Μετάβαση στο κύριο περιεχόμενο

Το απόλυτο μηδέν δεν είναι και τόσο απόλυτο.

Το απόλυτο μηδέν είναι η θερμοκρασία στην οποία η εντροπία φθάνει στην ελάχιστη τιμή της. Όπως ορίζεται από τους Νόμους της Θερμοδυναμικής, το απόλυτο μηδέν δεν μπορεί να επιτευχθεί (ακριβώς) με τεχνητά ή φυσικά μέσα, αφού κάτι τέτοιο απαιτεί ένα σύστημα πλήρως απομονωμένο από το υπόλοιπο σύμπαν. 

Ένα σύστημα, θεωρητικά, στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός κατέχει μηδενικού επιπέδου κβαντική του μηχανική ενέργεια. Παρόλο που η μοριακή κινητική ενέργεια δεν μηδενίζεται εντελώς στη θερμοκρασία αυτή, το σύστημα δεν έχει πλέον αρκετή ενέργεια να μεταβιβάσει σε άλλα συστήματα. Γι' αυτό η σωστή έκφραση είναι ότι στο απόλυτο μηδέν η μοριακή ενέργεια είναι η ελάχιστη δυνατή (αλλά όχι ακριβώς μηδενική).



Κι όμως το απόλυτο μηδέν δεν είναι η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία: ερευνητές στο Μόναχο κατάφεραν για πρώτη φορά να παγώσουν άτομα κάτω από αυτό το απόλυτο όριο.
Για να φτάσουν σε αυτές τις αρνητικές θερμοκρασίες, οι ερευνητές ουσιαστικά κράτησαν ακίνητα τα άτομα ενός αερίου τη στιγμή που αύξαναν απότομα την ενέργειά τους. H θερμοκρασία ενός οποιουδήποτε σώματος εξαρτάται από το πόσο έντονα κινούνται τα άτομά του, ή με άλλα λόγια από τη μέση ενέργεια των ατόμων του. 
Στη φυσική οι θερμοκρασίες μετρώνται στην κλίμακα Κέλβιν, την οποία όρισε στα μέσα του 19ου αιώνα Βρετανός φυσικός ΛόρδοςΚέλβιν. Ένας βαθμός Κέλβιν ισούται με έναν βαθμό Κελσίου, ωστόσο η κλίμακα Κέλβιν δεν ξεκινά στη θερμοκρασία που παγώνει στο νερό, αλλά στο λεγόμενο απόλυτο μηδέν, που βρίσκεται στους -273,15 βαθμούς Κελσίου (η θερμοκρασία των 0 βαθμών Κελσίου αντιστοιχεί επομένως σε 273,15 βαθμούς Κέλβιν).

Στο απόλυτο μηδέν, τα άτομα υποτίθεται ότι έχουν μηδενική ενέργεια και παραμένουν εντελώς ακίνητα. Από τεχνική άποψη όμως, αυτό δεν ισχύει πάντα. Στην πράξη, τα άτομα ενός υλικού δεν έχουν όλα την ίδια ενέργεια ταυτόχρονα. Σε κανονικές συνθήκες, τα περισσότερα άτομα έχουν ενέργεια κοντά στο μέσο όρο, ορισμένα όμως μπορεί να βρίσκονται σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας.

Όπως εξηγούν οι συγγραφείς της νέας μελέτης, οι θερμοκρασίες κάτω από το απόλυτο μηδέν εμφανίζονται όταν συμβαίνει το αντίθετο, όταν δηλαδή τα περισσότερα άτομα ενός υλικού έχουν ενέργεια πάνω από το μέσο όρο (συγκεκριμένα, οι θερμοκρασίες αυτές εμφανίζονται σε υλικά των οποίων τα άτομα ακολουθούν μια ανεστραμμένη κατανομή Boltzmann).

Για να πετύχει αρνητικές θερμοκρασίες, η ομάδα του Δρ Σνάιντερ τοποθέτησε άτομα καλίου σε έναν θάλαμο κενού και τα κατέψυξε σε θερμοκρασία μερικών δισεκατομμυριοστών πάνω από το απόλυτο μηδέν. Επιπλέον, σταθεροποίησε τα άτομα στη θέση τους χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία και δέσμες λέιζερ. Σε αυτή την κατάσταση, τα άτομα απωθούσαν το ένα το άλλο. Μια απότομη αλλαγή του μαγνητικού πεδίου, όμως, τα έκανε ξαφνικά να έλκονται και να εκτινάσσονται απότομα στη μέγιστη ενεργειακή τους κατάσταση. Ο κατάλληλος χειρισμός των λέιζερ εμπόδισε τα άτομα να καταρρεύσουν το ένα πάνω στο άλλο, δηλαδή τα κράτησε ακίνητα καθώς η τάση τους για ταλάντωση μεγιστοποιούνταν.

Η κατάσταση αυτή, αναφέρει η ερευνητική ομάδα, αντιστοιχεί στη μετάπτωση ενός σώματος από θερμοκρασίες λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν σε αρνητικές θερμοκρασίες μερικά δισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού Κέλβιν κάτω από το απόλυτο μηδέν. Οι θερμοκρασίες αυτές θα επέτρεπαν θεωρητικά τη δημιουργία θερμικών μηχανών (μηχανών που μετατρέπουν τη θερμότητα σε έργο) με απόδοση άνω του 100%, κάτι που ακούγεται αδύνατο. Οι μηχανές αυτές ουσιαστικά θα παρήγαγαν μηχανικό έργο απορροφώντας θερμότητα όχι μόνο από τα θερμότερα σώματα αλλά και από τα ψυχρότερα.

Σχόλια

Δημοφιλείς αναρτήσεις από αυτό το ιστολόγιο

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) Εξισώσεις κίνησης

Περιοδικά ονομάζονται τα φαινόμενα που επαναλαμβάνονται με τον ίδιο τρόπο σε ίσα χρονικά διαστήματα. Π.χ. ομαλή κυκλική κίνηση, κίνηση εκκρεμούς, περιστροφή γης γύρω από τον ήλιο κ.ά.
(Σκέψου μερικά ακόμη…)
Στοιχεία περιοδικής κίνησης Κάθε περιοδική κίνηση χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω τρία στοιχειά:
Περίοδος (Τ) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται ο χρόνος που απαιτείται για μια πλήρη επανάληψη του φαινομένου ή ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών επαναλήψεων του φαινομένου.
Η περίοδος είναι μονόμετρο μέγεθος και η μονάδα μέτρησής της είναι το 1 sec.

Συχνότητα (f) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται το φυσικό μέγεθος του οποίου το μέτρο θα δίνεται από το σταθερό πηλίκο του αριθμού Ν των επαναλήψεων του φαινομένου σε κάποιο χρόνο t, προς το χρόνο αυτό.Δηλαδή: Η συχνότητα είναι μονόμετρο μέγεθος και έχει μονάδα μέτρησης το 1 sec-1 ή 1 κύκλος/sec ή 1 Hz (Hertz).



Σχέση μεταξύ περιόδου – συχνότητας Επειδή σε χρόνο t ίσο με μια περίοδο Τ έχουμε μια επανάληψη (Ν=1) του φαινομένου έχουμ…

Ενέργεια Ταλάντωσης

Η ενέργεια της ταλάντωσης Ε (ή ολική ενέργεια) ενός συστήματος που εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση ισούται με την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα για να το θέσουμε σε κίνηση (ταλάντωση). 




Η ενέργεια αυτή θα δίνεται από τη σχέση:  Από την σχέση αυτή προκύπτει ότι το πλάτος Α καθορίζεται από την ενέργεια της ταλάντωσης, δηλαδή από την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα ώστε να αρχίσει να ταλαντώνεται. Σε όλη την διάρκεια της ταλάντωσης η ενέργεια παραμένει σταθερή. Η ενέργεια μιας απλής αρμονικής ταλάντωσης είναι σταθερή και ανάλογη µε το τετράγωνο του πλάτους της.

Απόδειξη της παραπάνω σχέσης. Αν το σώμα βρίσκεται ακίνητο στην θέση ισορροπίας, για να μετακινηθεί σε µια άλλη θέση πρέπει να του ασκηθεί κατάλληλη εξωτερική δύναμη Fεξ . Κατά την μετακίνηση αυτή θα ασκείται στο σώμα και η δύναμη επαναφοράς. 

Για να μετακινηθεί το σώμα στην θέση (x) θα πρέπει το μέτρο της εξωτερικής δύναμης να είναι ίσο µε το μέτρο της δύναμης επαναφοράς και να έχει αντίθετη φορά, σε κάθε χρονι…

Ταλάντωση και Ελατήριο

Ελατήριο ονομάζεται ένα μηχανικό εξάρτημα το οποίο έχει την ικανότητα να αποθηκεύει μηχανική ενέργεια παραμορφώμενο προσωρινά. Συνήθως το σχήμα είναι ελικοειδές, αλλά υπάρχουν και ελατήρια σε σχήμα ράβδου, οι σούστες.
Το κάθε ελατήριο μπορεί να παραμορφωθεί ως προς μία διάστασή του υπό την επίδραση δύναμης. Όταν ασκείται δύναμη σε αυτήν τη διάσταση, το ελατήριο παραμορφώνεται αποθηκεύοντας το έργο της δύναμης.
Ιδανικό ελατήριο Σε ιδανικά θεωρητικά ελατήρια ισχύει απόλυτα ο νόμος του Hook, δε χάνεται ενέργεια στο περιβάλλον και τα ελατήρια μπορούν πάντα να επιστρέψουν στο αρχικό τους μήκος. Επίσης η μάζα του ιδανικού ελατηρίου θεωρείται αμελητέα. [Στην πραγματικότητα χάνεται μικρό ποσό ενέργειας στο περιβάλλον ως θερμική ενέργεια, ενώ η παραμόρφωση μπορεί να γίνει μόνιμη. Κάθε ελατήριο έχει κάποια όρια αντοχής αν τα υπερβούν θα παραμορφωθεί ή θα σπάσει. Επιπλέον, με την επαναλαμβανόμενη χρήση το υλικό χάνει τις ιδιότητές του λόγω μηχανικής κόπωσης και αν δεν αντικατασταθεί θα σπάσει.]

Νόμο…

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) - Συνισταμένη Δύναμη

Από την Α΄ Λυκείου γνωρίζεις τον θεμελιώδη νόμο της Μηχανικής (2ος νόμος του Newton), ΣF=mα. Επίσης, όπως γνωρίζεις για να υπάρχει επιτάχυνση πρέπει να υπάρχει και δύναμη που ασκείται σε κάποιο σώμα. Στην Α.Α.Τ. ισχύει α=-ω2x, ο συνδυασμός αυτών των δυο σχέσεων δίνει τη σχέση: 
ΣF=-m ω2x Από τη σχέση αυτή φαίνεται ότι όταν ένα σώμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση η συνολική δύναμη που δέχεται είναι ανάλογη με την απομάκρυνση του σώματος από την Θ.Ι. της τροχιάς του και έχει αντίθετη φορά από αυτήν. Όταν το σώμα περνά από την Θ.Ι. η συνολική δύναμη που δέχεται ισούται με μηδέν. (Για το λόγο αυτό, ονομάζεται θέση ισορροπίας της ταλάντωσης). Επίσης, στις ακραίες θέσεις της ταλάντωσης η ΣF είναι μεγίστη.


Στο βίντεο δες το διάνυσμα της δύναμης επαναφοράς (είναι πάντα προς την θέση ισορροπίας). 



Αν συμβολίσουμε το γινόμενο mω2 με D (που είναι σταθερό για κάθε ταλαντωτή), δηλαδή D = mω2
Τότε θα έχουμε τη σχέση που δίνει τη δύναμη:F = −Dx (Μάθε την απόδειξη)

Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή και σαν συν…

Ταλάντωση και πλαστική κρούση

Θυμήσου την ορμή: 
Για ένα σώμα μάζας m που κινείται µε ταχύτητα u η ορμή του p δίνεται από τη σχέση: p=mu

Η ορμή p είναι ένα διανυσματικό μέγεθος το ο­ποίο έχει: μέτρο p = mu,διεύθυνση και φορά ίδια µε τη διεύθυνση και τη φορά της ταχύτητας u,μονάδα μέτρησης στο S.I. το 1 kg ∙ m/s (ισοδύναμη μονάδα είναι το 1 Ν∙s).Η ορμή, ως διανυσματικό μέγεθος, έχει όλες τις ιδιότητες των διανυσμάτων. Έτσι: μπορεί ν' αναλυθεί σε άξονες, δηλαδή σε συ­νιστώσες px και py,μεταβάλλεται αν μεταβληθεί τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της, δηλαδή το μέτρο της, η διεύθυνσή της ή η φορά της.Ο ρυθμός μεταβολής της ορμής (dp/dt) ισούται με την δύναμη ή τη συνισταμένη των δυνάμεων (ΣF) που ασκούνται στο σώμα.

Προσοχή:

Όταν στις ασκήσεις πρέπει να υπολογίσεις την μεταβολή της ορμής τότε θα υπολογίζεις την σχέση:Δp = pτελ – pαρχΕνώ όταν  ζητείται ο ρυθμό μεταβολής της ορμής θα υπολογίζεις τη σχέση: dp/dt ή ΣF. Θυμήσου:
Σύστημα σωμάτων ονομάζουμε κάθε σύνολο σωμάτων, τα οποία απομονώνουμε νοητι…