صفر مطلق یا دمای صفر کلوین

صفر مطلق یا دمای صفر کلوین

صفر مطلق یا دمای صفر کلوین ؛ دمای صفر کلوین به صفر مطلق معروف است. در واقع در این دما آنتروپی و آنتالپی صفر می‌شود. به طور دقیق این دما برابر ۲۷۳٫۱۵- درجه سلسیوس (سانتی‌گراد) یا ۴۵۹٫۶۷- درجه فارنهایت است. لرد کلوین تصور می‌کرد که از دمای صفر کلوین نمی‌توان به دمای کمتری دست یافت. چگالی گاز های کامل را میتوان از رابطه p.m÷rt به دست آورد.

در سال ۲۰۰۰ دانشگاه صنعتی هلسینکی از طریق رابطه چگالی گاز های کامل اعلام کرد که به پایین‌ترین دمای ممکن در آزمایشگاه دست یافته‌اند. این دما ۱۰۰ پیکو کلوین است که هنوز ۱۰۰ پیکو کلوین از دمای صفر کلوین گرم تر است.

بنابر نظریه‌های تثبیت شده ترمودینامیک و مکانیک آماری، دمای صفر کلوین پایین‌ترین دمای ممکن است. کم ترین درجه برای نقطه جوش را هلیم با -۲۶۹ درجه سانتیگراد معادل ۴ درجه کلوین به خود اختصاص داده است.در این دما انرژی جنبشی ذرات سازنده به کمینه خود می‌رسد و آنتروپی نیز صفر می‌گردد.

رقابت برای صفر مطلق

با یک درک نظری بهتر از صفر مطلق، دانشمندان برای رسیدن به این دما در آزمایشگاه مشتاق بودند. تا ۱۸۴۵، مایکل فارادی تلاش کرد تا بیشتر گازهایی را که تا آن زمان شناخته شده بودند را به مایع تبدیل کند، و با رسیدن به -۱۳۰ درجه سانتی‌گراد به رکورد جدیدی از پایین‌ترین دما رسید.

فارادی معتقد بود که گازهای مشخصی، همچون اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن باید گازهای دائمی باشند و امکان مایع‌کردن آن‌ها وجود ندارد. دهه‌ها بعدتر، در سال ۱۸۷۳ دانشمند نظری هلندی یوهان دیدریک وان در والس نشان داد که این گازها را می‌توان به مایع تبدیل کرد، ولی فقط تحت شرایط فشار بسیار بالا و دمای بسیار پایین.

در سال ۱۸۷۷، لوئیس پل کایتت در فرانسه و رائول پیکتت در سوئیس موفق به تولید اولین قطره‌های هوای مایع در -۱۹۵ سانتی‌گراد شدند. در ادامه در سال ۱۸۳۳ استادان لهستانی زیگمونت وروبلوسکی و کارول اولژوسکی به تولید اکسیژن مایع در دمای -۲۱۸ سانتی‌گراد پرداختند.

صفر مطلق از نگاه شیمی و فیزیک دانان

شیمی‌دان و فیزیک‌دان اسکاتلندی جیمز دیوئر و فیزیک‌دان هلندی هایک کامرلینگ اونس به چالش مایع‌سازی دیگر گازها همچون هیدروژن و هلیوم وارد شدند. در سال ۱۸۹۸، پس از ۲۰ سال تلاش، دیوئر اولین نفری بود که هیدروژن را مایع کرد، و به رکورد دمای -۲۵۲ درجه سانتی‌گراد رسید.

هرچند کامرلینگ اونس رقیب او اولین نفری بود که هلیوم را مایع کرد، و این کار را در سال ۱۹۰۸ با استفاده از چندین مرحله پیش‌سردسازی و چرخه همپسون-لینده انجام داد. وی دما را تا نقطه جوش هلیوم در -۲۶۹ درجه سانتی‌گراد پایین آورد. با کاهش فشار هلیوم مایع او حتی به دماهای پایین‌تر نزدیک به ۱٫۵ درجه کلوین رسید.

این‌ها سردترین دماهای بدست آمده بر روی زمین تا آن زمان بودند و این دستاورد منجر به دریافت جایزه نوبل توسط او در سال ۱۹۱۳ شد. کامرلینگ اونس به مطالع خصوصیات مواد در دماهای نزدیک به صفر مطلق ادامه داد و برای اولین بار مفاهیم ابررسانایی و ابرشارگی را توضیح داد.

تعریفی دیگر از صفر مطلق

حرکت مولکولی (یا گرما) در دمای نزدیک به ۱۵/۲۷۳ـ درجه سانتی‏گراد (۶۷/۴۵۹ـ درجه فارنهایت) به صفر نزدیک می‏شود. این دما را صفر مطلق می‏گویند و پایین‏ترین حد نظری دماست.

حرکت مولکولی (یا گرما) در دمای نزدیک به ۱۵/۲۷۳ـ درجه سانتی‏گراد (۶۷/۴۵۹ـ درجه فارنهایت) به صفر نزدیک می‏شود. این دما را صفر مطلق می‏گویند و پایین‏ترین حد نظری دماست. به صفر مطلق نیز مانند سرعت نور می‏توان نزدیک شد.

اما واقعاً نمی‏توان به آن رسید، برای رسیدن به آن کمیت نامتناهی انرژی لازم است. مقیاس دمایی استوار بر پایۀ صفر مطلق را مقیاس کلوین کلوین با نشان K بودن علامت درجه یعنی، (º  ) می‏گونید. یک درجه کلوین با یک درجه سلسیوس برابر است.

انرژی هر جسم در صفر مطلق را «انرژی نقطه صفر» می‏گویند. بنابر اصل عدم قطعیت هایزنبرگ اتم‏ها و مولکول‏ها فقط در ترازهای انرژی معینی می‏توانند وجود داشته باشند: پایین‏ترین تراز انرژی را حالت پایه و همۀ ترازهای بالاتر را حالت برانگیخته می‏نامند. در صفر مطلق تمام ذرات حالت پایه هستند.

تامسون بزرگ‏ترین فیزیکدان عصر خویش بود او به مدت ۵۳ سال در سمت استادی دانشگاه گلاسگو فعالیت کرد، اما معلم و سخنران ناموفقی بود. چندان مجذوب کارهای خویش می‏شد که اگر در هنگام تدریس ایده جدیدی به ذهنش می‏رسید، در خود فرو می‏رفت و به کلی موضوع تدریس خود را فراموش می‏کرد. البته نمونۀ پروفسور کم نبود؛ ذهنی خارق العاده و شخصیتی قوی داشت. گفته است: «علم بر طبق قوانین ابدی شرافت متعهد است با هر مسئله‏ای که می‏تواند به آن عرضه شود بدون هراس روبرو شود.