شرح مفهوم الصفر المطلق في الفيزياء
كثيراً ما يستخدم مفهوم الصفر المطلق في الحسابات الفيزيائية، لذا سنقدم لكم شرح مفهوم الصفر المطلق وطرق التحويل بين وحدات قياس الحرارة المختلفة.
شرح مفهوم الصفر المطلق
الصفر المطلق هو درجة الحرارة التي تكوّن عندها الجسيمات أقل كمية من الحرارة.
ويسمّى الصفر المطلق أيضًا صفر كلفن لأنه يساوي صفرًا على مقياس كلفن.
تبلغ قيمة الصفر المطلق بالفهرنهايت 459.76 درجة فهرنهايت، وقيمة الصفر المطلق بالسلسيوس -273.15 درجة مئوية.
ونطلق على هذه الدرجة أدنى درجة حرارة يتحملها نظام ثيرموديناميكي. ومع ذلك، يبقى مفهوم الصفر المطلق مفهومًا نظريًا.
في هذه المقالة، سنتعرّف على درجة حرارة الصفر المطلق بالتفصيل.
صفر كلفن
نشير إلى أن الصفر المطلق هو أدنى قيمة على مقياس درجة الحرارة الثيرموديناميكي.
ويمكننا القول إن درجة حرارة الصفر المطلق هي الحالة التي يصل فيها المحتوى الحراري والإنتروبيا لغاز مثالي مبرّد إلى أدنى قيمة لها، والتي تعتبر صفر كلفن.
للجسيمات الأساسية في الطبيعة أدنى حركة اهتزازية، حيث تحتوي فقط على حركة الجسيمات المستحثة بميكانيكا الكم وطاقة نقطة الصفر.
وهي النقطة التي يحدد عندها مقياس كلفن ورانكين لدرجة الحرارة نقطة الصفر عند الصفر المطلق.
إقرأ أيضاًً… حساسات الحرارة وأنواعها.
درجة حرارة الصفر المطلق
وفقًا للنظرية الحركية الكلاسيكية، يُمثل الصفر المطلق غياب حركة الجزيئات الفردية في المادة، بينما تظهر الأدلة التجريبية أن هذا ليس هو الحال، بل يشير إلى أن الجسيمات عند الصفر المطلق لديها أقل حركة اهتزازية.
بعبارات بسيطة، قد لا تُزال الحرارة من نظام عند الصفر المطلق، وقد تكون هناك بعض الحرارة مخزنة فيه، لذا ينص بوضوح على أن الصفر المطلق لا يمثل أقل حالة إنثالبي ممكنة.
في مجال ميكانيكا الكم، يمثل الصفر المطلق أقل طاقة داخلية للمادة الصلبة في حالتها الصفرية/الأرضية.
الصفر المطلق ودرجة الحرارة
في الفيزياء، نصف سخونة أو برودة الجسم بمصطلح “درجة الحرارة”.
تعتمد درجة حرارة الجسم على السرعة التي تتذبذب بها الذرات والجزيئات داخله.
على الرغم من أن الصفر المطلق يُمثل تذبذبات الذرات بأبطأ سرعة؛ ومع ذلك، فإن حركتها لا تتوقف تمامًا.
إذن، هل تعتقد أنه من الممكن الوصول إلى الصفر المطلق، أو يمكننا الحصول على صفر مطلق بالفهرنهايت وصفر مطلق بالكلفن؟
لا، ليس من الممكن الحصول على صفر مطلق بالفهرنهايت وصفر مطلق بالكلفن. ومع ذلك، جعل العلماء ذلك ممكنًا. الآن، دعونا نفهم كيف.
من النص أعلاه، تعلمنا أن الوصول إلى الصفر المطلق غير ممكن، على الرغم من أن العلماء قد اقتربوا من هذا المستوى. فيما يلي بعض الأمثلة التي حطمت الأرقام القياسية:
- في عام 1994، حقق المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) درجة حرارة باردة قياسية بلغت 700 نانوكلفن، أي مليارات كلفن.
- في عام 2003، سجل باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) رقمًا قياسيًا جديدًا بلغ 0.45 نانوكلفن.
إقرأ أيضاً… تعريف الحرارة النوعية.
الصفر المطلق
يمكن اعتبار درجة حرارة الصفر المطلق أقل درجة حرارة ممكنة؛ ومع ذلك، فهي ليست أقل حالة إنثالبي ممكنة، لأن جميع المواد الحقيقية تبدأ بالانحراف عن سلوك الغاز المثالي عند تبريدها مع اقترابها من التحول إلى سائل، ثم إلى صلب؛ ومجموع إنثالبي التبخر، أي: التحول من الغاز إلى السائل وإنثالبي الاندماج، أي التحول من الحالة السائلة إلى الصلبة، يتجاوز تغير إنثالبي الغاز المثالي إلى الصفر المطلق.
في نظرية ميكانيكا الكم، تكون المادة (الصلبة) عند الصفر المطلق في حالتها الأساسية، أي نقطة أدنى طاقة داخلية.
درجة حرارة الصفر المطلق
وفقًا لقوانين الديناميكا الحرارية، لا يمكن الوصول إلى الصفر المطلق باستخدام الوسائل الديناميكية الحرارية فقط، وذلك لأن درجة حرارة المادة المبردة تقترب من درجة حرارة عامل التبريد بشكل مقارب.
كما أن النظام عند الصفر المطلق لا يزال يحمل طاقة نقطة الصفر الميكانيكية الكمومية، أي طاقة حالته الأساسية عند الصفر المطلق. ومع ذلك، لا يمكن إزالة الطاقة الحركية للحالة الأساسية.
في عصرنا الحالي، يصل العلماء والتقنيون يوميًا إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، حيث تظهر المادة تأثيرات كمية مثل الموصلية الفائقة، والميوعة الفائقة، وتكاثف بوز-أينشتاين، وغيرها.
معادلات الصفر المطلق
عند صنع مقياس حرارة باستخدام جدار أنبوب، نحتاج إلى وضع علامة على مقياس بأرقام على جدار الأنبوب. تمثل هذه الأرقام مقياس درجة الحرارة.
مقياس درجة الحرارة هو طريقة لقياس درجة الحرارة بالنسبة لنقطة بداية، وهي: 0 أو صفر، ووحدة قياس.
يمثل الصفر هنا نقطة التجمد، بينما يمثل 100 نقطة الغليان. وحدات القياس هي:
- درجة مئوية
- درجة فهرنهايت
- كلفن
يسمى مقياس درجة الحرارة المطلقة الذي يتوافق مع مقياس سيليزيوس مقياس كلفن (K).
أما المقياس المطلق المشابه لمقياس فهرنهايت تتم تسميته مقياس رانكين (R). تمثل نقاط الصفر على كلا المقياسين المطلقين (سلسيوس وفهرنهايت) نفس الحالة الفيزيائية.
توضَّح العلاقات بين مقاييس درجة الحرارة المطلقة والنسبية في المعادلات التالية:
- من كلفن إلى سيلسيوس
ك = °م + ٢٧٣.١٥
°م = ك – ٢٧٣.١٥
- من رانكين إلى فهرنهايت
R = °ف + ٤٦٠
°ف = R – ٤٦٠
