуют привлекательно. Это означает, что атомы оказывают отрицательное давление вместо положительного. Как следствие, атомное облако хочет сжаться и действительно должно коллапсировать — как и следовало ожидать от Вселенной под действием силы тяжести. Но из-за его отрицательной температуры этого не происходит.Газ спасен от коллапса, как и Вселенная.

Как достигается и измеряется температура, близкая к абсолютному нулю?

Объясняет Вольфганг Кеттерле из Массачусетского технологического института, получивший Нобелевскую премию по физике за свою работу с ультрахолодными атомами.

Во-первых, позвольте мне представить научное значение температуры: это мера содержания энергии в веществе. Когда воздух горячий, молекулы движутся быстро и обладают высокой кинетической энергией.Чем холоднее молекулы, тем меньше их скорости, а следовательно, и энергия. Температура — это просто способ охарактеризовать энергию системы.

Температура может быть измерена в разных единицах измерения. В повседневной жизни широко распространены шкалы Цельсия и Фаренгейта, но обе они лишены того естественного свойства, что ноль шкалы температур должен соответствовать нулевой скорости частиц газа (то есть нулевой энергии). Таким образом, естественная шкала температуры — это абсолютная температура, измеренная в Кельвинах.Нулевой кельвин — это минимально возможная температура. При абсолютном нуле все движение останавливается. Очевидно, что более низкая температура невозможна, потому что нет скорости меньше нуля и нет энергии меньше нуля. (В качестве дополнительного замечания, энергия в данном случае означает только энергию, которая может быть отобрана у частиц, и не включает массу покоя или квантово-механическую энергию нулевой точки для удерживаемых частиц.) Абсолютный ноль соответствует –273 градусам Цельсия и –460 градусов по Фаренгейту.

Охлаждение объекта требует извлечения из него энергии и ее размещения в другом месте. В бытовых холодильниках, например, теплообменник сзади нагревается, потому что энергия, извлеченная из предметов внутри, накапливается там. (Кроме того, при работе холодильника выделяется некоторое количество тепла.)

В 1980-х и 1990-х годах были разработаны новые методы охлаждения атомарных газов: лазерное охлаждение и испарительное охлаждение. Комбинируя эти методы, были достигнуты температуры ниже одного нанокельвина (одной миллиардной градуса Кельвина).Самая низкая зарегистрированная до сих пор температура, описанная в публикации нашей группы в выпуске Science от 12 сентября 2003 г., составляет 450 пикокельвинов, что в шесть раз превышает предыдущий рекорд. За эти разработки были присуждены две недавние Нобелевские премии (1997 и 2001 гг.).

При лазерном охлаждении атомы рассеивают лазерный свет. Входящий лазерный фотон поглощается, а затем переизлучается в другом направлении. В среднем цвет рассеянного фотона немного смещен в синий по сравнению с лазерным светом.То есть рассеянный фотон имеет немного более высокую энергию, чем поглощенный фотон. Поскольку полная энергия сохраняется, разница в энергии фотонов извлекается из движения атомов — атомы замедляются. Сдвиги в длине волны могут происходить из-за эффекта Доплера (который представляет собой сдвиг, пропорциональный скорости атома) или из-за сдвигов Штарка (из-за электрического поля лазерных лучей) и предлагает одно объяснение того, как атомы теряют энергию.

Второе описание подчеркивает, как импульс передается атомам.Если на атомы воздействуют несколько лазерных лучей с тщательно подобранными значениями поляризации и частоты, то они предпочтительно поглощают фотоны из передней полусферы, где угловой момент фотона и скорость атома находятся под углом больше 90 градусов. Импульс фотона имеет компонент, противоположный движению атома, и в результате импульс поглощенного фотона замедляет атом. Последующее испускание фотона происходит под случайными углами, и в результате, усредненным по нескольким циклам поглощения-испускания, отсутствует переданный импульс из-за испускания фотона.Решающий шаг — заставить атомы поглощать фотоны преимущественно в прямом направлении, что достигается за счет использования доплеровского сдвига. Когда импульс фотона и скорость атома находятся под углом больше 90 градусов, атом и свет распространяются в противоположных направлениях, а доплеровский сдвиг — это сдвиг частоты вверх. Когда лазерный свет расстраивается на красный цвет атомного резонанса, доплеровский сдвиг приближает свет к резонансу и увеличивает поглощение света. Для света, идущего в обратном направлении, для которого угол между импульсом фотона и скоростью атома меньше 90 градусов, доплеровский сдвиг противоположен и смещает свет еще дальше от атомного резонанса, уменьшая его поглощение.

Когда атомное облако становится плотнее и холоднее, в описанном выше охлаждающем эффекте преобладают другие процессы, вызывающие нагрев. Это включает в себя выделение энергии при столкновениях между атомами и случайные выбросы отдачи при рассеянии света, которые в среднем равны нулю, но все же приводят к некоторому дрожащему движению атомов и, следовательно, ограничивают минимально достижимую температуру. Однако в этот момент атомы достаточно холодные, чтобы удерживать их в магнитных полях. Мы выбираем виды атомов, у которых есть неспаренный электрон и, следовательно, магнитный момент.В результате эти атомы ведут себя как маленькие стержневые магниты. Внешние магнитные поля действуют на них, левитируют против силы тяжести и удерживают их вместе; атомы заключены в магнитную клетку с невидимыми стенками, образованными магнитными полями.

Дальнейшее охлаждение осуществляется за счет испарительного охлаждения путем выборочного удаления наиболее энергичных атомов из системы. Тот же процесс охлаждает чашку кофе, когда наиболее энергичные молекулы улетучиваются в виде пара, тем самым снижая среднюю энергию и, следовательно, температуру остальных молекул.В магнитной ловушке наиболее энергичные атомы могут двигаться дальше против притяжения магнитных сил и, следовательно, могут достигать областей с более высокими магнитными полями, чем более холодные атомы. В этих сильных магнитных полях они входят в резонанс с радиоволнами или микроволнами, что изменяет магнитный момент таким образом, что атомы улетают и вырываются из ловушки. Красивую анимацию процедуры охлаждения можно найти на http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/temperature.html

.

Как мы измеряем очень низкие температуры атомов? Один из способов — просто посмотреть на расширение облака.Чем больше облако, тем более энергичными должны быть атомы, потому что они могут двигаться дальше против магнитных сил. Это похоже на атмосферу на Земле, толщина которой составляет около 10 километров. То есть 10 километров — это расстояние, на которое атомы при комнатной температуре могут двигаться против гравитационной силы нашей планеты. Если бы температура воздуха была в 10 раз меньше (около 30 К или –240 градусов Цельсия), толщина атмосферы была бы всего один километр. При 30 микрокельвинах атмосфера уменьшится до одного миллиметра, а при 30 нанокельвинах высота атмосферы будет один микрон, или в сто раз меньше толщины человеческого волоса.(Конечно, воздух не является идеальным газом и к тому времени должен был бы сжижиться.) В наших экспериментах на атомы действуют как магнитные, так и гравитационные силы. В центре облака гравитационная сила в точности компенсируется магнитной силой.

Размер атомного облака определяется путем освещения облака лазерным светом, который сильно поглощается атомами, и они отбрасывают тень. С помощью нескольких линз тень передается на электронный датчик, аналогичный датчикам цифровых фотоаппаратов.Поскольку магнитные поля точно известны, размер облака является абсолютной мерой энергии и температуры атомов. (С научной точки зрения, распределение плотности атомов отражает распределение потенциальной энергии.)

Другой метод определения температуры — измерение кинетической энергии атомов. Для этого магнитная ловушка внезапно выключается путем отключения тока, протекающего через катушки магнита. В отсутствие магнитных сил атомы просто улетают, и облако расширяется баллистически.Размер облака увеличивается со временем, и это увеличение является прямым наблюдением скорости атомов и, следовательно, их температуры. (С технической точки зрения абсорбционное изображение расширяющегося облака показывает распределение кинетической энергии в облаке). Для фиксированного времени баллистического расширения размер тени является мерой температуры (температура пропорциональна квадрату размер). За достижением все более низкой температуры следит сужающаяся тень. Когда в 1995 году была открыта конденсация Бозе-Эйнштейна, ее отличительной чертой было то, что сокращающаяся тень внезапно показала плотное ядро ​​атомов с чрезвычайно низкой энергией, конденсат Бозе-Эйнштейна ( см. Изображение ).

Ниже абсолютного нуля: объяснение отрицательных температур

Абсолютный ноль, или 0 градусов Кельвина, — это температура, при которой любое движение прекращается. Это самый низкий предел температурной шкалы, но в недавних новостных статьях сообщалось о падении ниже этого предела в физической лаборатории. Неужели абсолютный ноль менее абсолютен, чем мы думали? Читай дальше что бы узнать.

Арктические атомы

Исследователи из Института квантовой оптики Макса-Планка и Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене работали с конденсатом Бозе-Эйнштейна, содержащим около 112 000 очень холодных атомов калия (39K).Конденсат Бозе-Эйнштейна состоит из атомов, которые могут находиться в одном и том же состоянии. 1

Они помещают эти атомы в оптическую дипольную ловушку.1 Дипольная ловушка удерживает атомы и удерживает их вместе. Затем они использовали настраиваемую трехмерную оптическую решетку, которая действует как кристаллическая структура, в которой находятся атомы калия, и создает связанную структуру энергетических зон. 1

Оптическая решетка состоит из пучка лазерных лучей, созданных для создания стоячей волны, которая действует как структура решетки для атомов калия.Атомы калия в этой решетчатой ​​структуре остаются в состоянии самой низкой внутренней энергии, но имеют связанную зонную структуру. Решетка ограничивает двигательные состояния атомов этой зоной с наименьшей энергией; однако эта зона состоит из множества состояний (импульсных состояний) для каждого атома.

Исследователи заметили, что все атомы могут находиться на самом низком уровне энергетической зоны и очень близко к нижнему краю этого уровня энергетической зоны. Следовательно, система была чрезвычайно упорядоченной (размер заказа является ключевым фактором) и, как и следовало ожидать, очень холодной.Удержание атомов в этом низкоэнергетическом состоянии привело к температуре всего в несколько миллиардных долей Кельвина. 1 Эта ситуация напоминает размещение связки шаров в небольшой долине, где они крайне маловероятно выкатятся. 3

Очень внезапно превратив долину оптической решетки в холм, исследователи по существу «перевернули» всю систему, заставив атомы перейти к верхнему краю своей самой низкой энергетической полосы. Это похоже на превращение устойчивой долины в устойчивый холм.Этот новый «холм» очень стабилен, и атомы не скатываются с холма в другое энергетическое состояние. В этой ситуации атомы очень упорядочены, не могут перейти на другой энергетический уровень и имеют отрицательное значение температуры!

Ниже приведено изображение импульсного распределения атомов калия в оптической решетке при отрицательных температурах. Импульс пропорционален кинетической энергии (энергии движения) атомов, а пики показывают максимальную кинетическую энергию. Состояния с отрицательной температурой очень стабильны, и атомы не переходят в состояния с более низкой энергией движения. 1

Распределение импульсов, когда атомы находятся на верхних уровнях своей низшей энергетической зоны. Пики соответствуют максимальной кинетической энергии (энергии движения).
Кредит изображения: LMU / MPQ Мюнхен


Что такое температура в любом случае?

В повседневном смысле температура описывает тепло или прохладу объекта. На уроках естествознания нам говорят, что температура объекта определяется как средняя кинетическая энергия (энергия движения) всех атомов, составляющих объект.Чем сильнее колеблются атомы, составляющие объект (больше энергии движения), тем он теплее.

Логично, что если более теплый объект находится рядом с более холодным объектом, тепловая энергия будет передаваться от более теплого объекта к более холодному объекту. Подумайте о тех движущихся частицах, которые сталкиваются с более холодными рядом с ним (теплопередача за счет теплопроводности). Точно так же более теплые частицы, которые находятся в более высоком энергетическом состоянии, переходят в более низкое, излучая электромагнитную волну в инфракрасной области, а другой атом поглощает это излучение (передача тепла излучением).

Два объекта с разными температурами в конечном итоге достигнут общей температуры где-то между начальной температурой более теплого объекта и начальной температурой более холодного объекта.

Но есть и другие типы температур и другие определения температуры. Значение «ниже абсолютного нуля» связано с определением, используемым в термодинамике и статистической механике. В термодинамике температура — это макроскопическое свойство, и микросостояния системы определяют это и другие свойства.

Например, рассмотрим систему со 100 атомами и только двумя энергетическими состояниями. Есть только один возможный способ иметь 100 атомов в их самом низком энергетическом состоянии. Если мы возьмем логарифм этого одного возможного состояния, log (1), мы получим ноль. Ученые называют это энтропией системы — мерой беспорядка системы. Чем выше энтропия, тем больше беспорядок.

Если только один из 100 атомов в этой системе существует в более высоком энергетическом состоянии, то есть 100 способов сделать это. В этом случае энтропия равна log (100) = 2.Напомним, что исследователи использовали около 112 000 атомов калия.

Это означает, что энтропия для этой системы максимальна, когда половина атомов находится в состоянии с более высокой энергией, а половина — в состоянии с более низкой энергией. Если мы дойдем до другой крайности, когда все атомы находятся в возбужденном состоянии, то есть только один способ сделать это, и энтропия снова будет равна нулю.

В статистической механике и термодинамике температура определяется следующим образом:

1 / температура = изменение энтропии / изменение энергии

Для нашей гипотетической системы из 100 атомов только с двумя энергетическими состояниями существует верхняя и нижняя граница энергии, и энтропия системы равна нулю в этих граничных пределах.Это определение температуры может идти от положительной бесконечности до отрицательной бесконечности. Температура совершает прерывистый скачок в точке, где энтропия изменяется от возрастающего значения к уменьшающемуся.


Температура всех атомов в их основном состоянии равна нулю. Это как связка шаров, сидящая в долине. 3

По мере добавления энергии в систему некоторые из атомов переходят в более высокое энергетическое состояние, энтропия увеличивается, а температура увеличивается.Это похоже на перемещение шариков из долины на холм.

Чем больше добавляется энергии, тем больше атомов переходят на более высокий энергетический уровень. Температура приближается к положительной бесконечности, когда энтропия приближается к своему максимуму, что происходит, когда половина атомов находится в верхнем состоянии, а половина — в нижнем состоянии. В аналогии холма / долины половина шаров будет в долине, а половина — на холме. 3

По-прежнему добавляя больше энергии, как только вы достигаете состояния, когда половина атомов находится в верхнем состоянии, а половина — в нижнем состоянии, и проходят его, энтропия системы уменьшается.Это приводит к скачку температуры от положительной бесконечности к отрицательной бесконечности (прямо на полпути). Этот переход похож на прыжок, когда у вас всего лишь половина шаров на холме и половина в долине.

Когда система достигает своего максимального энергетического состояния, все атомы находятся в своем верхнем энергетическом состоянии, энтропия стремится к нулю, а отрицательные температуры увеличиваются, приближаясь к нулю. Это как если бы все шары были очень устойчивы на холме и не могли упасть с холма. 3

Означает ли отрицательный результат холоднее?

Важно отметить, что область отрицательных температур с большим количеством атомов в состоянии с более высокой разрешенной энергией на самом деле теплее, чем область положительных температур. Если бы эта система была приведена в контакт с системой, содержащей большее количество атомов в более низком энергетическом состоянии (положительные температуры), тепло текло бы от системы с отрицательными температурами к системе с положительными температурами. Так что отрицательные температуры теплее! И все это связано с тем, как мы определяем температуру.

Одним из результатов этого эксперимента является то, что когда газ атомов калия (который является конденсатом Бозе-Эйнштейна) испытывает отрицательные температуры, он также испытывает отрицательное давление. 1 Если бы давление не было отрицательным, то эти очень привлекательные атомы калия схлопывались бы друг на друга.

Идея о том, что притягивающая система не коллапсирует, похожа на то, что Вселенная хочет коллапсировать из-за притягивающей природы массы. Однако согласно всем нашим измерениям Вселенная расширяется, и ученые определили, что должно быть что-то, что заставит ее не разрушиться.

Ученые назвали это чем-то «темной энергией», потому что мы не можем ее обнаружить. Исследователи полагают, что, возможно, результаты отрицательного давления могут пролить свет на идеи темной энергии или не коллапсирующей Вселенной.

Исследователи также перечислили ряд областей исследования, которые предполагают результаты этого эксперимента. К ним относятся исследования перехода изолятора Мотта, параметров модели Хаббарда и систем многих тел. 1

Переход изолятора Мотта — это переход между материалом, действующим как изолятор или проводник электричества.Этот переход обычно происходит при низких температурах и связан с взаимодействиями между электронами. Модель Хаббарда используется для описания перехода между проводящей и изолирующей системами.

Ссылки и ресурсы

1. Braun, S., et al. Отрицательная абсолютная температура для двигательных степеней свободы, Наука (309) с. 52-55, 4 января 2013 г.
http://www.sciencemag.org/content/339/6115/52

2. Чейз, Скотт, Ниже абсолютного нуля — что означает отрицательная температура ?, Часто задаваемые вопросы по физике
http : // математика.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/neg_temperature.html

3. Исследовательская группа LMQ / MPQ, Отрицательная абсолютная температура, Часто задаваемые вопросы
http://www.quantum-munich.de/research/negative -абсолютная температура


— Heide Doss

Температура | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определите температуру.
  • Преобразование температур между шкалами Цельсия, Фаренгейта и Кельвина.
  • Определите тепловое равновесие.
  • Укажите нулевой закон термодинамики.

Понятие температуры произошло от общих понятий горячего и холодного. Человеческое восприятие того, что кажется горячим или холодным, относительное. Например, если вы поместите одну руку в горячую воду, а другую — в холодную, а затем поместите обе руки в прохладную воду, теплая вода будет казаться прохладной для руки, которая была в горячей воде, и теплой для той, которая была в ней. холодная вода. Научное определение температуры менее двусмысленно, чем ваше восприятие тепла и холода. Температура определяется как температура, которую мы измеряем с помощью термометра. (Многие физические величины определяются исключительно в терминах того, как они измеряются. Позже мы увидим, как температура связана с кинетической энергией атомов и молекул, более физическое объяснение.) Два точных термометра, один помещенный в горячую воду, а другой в холодной воде покажет, что горячая вода имеет более высокую температуру. Если их затем поместить в прохладную воду, оба будут давать одинаковые показания (в пределах погрешностей измерения).В этом разделе мы обсуждаем температуру, ее измерение термометрами и ее связь с тепловым равновесием. Опять же, температура — это величина, измеряемая термометром.

Предупреждение о заблуждении: человеческое восприятие против реальности

Холодным зимним утром дерево на крыльце кажется теплее, чем металл вашего велосипеда. Дерево и велосипед находятся в тепловом равновесии с окружающим воздухом и, следовательно, имеют одинаковую температуру. Они ощущаются на по-другому из-за разницы в способе отвода тепла от вашей кожи.Металл отводит тепло от вашего тела быстрее, чем дерево (подробнее о проводимости см. В разделе «Проводимость»). Это всего лишь один пример, демонстрирующий, что человеческое чувство горячего и холодного определяется не только температурой.

Еще одним фактором, влияющим на наше восприятие температуры, является влажность. Большинству людей в жаркие влажные дни гораздо жарче, чем в жаркие и засушливые дни. Это связано с тем, что во влажные дни пот не испаряется с кожи так эффективно, как в засушливые дни. Нас охлаждает испарение пота (или воды из разбрызгивателя или бассейна).

Рисунок 1. Кривизна биметаллической полосы зависит от температуры. (а) Полоса прямая при начальной температуре, когда два ее компонента имеют одинаковую длину. (б) При более высокой температуре эта полоса изгибается вправо, потому что металл слева расширился больше, чем металл справа.

Любое физическое свойство, зависящее от температуры и воспроизводимое при изменении температуры, может быть использовано в качестве основы для термометра. Поскольку многие физические свойства зависят от температуры, разнообразие термометров примечательно.Например, для большинства веществ объем увеличивается с повышением температуры. Это свойство лежит в основе обычного спиртового термометра, старого ртутного термометра и биметаллической полоски (рис. 1).

Другие свойства, используемые для измерения температуры, включают электрическое сопротивление, цвет и излучение инфракрасного излучения.

Одним из примеров электрического сопротивления и цвета является пластиковый термометр. Каждый из шести квадратов на пластиковом (жидкокристаллическом) термометре на Рисунке 2 содержит пленку из другого термочувствительного жидкокристаллического материала. Ниже 95ºF все шесть квадратов черные.Когда пластиковый термометр подвергается воздействию температуры, которая повышается до 95 ° F, первый квадрат жидкого кристалла меняет цвет. Когда температура повышается выше 96,8 ° F, второй квадрат жидкого кристалла также меняет цвет и так далее.

Рис. 2. Пластиковый (жидкокристаллический) термометр. (Источник: Аркришна, Wikimedia Commons)

Рис. 3. Пожарный Джейсон Орманд использует пирометр для проверки температуры в системе вентиляции авианосца. (Источник: Ламель Дж. Хинтон / U.S. Navy)

Пример излучения излучения показан при использовании пирометра (Рисунок 3). Измеряется инфракрасное излучение (излучение которого зависит от температуры) из вентиляционного отверстия на Рисунке 3, и быстро производится считывание температуры. Инфракрасные измерения также часто используются для измерения температуры тела. Эти современные термометры, помещаемые в ушной канал, более точны, чем спиртовые термометры, помещенные под язык или в подмышку.

Температурные шкалы

Термометры используются для измерения температуры в соответствии с четко определенными шкалами измерения, в которых используются заранее определенные контрольные точки для сравнения величин.Три наиболее распространенных температурных шкалы — это шкала Фаренгейта, Цельсия и Кельвина. Температурную шкалу можно создать, указав две легко воспроизводимые температуры. Обычно используются температуры замерзания и кипения воды при стандартном атмосферном давлении.

Шкала по Цельсию (которая заменила немного другую шкалу по Цельсию ) имеет точку замерзания воды при 0ºC и точку кипения при 100ºC. Единица измерения — градусов Цельсия (ºC).По шкале по Фаренгейту (все еще наиболее часто используемой в Соединенных Штатах) точка замерзания воды составляет 32 ° F, а точка кипения — 212 ° F. Единица измерения температуры на этой шкале — градусов по Фаренгейту (ºF). Обратите внимание, что разница температур в один градус Цельсия больше, чем разница температур в один градус Фаренгейта. Только 100 градусов Цельсия охватывают тот же диапазон, что и 180 градусов по Фаренгейту, таким образом, один градус по шкале Цельсия в 1,8 раза больше, чем один градус по шкале Фаренгейта 180/100 = 9/5.

Шкала Кельвина — это шкала температур, которая обычно используется в науке. Это шкала абсолютной температуры , шкала , определенная как 0 K при минимально возможной температуре, называемая абсолютным нулем . Официальная единица измерения температуры на этой шкале — кельвин , которая обозначается аббревиатурой K и не сопровождается знаком градуса. Температура замерзания и кипения воды составляет 273,15 К и 373,15 К соответственно. Таким образом, величина перепада температур одинакова в кельвинах и градусах Цельсия.В отличие от других температурных шкал шкала Кельвина является абсолютной шкалой. {\ circ} \ text {F} \ right) -32 \ right) +273.{\ circ} \ text {F}} = \ frac {9} {5} \ left (T_ {K} -273,15 \ right) +32 \\ [/ latex]

Обратите внимание, что преобразование между градусами Фаренгейта и Кельвина выглядит довольно сложно. Фактически, это простые комбинации преобразований между градусами Фаренгейта и Цельсия и преобразованиями между градусами Цельсия и Кельвина.

Пример 1. Преобразование температурных шкал: комнатная температура

«Комнатная температура» обычно составляет 25ºC.

  1. Что такое комнатная температура в ºF?
  2. Что это в К?
Стратегия

Чтобы ответить на эти вопросы, все, что нам нужно сделать, это выбрать правильные уравнения преобразования и подставить известные значения.{\ circ} \ text {F} \\ [/ latex]

Решение для Части 2
  1. Выберите правильное уравнение. Чтобы преобразовать из ºC в K, используйте уравнение T K = T ºC + 273,15
  2. Подставьте известное значение в уравнение и решите: T K = 25ºC + 273,15 = 298 K.

Пример 2. Преобразование температурных шкал: шкала Реомюра

Шкала Реомюра — это шкала температур, которая широко использовалась в Европе в восемнадцатом и девятнадцатом веках.По температурной шкале Реомюра точка замерзания воды составляет 0ºR, а температура кипения — 80ºR. Если «комнатная температура» составляет 25ºC по шкале Цельсия, что это такое по шкале Реомюра?

Стратегия

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сравнить шкалу Реомюра со шкалой Цельсия. Разница между температурой замерзания и температурой кипения воды по шкале Реомюра составляет 80ºR. По шкале Цельсия это 100ºC. Следовательно, 100º C = 80ºR. Обе шкалы начинаются с 0 º для замораживания, поэтому мы можем вывести простую формулу для преобразования между температурами на двух шкалах.{\ circ} \ text {R} \\ [/ latex]

Диапазоны температур во Вселенной

На рис. 6 показан широкий диапазон температур во Вселенной. Известно, что человеческие существа выживают при температуре тела в небольшом диапазоне от 24 ° C до 44 ° C (от 75 ° F до 111 ° F). Средняя нормальная температура тела обычно составляет 37,0 ° C (98,6 ° F), и колебания этой температуры могут указывать на состояние здоровья: лихорадку, инфекцию, опухоль или проблемы с кровообращением (см. Рисунок 5).

Рисунок 5.Это изображение излучения тела человека (инфракрасный термограф) показывает расположение температурных аномалий в верхней части тела. Темно-синий соответствует холодным областям, а красный цвет белому соответствует горячим областям. Повышенная температура может быть признаком злокачественной ткани (например, раковой опухоли в груди), а пониженная температура может быть следствием снижения кровотока из сгустка. В этом случае аномалии вызваны состоянием, называемым гипергидрозом. (Источник: Porcelina81, Wikimedia Commons)

Самые низкие температуры, когда-либо зарегистрированные, были измерены в ходе лабораторных экспериментов: 4.5 × 10 −10 K в Массачусетском технологическом институте (США) и 1,0 × 10 −10 K в Хельсинкском технологическом университете (Финляндия). Для сравнения, самым холодным местом на поверхности Земли является Восток, Антарктида, температура 183 К (–89ºC), а самым холодным местом (за пределами лаборатории) во Вселенной является туманность Бумеранг с температурой 1 К.

Рис. 6. Каждое приращение на этой логарифмической шкале означает увеличение в десять раз и, таким образом, иллюстрирует огромный диапазон температур в природе.Обратите внимание, что ноль в логарифмической шкале будет располагаться в нижней части страницы на бесконечности.

Установление соединений: абсолютный ноль

Что такое абсолютный ноль? Абсолютный ноль — это температура, при которой прекращается любое движение молекул. Концепция абсолютного нуля возникает из поведения газов. На рис. 7 показано, как давление газов при постоянном объеме уменьшается с понижением температуры. Различные ученые отметили, что давление газов экстраполируется до нуля при той же температуре –273.15ºC. Эта экстраполяция подразумевает, что существует самая низкая температура. Эта температура называется , абсолютный ноль . Сегодня мы знаем, что большинство газов сначала сжижается, а затем замерзает, и на самом деле невозможно достичь абсолютного нуля. Числовое значение температуры абсолютного нуля составляет –273,15ºC или 0 К.

Тепловое равновесие и нулевой закон термодинамики

Рис. 7. График зависимости давления от температуры для различных газов при постоянном объеме. Обратите внимание, что все графики экстраполируются к нулевому давлению при одной и той же температуре.

Термометры фактически принимают свою собственную температуру , а не температуру объекта, который они измеряют. Это поднимает вопрос, как мы можем быть уверены, что термометр измеряет температуру объекта, с которым он находится в контакте. Это основано на том факте, что любые две системы, помещенные в тепловой контакт (то есть между ними может происходить теплопередача), будут достигать одинаковой температуры. То есть тепло будет течь от более горячего объекта к более холодному, пока они не достигнут точно такой же температуры.Тогда объекты находятся в тепловом равновесии , и никаких дальнейших изменений не произойдет. Системы взаимодействуют и изменяются, потому что их температуры различаются, и изменения прекращаются, как только их температуры становятся одинаковыми. Таким образом, если дается достаточно времени для того, чтобы эта передача тепла протекала своим чередом, температура, регистрируемая термометром , не представляет собой систему, с которой он находится в тепловом равновесии. Тепловое равновесие устанавливается, когда два тела находятся в контакте друг с другом и могут свободно обмениваться энергией.

Кроме того, эксперименты показали, что если две системы, A и B, находятся в тепловом равновесии друг с другом, а B находится в тепловом равновесии с третьей системой C, то A также находится в тепловом равновесии с C. Этот вывод может показаться очевидным. , потому что все три имеют одинаковую температуру, но это основа термодинамики. Это называется нулевым законом термодинамики .

Нулевой закон термодинамики

Если две системы, A и B, находятся в тепловом равновесии друг с другом, а B находится в тепловом равновесии с третьей системой, C, то A также находится в тепловом равновесии с C.

Этот закон был постулирован в 1930-х годах после того, как были разработаны и названы первый и второй законы термодинамики. Он называется нулевым законом , потому что он логически предшествует первому и второму законам (обсуждаемым в термодинамике). Пример этого закона в действии наблюдается у младенцев в инкубаторах: у младенцев в инкубаторах обычно очень мало одежды, поэтому наблюдателю они кажутся недостаточно теплыми. Однако температура воздуха, детской кроватки и ребенка одинакова, поскольку они находятся в тепловом равновесии, которое достигается за счет поддержания температуры воздуха, чтобы ребенку было комфортно.

Проверьте свое понимание

Зависит ли температура тела от его размеров?

Решение

Нет, систему можно разделить на более мелкие части, каждая из которых имеет одинаковую температуру. Мы говорим, что температура — это интенсивная величина . Интенсивные количества не зависят от размера.

Сводка раздела

  • Температура — это величина, измеряемая термометром.
  • Температура связана со средней кинетической энергией атомов и молекул в системе.{\ circ} \ text {F}} — 32 \ right) \\ [/ latex]
  • T K = T ºC + 273,15
  • T ºC = T K — 273,15
  • Системы находятся в тепловом равновесии, когда они имеют одинаковую температуру.
    Тепловое равновесие возникает, когда два тела находятся в контакте друг с другом и могут свободно обмениваться энергией.
    Нулевой закон термодинамики гласит, что когда две системы, A и B, находятся в тепловом равновесии друг с другом, а B находится в тепловом равновесии с третьей системой, C, тогда A также находится в тепловом равновесии с C.

    • Концептуальные вопросы

    1. Что значит сказать, что две системы находятся в тепловом равновесии?
    2. Приведите пример физического свойства, которое изменяется в зависимости от температуры, и опишите, как оно используется для измерения температуры.
    3. Когда термометр с холодным спиртом помещается в горячую жидкость, столб спирта немного опускается, прежде чем подниматься. Объяснить, почему.
    4. Если вы добавите кипящую воду в чашку при комнатной температуре, какой будет конечная равновесная температура устройства? Вам нужно будет включить окружение как часть системы.Рассмотрим нулевой закон термодинамики.

    Задачи и упражнения

    1. Какова температура по Фаренгейту у человека с температурой 39,0 ° C?
    2. Повреждение большинства растений морозом происходит при температуре 28,0 ° F или ниже. Что это за температура по шкале Кельвина?
    3. Для экономии энергии комнатная температура поддерживается на уровне 68,0 ° F зимой и 78,0 ° F летом. Что это за температуры по шкале Цельсия?
    4. Нить накаливания вольфрамовой лампы может работать при 2900 К.Какая у него температура по Фаренгейту? Что это по шкале Цельсия?
    5. Температура поверхности Солнца составляет около 5750 К. Что это за температура по шкале Фаренгейта?
    6. Одна из самых высоких температур, когда-либо зарегистрированных на поверхности Земли, составляла 134 градуса по Фаренгейту в Долине Смерти, Калифорния. Что это за температура в градусах Цельсия? Что это за температура в Кельвинах?
    7. (a) Предположим, что в вашу местность обрушивается холодный фронт и температура падает на 40 градусов по Фаренгейту. На сколько градусов по Цельсию понижается температура при 40.Снижение температуры на 0ºF? (b) Покажите, что любое изменение температуры в градусах Фаренгейта составляет девять пятых изменения в градусах Цельсия.
    8. (a) При какой температуре шкалы Фаренгейта и Цельсия имеют одинаковое числовое значение? (б) При какой температуре шкала Фаренгейта и Кельвина имеют одинаковое числовое значение?

    Глоссарий

    температура: величина, измеренная термометром

    Шкала Цельсия: шкала температур , в которой точка замерзания воды равна 0ºC, а точка кипения воды равна 100ºC

    градусов Цельсия: единиц температурной шкалы Цельсия

    Шкала Фаренгейта: шкала температур , в которой точка замерзания воды составляет 32 ° F, а точка кипения воды — 212 ° F.

    градусов по Фаренгейту: единиц температурной шкалы по Фаренгейту

    Шкала Кельвина: шкала температур , в которой 0 K — минимально возможная температура, представляющая абсолютный ноль

    абсолютный ноль: минимально возможная температура; температура, при которой прекращается движение всех молекул

    тепловое равновесие: состояние, при котором тепло больше не течет между двумя контактирующими объектами; два объекта имеют одинаковую температуру

    нулевой закон термодинамики: закон, который гласит, что если два объекта находятся в тепловом равновесии, а третий объект находится в тепловом равновесии с одним из этих объектов, он также находится в тепловом равновесии с другим объектом

    Избранные решения проблем и упражнения

    1.{\ circ} \ text {C} \ right) \ end {array} \\ [/ latex]

    Самая низкая температура в Фермилабе достигнута в оборудовании для эксперимента с темной материей

    Покатавшись в клетке с шахтерами никеля, спустившись по сугробам и остановившись на суше, ученые SuperCDMS попадают в свое торкретированное иглу открытий глубоко под землей.

    Перевод с горного жаргона: поднявшись на лифте вниз по двухкилометровой шахте с добытчиками никеля, ученые Фермилаба проходят еще почти два километра туннелей, затем принимают душ и переодеваются, прежде чем войти в пещеру с белыми стенами, в которой будет находиться Супер Криогенная установка. Dark Matter Search, эксперимент, который будет искать частицы темной материи с массой от половины до 10 масс протона.

    Темная материя, составляющая примерно 85% материи Вселенной, не излучает света и редко взаимодействует с нормальной материей. Эти характеристики затрудняют обнаружение, и только с помощью очень чувствительных экспериментов, таких как SuperCDMS, можно будет непосредственно наблюдать.

    Этим летом ученые Fermilab Мэтт Холлистер и Дэн Бауэр сами совершат это путешествие, чтобы установить новый холодильник для разбавления SuperCDMS в SNOLAB недалеко от Садбери, Онтарио, Канада.

    Ученый из Fermilab Мэтт Холлистер работает над крупнейшим в мире холодильником для сухого разбавления, который будет использоваться для эксперимента SuperCDMS в SNOLAB. Изображение: Рейдар Хан, Фермилаб

    Самое холодное место в Фермилаб

    Эта разработка стала возможной благодаря важной вехе, достигнутой в конце октября: ученые SuperCDMS охладили свой холодильник для разбавления, который часто называют просто холодильником, до 5,3 милликельвина, всего на несколько тысячных кельвина выше абсолютного нуля.

    «Достигнутая нами температура является самой низкой из когда-либо достигнутых в Fermilab и одной из самых низких из когда-либо достигнутых с помощью современных серийных холодильников», — сказал Мэтт Холлистер, главный разработчик криогенной системы SuperCDMS.

    Чтобы представить эту температуру в перспективе, самый холодный воздух, когда-либо зарегистрированный на Земле, составлял 184 кельвина (около минус 89,2 градуса по Цельсию), зарегистрированный на советской станции Восток в Антарктиде в 1983 году. Температура в космическом пространстве составляет 2,7 кельвина (минус 270 градусов по Цельсию). ).

    Экстремальный холод — не новое явление для ученых SuperCDMS, которые в течение последних нескольких десятилетий проводили свои эксперименты при последовательно более низких температурах, чтобы достичь новых уровней чувствительности и точности данных.SuperCDMS SNOLAB будет примерно в 50 раз более чувствителен к частицам малой массы темной материи, чем его предыдущая итерация, в которой данные собирались на глубине 700 метров под землей в подземной лаборатории Судана в северной Миннесоте.

    «SuperCDMS SNOLAB должен иметь возможность видеть колебания или фононы, вызванные одиночной частицей темной материи, отскакивающей от ядра или электронов в детекторе», — сказал Бауэр, ведущий научный сотрудник SuperCDMS в Фермилаб.

    Детекторы

    SuperCDMS SNOLAB изготовлены из германия и кремния и будут примерно в 50 раз более чувствительны к частицам темной материи, чем предыдущая итерация эксперимента, SuperCDMS Soudan.Фото: Энди Фриберг, Национальная ускорительная лаборатория SLAC

    Температуры, которые колеблются чуть выше абсолютного нуля, имеют решающее значение, если SuperCDMS должна обнаруживать темную материю. Чем холоднее кристаллы в детекторах темной материи, тем легче будет обнаружить колебания, вызванные частицами темной материи. Это все равно что выйти на улицу зимой в Чикаго только в легкой куртке. Точно так же, как люди с большей вероятностью заметят вашу дрожь, если температура ниже 20 ° C, а не выше нуля, так и детекторы темной материи с большей вероятностью обнаружат частицу темной материи при более низких температурах.

    Однако, прежде чем они смогли начать поиск частиц темной материи, ученым понадобился холодильник.

    Холодильники для разбавления 101

    Холодильник для разбавления SuperCDMS SNOLAB прибыл в Fermilab в начале этого года от компании Leiden Cryogenics, расположенной в Нидерландах. Со скрученными золотыми и медными трубками различных форм и размеров, украшающих последовательно все меньшие платформы, холодильник выглядит как многоярусная люстра, которая аккуратно уравновешивает две жидкости — гелий-3 и гелий-4.

    Гелий-3 и гелий-4 — изотопы гелия, которые ведут себя так же, как нефть и вода. При высоких температурах они остаются смешанными, но при понижении температуры они разделяются. В SuperCDMS гелий-3, закачанный в холодильник, встречает гелий-4, находящийся на дне холодильника. При спонтанном квантовомеханическом изменении фазы гелий-3 «испаряется» в гелий-4, забирая тепло от ближайшего источника энергии: самого холодильника. Этот фазовый переход охлаждает холодильник и его детекторы, когда гелий-3 выкачивается из холодильника.

    Холодильник SuperCDMS не требует дорогих жидких криогенов и не требует почти такого же ухода, как старые холодильники с разбавлением. В качестве дополнительного бонуса смежная система газообмена, которая помогает рассеивать тепло, накопленное в гелии-3, также удаляет примеси, делая процесс охлаждения более эффективным и устойчивым в долгосрочной перспективе.

    На этом панорамном изображении показано чистое помещение Фермилаборатории для эксперимента SuperCDMS. На снимке ведущий ученый SuperCDMS Дэн Бауэр и старший технический специалист Марк Рушман.Фото: Рейдар Хан, Фермилаб

    Холодильник не похожий ни на какой другой

    Холодильник для SuperCDMS в его предыдущей итерации в Судане, Миннесота, никогда не опускался ниже 12 милликельвинов. Похолодание для SuperCDMS SNOLAB потребовало решения серьезных проблем. Фактически, разработка системы, которая даже могла бы работать с при таких низких температурах в течение длительного времени, была сложной задачей.

    Чтобы уменьшить фон, видимый детекторами, ученые SuperCDMS решили разместить их в нескольких метрах от самого холодильника и соединить их термически.

    Это решение привело к некоторым наводящим на размышления вопросам. А именно, как отводить тепло от детекторов при субкельвиновых температурах, когда холодильник и детекторы находятся так далеко друг от друга?

    «Поскольку так мало людей, выполняющих такую ​​работу, мы не могли обратиться к литературе, чтобы увидеть, как будет работать тот или иной материал», — сказал Холлистер.

    Ученые из Фермилаба потратили несколько лет на разработку и тестирование компонентов, таких как медный криостат и тепловые соединения, которые будут термически соединять холодильник и детекторы, за счет чего добились успехов в материаловедении.

    «Надеюсь, наша работа будет полезна и другим», — сказал Холлистер.

    Есть также практические проблемы для повседневной работы, например, тот факт, что SNOLAB находится на действующем никелевом руднике. Поскольку наука включена в график добычи полезных ископаемых, ученые обычно спускаются в SNOLAB и возвращаются на поверхность в заранее назначенное время. Одним из следствий этого регламентированного графика является то, что ученые и SNOLAB должны заранее согласовывать, какие работы и когда они должны быть выполнены.

    «У вас нет доступа, который был бы, если бы вы проводили эксперимент в Фермилабе», — сказал Бауэр. «Вам нужно гораздо больше спланировать, чтобы убедиться, что ваш эксперимент является надежным. Вы должны быть уверены, что ничего не произойдет, если, например, отключится электричество, потому что вы просто не можете постоянно туда спускаться ».

    Из Фермилаба в СНОЛАБ

    Теперь, когда в Фермилабе установлен холодильник, ученые должны спланировать поездку на север, в новый дом недалеко от Садбери, Онтарио, Канада.

    После выполнения проверок, чтобы убедиться, что тепло отводится от холодильника эффективно, ученые разбирают холодильник в Фермилабе и собирают его в СНОЛАБ. Затем следующим летом они запустят его в подполье на несколько месяцев, чтобы убедиться, что этот шаг не повлиял на его работу. Наконец, они интегрируют его с остальной частью эксперимента, в который вносят вклад три национальных лаборатории Министерства энергетики, а также университеты и партнерские учреждения в США, Канаде, Франции, Великобритании и Индии.

    Вот когда ученые начнут собирать данные.

    «Все действительно хотят, чтобы SuperCDMS SNOLAB работала», — сказал Бауэр. «Будет весело. Теперь, когда все изменения, которые мы внесли для улучшения SuperCDMS Soudan, реализованы, мы все очень хотим вернуться в игру, чтобы найти темную материю ».

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *