Absolutní nula
Absolutní nula je hypotetický stav látky, ve které se zastaví veškerý tepelný pohyb částic. Absolutní nula je počátek stupnice absolutní teploty, označuje také pro termodynamickou teplotu T = 0 K = −273,15 °C.
Historie
Absolutní nulu poprvé navrhl Guillaume Amontons roku 1702, když zkoumal vztah mezi tlakem a teplotou v plynech. Chyběly mu dostatečně přesné teploměry, jeho výsledky tak byly velmi nepřesné. Přesto prokázal, že tlak plynu se mezi „chladnou“ teplotou a bodem varu vody zvětší asi o jednu třetinu. Tato práce jej dovedla k teorii, že dostatečné snížení teploty by vedlo k úbytku tlaku. Problém ovšem byl, že se všechny reálné plyny během zchlazování k absolutní nule zkapalní.
Roku 1848 William Thomson (lord Kelvin z Largsu) navrhl termodynamickou teplotní stupnici. Toto pojetí se vymanilo z omezení plynných látek a definovalo absolutní nulu jako takovou teplotu látky, ve které již nelze odebírat žádné další teplo.
V roce 1999 bylo dosaženo dosud nejnižší teploty, pouhých 100 pK = 10−10 K, a to v systému jaderných spinů v kovovém rhodiu.[1]
V roce 2003 kolektiv vědců z Massachusettského technologického institutu v Cambridge (A.E. Leanhardt, T.A. Pasquini, M. Saba, A. Schirotzek, Y. Shin, D. Kielpinski, D.E. Pritchard a W. Ketterle) dosáhli do té doby nejnižší mechanicky dosažené teploty 450 pikokelvinů = 0,000 000 000 45 K, a to pomocí Boseho-Einsteinova kondenzátu spinově polarizovaných atomů sodíku zachycených v gravitomagnetické pasti.[2]
Vlastnosti
Třetí termodynamický zákon říká, že absolutní nuly nelze nikdy zcela dosáhnout, absolutní nula je tedy jen teoretická teplota. Lze se k ní ovšem limitně přiblížit velice blízko.
Z pohledu statistické fyziky je absolutní nula stav tělesa s nejmenší možnou (nikoliv však nutně nulovou – viz například systém složený z kvantově mechanických harmonických oscilátorů) vnitřní energií.
Existuje celá řada systémů, jež v blízkosti absolutní nuly zcela mění chování. Typickým příkladem je Boseho–Einsteinův kondenzát a s ním spojeny jevy supravodivosti a supratekutosti.
V odborné literatuře se zavádí pojem záporné termodynamické teploty. To je možné pouze u systému s vnitřní energií omezenou shora i zdola (tedy s omezeným energetickým spektrem) a konečným počtem energetických stavů. Jedná se o situaci s inverzním obsazením stavů (systém má více obsazené stavy s vysokou energií než stavy s nízkou energií). Tato situace však neporušuje platnost třetího termodynamického zákona, neboť takový systém se chová, jako by byl teplejší, než systém s nekonečnou teplotou. Posloupnost stoupajících teplot lze tedy formálně zapsat takto:
- , kde označuje infinitezimální přírůstek teploty.
Jako příklad praktického použití inverzního obsazení stavů lze uvést laser.
Reference
- KNUUTTILA, Tauno. Nuclear Magnetism and Superconductivity in Rhodium [online]. Helsinki: Aalto University, 2000. Dostupné online. PDF . ISBN 951-22-5214-7, ISBN 951-22-5208-2. (anglicky)
- LEANHARDT, A. E.; PASQUINI, T. A.; SABA, M.; SCHIROTZEK, A.; SHIN, Y.; KIELPINSKI, D.; PRITCHARD, D. E., KETTERLE, W. Cooling Bose-Einstein Condensates Below 500 Picokelvin. S. 1513–1515. Science [online]. American Association for the Advancement of Science, 12. září 2003 [cit. 2017-01-04]. Svazek 301, čís. 5639, s. 1513–1515. Dostupné online. PDF . ISSN 1095-9203. PMID 12970559. (anglicky)