Вещество можно охладить до абсолютного нуля

Вещество можно охладить до абсолютного нуля

Теплота тела всегда была важной характеристикой в оценке человеком того или иного предмета. Мы ощущаем степень нагретости тела при прикосновении и можем с достаточной уверенностью сказать, какое тело теплее, а какое холоднее. Уже давно люди задумывались над тем, что же представляет собой само понятие «тепло» и что происходит в процессе нагревания или охлаждения, однако точного ответа не находилось вплоть до XIX в.

Если с высокими температурами все было более или менее ясно («нагрев» Солнца сам по себе должен быть огромным), то вот относительно возможного уровня охлаждения единого мнения не было. С введением единой шкалы температур за нижний порог была взята температура в -273,16° С — т. н. абсолютный нуль. С этого момента тысячи физических лабораторий по всему миру пытались получить «абсолютно холодное тело», что, как оказалось, было глубочайшим заблуждением. Попытаемся доказать, что достижение абсолютного нуля невозможно в принципе.

Наверное, логичнее будет начать разговор с того, как именно сформировывалось представление людей о структуре вещества вообще, поскольку именно в этом заключается «тайна» теплоты. Многие века человек был вооружен только собственными глазами, а значит, проникнуть в тайны микромира не представлялось возможным. Однако мыслители в своих суждениях уходили гораздо дальше простой констатации увиденного. Так, еще в античные времена (V–IV в. до н. э.) философы Левкипп и Демокрит предположили, что любое тело состоит из каких-то простых составляющих — мельчайших частичек, различных в разных веществах.

Однако приоритет первого обоснованного учения о структуре вещества принадлежит М. В. Ломоносову — великому отечественному ученому, опередившему свое время во многих областях науки. Им впервые было доказано, что все без исключения тела состоят из корпускул — атомов и молекул. Так в XVII в. были заложены основы молекулярно-кинетической теории строения вещества — фундаментального учения физики.

На протяжении почти всего последующего века к выводам Ломоносова в научных кругах не возвращались. Только в XIX в. благодаря работам ученых-физиков Д. Джоуля, Л. Больцмана, Р. Клаузиуса и других вновь возродился интерес к внутреннему строению тел, и молекулярно-кинетическая теория стала стремительно развиваться и дополняться новыми данными и теоретическими выводами.

Ломоносов, как, впрочем, и Демокрит, только предположил, что вещество не монолитно, однако наглядного представления, способного убедить скептиков, предоставить не смог. Впервые увидел при помощи светового микроскопа мельчайшие составляющие вещества английский ботаник Броун, решивший посмотреть на взвесь цветочной пыльцы в капле воды. Неожиданность и удивление ожидали ботаника — мельчайшие пылинки приводились неизвестными силами в движение, не прекращающееся ни на минуту и совершенно беспорядочное. Таким образом в 1827 г. мир впервые узнал о броуновском движении.

Выводы, которые были сделаны из увиденного, говорили о следующем: мельчайшие составляющие любого твердого нерастворимого вещества в жидкости, как, впрочем, и в газе, находятся в постоянном движении, причем чем мельче частицы и выше температура среды, тем быстрее движутся атомы и молекулы. И наоборот, чем крупнее взвешенная частица, тем больше ее «бомбардируют» ее же «соотечественницы» со всех сторон одновременно, значит, и ее смещение будет в ответ минимальным. Жидкость и газ, являющиеся средой для взвешенных частиц, также состоят из молекул, подверженных броуновскому движению, поэтому при попадании под «их влияние» собственное непрерывное движение частиц твердого вещества становится заметнее.

Следующим наглядным подтверждением сложного строения вещества стало наблюдение диффузии — проникновения молекул одного вещества в пространство между частицами другого. Так, в стакане с водой капля чернил постепенно полностью растворяется, равномерно размещаясь по всему объему; пролитые в одной части комнаты духи начинают ощущаться в другой через считанные секунды. Все эти простые наблюдения опровергают представления о неделимости вещества.

Однако диффундировать могут не только «подвижные среды» — газы и жидкости, но и твердые вещества, хотя обнаруживается это далеко не так быстро. Для подтверждения сложного строения твердых тел был проведен следующий опыт. Две гладко отшлифованные пластины из золота и свинца были наложены друг на друга под значительным давлением. Спустя 5 лет пластинки исследовались, и обнаружилось то, что и ожидалось, — частицы свинца проникли в золотую пластинку на глубину в 1 см, частицы же золота — на аналогичную глубину в пластину свинца. Таким способом было выявлено, что процесс «обмена составляющими» протекает между твердыми телами вопреки воздействию всемирного тяготения, нарастая по мере увеличения нагрева тел.

Вернемся к непосредственному обсуждению вопроса о теплоте. Конечно, люди научились пользоваться энергией Солнца задолго до того, как появилось само понятие «энергия», добыча огня, обогрев и приготовление с его помощью пищи были известны еще в первобытном обществе. Кем-то впервые было замечено, что добавление в костер разожженного ударом молнии «топлива», коим являлось сухое дерево, увеличивает время горения и интенсивность выделения тепла.

Только во II в. грек Герон попытался впервые применить теплоту сгорания топлива на производство работы. Им был сконструирован первый паровой двигатель, однако столь несовершенный, что остался незамеченным в научных кругах и не использовался в быту. И Леонардо да Винчи, и Ньюкомен, и Папен пытались соорудить более совершенные «тепловые двигатели», однако первая удачная модель паровой машины была создана крестьянином-самоучкой И. И. Ползуновым, но его изобретение, к сожалению, также не получило распространения.

XVII столетие по праву называется веком пара, именно в это время английский физик Д. Уатт создал машину, коренным образом видоизменившую всю промышленность, а также транспорт, как водный, так и сухопутный.

С древнейших времен существовало множество самых невероятных предположений, пытавшихся объяснить природу пара. Одной из самых распространенных точек зрения было представление о невесомом «эфире», или «теплороде», способном перетекать из одного тела в другое и тем самым «передавать» тепло, соответственно, чем больше в теле теплорода, тем оно горячее. Поиски загадочного теплорода не принесли желаемого результата.

Теория теплорода не оправдывала свое существование, поэтому уже Ломоносов предполагал в своей работе «Размышления о причине теплоты и холода», что само понятие теплоты заключено в глубинном строении вещества, а точнее, в движении составляющих тело корпускул. Его идеи вновь получили свое экспериментальное подтверждение лишь столетие спустя, в исследованиях Дэви и Румфорда. Ими было замечено, что при трении двух кусков льда друг о друга в вакууме происходило их таяние. Теплород в любом случае не мог бы перетекать из одного холодного тела в другое, кроме того, поступление его извне было невозможно в условиях вакуума. Английские исследователи предположили, что теплота — это своеобразная форма движения.

Согласно выводам молекулярно-кинетической теории, тепло создается движением молекул и атомов, входящих в состав вещества. Суммарное хаотическое движение мельчайших частиц тела (броуновское движение) и предопределяет запас общей энергии тела, т. е. его тепловой ресурс. Если тело нагрелось, следовательно, увеличилась средняя скорость смещения его составляющих, если же остыло — броуновское движение замедлилось.

Внутренняя энергия в ходе совершения работы расходуется, помимо всего прочего, на преодоление всегда существующего в реальном пространстве трения, поэтому-то и нагреваются механизмы, задействованные в работе, именно поэтому растаял лед в эксперименте Дэви и Румфорда.

Так была установлена природа тепла, после чего понадобилось ввести единую систему определения температуры. Цельсий предложил шкалу, при которой за отправную точку бралась температура таяния льда, верхний же порог — температура кипения воды. Вся шкала делилась на 100 равных частей, каждая из которых являлась градусом Цельсия.

Принцип, положенный в основу работы разного вида термометров, является общим: тела изменяют свой объем при нагревании или охлаждении. В самом распространенном ртутном термометре объем ртути находится в непосредственной связи с температурой (тела или окружающей среды). Нагревающаяся ртуть начинает занимать больший объем, следовательно, смещается на определенное количество делений термометра вверх, при охлаждении же, наоборот, столбик ртути «сползает» вниз.

Были предложены и другие шкалы температур, отличающиеся от шкалы Цельсия лишь ценой делений на термометре. Например, градус по шкале Реомюра составляет 5/4, а градус шкалы Фаренгейта — 5/9 градуса Цельсия. Для дальнейшего объяснения необходимо внести понятие «теплового равновесия» — равномерного распределения тепла между взаимодействующими телами или составными частями одного тела. Для наглядности приведем пример. Для измерения температуры тела с помощью медицинского термометра требуется в среднем 5—10 мин, за это время и происходит выравнивание температуры градусника и тела, если на систему тел не воздействовать извне, она самопроизвольно «уравновешивается».

Различные жидкости, используемые в термометрах, расширяются при одном и том же «разогреве», поэтому возникла потребность создания абсолютной шкалы температур, показания которой не зависели бы от свойств «измерителя». Подобная шкала была создана английским физиком В. Кельвином. В ней непосредственно использовалось представление о том, что температура — это энергия движения частиц, образующих вещество. В ходе экспериментов выяснилось, что газы, заключенные в фиксированный объем термометра, расширяются совсем по-иному, нежели это предполагал Цельсий. В новой шкале фиксируемая температура отражала изменение давления газа, прямо пропорциональное его нагреванию.

Кельвин воспользовался формулой, отражающей закон Шарля (суть которого сводится к тому, что, зная давление газа при 0 градусов Цельсия, можно рассчитать давление и при любой температуре вообще), и получил интересную зависимость. Давление газа изменялось пропорционально абсолютной температуре, которая отличалась от температуры по шкале Цельсия на 273°. Таким образом, Кельвин предположил, что именно температура -273° ниже точки таяния льда является минимально возможной.

Непосредственным доказательством вывода Кельвина являлись следующие заключения. Согласно положениям молекулярно-кинетической теории, температура — показатель суммарной кинетической энергии хаотично движущихся молекул, следовательно, в случае приближения степени охлаждения тела к абсолютному нулю, т. е. к -273,16° С, неуклонно замедляется броуновское движение.

Поскольку полную остановку теплового движения и отсутствие всякой энергии в системе при полной ее изоляции от окружающего пространства обеспечить невозможно (т. к. исходя из принципа теплового равновесия, системе вновь передавалась бы энергия, проще говоря, она бы неуклонно «отогревалась»), то и достижение абсолютного нуля невозможно.