Explicatia temperaturilor sub zero absolut

 

Urmaresc de cativa ani printre altele si acest blog cu articole destul de bine documentate despre ultimile descoperiri din fizica, lucruri pe care nici nu le-am visat in scoala, iarr la facultate se amintessc ca fapt divers.

E vorba mai ales de rezultatele fizicii teoretice, menite sa explice si sa incadreze observatiile obiective in contextul intelegerii mecanismelor prin care se manifesta aceasta lume.

Sub zero absolut

(temperaturi sub O grade Kelvin sau -273C)

Si pentru ca am citit un articol despre temperaturile sub zero absolut, m-am gandit sa scriu si eu aici un articol despre mecanismul prin care se pot obtine aceste temperaturi.

IMPOSIBILUL posibil?

Cum este posibil ca oamenii de stiinta sa fi obtinut o temperatură IMPOSIBILA?

Pai.. in primul rand, EVIDENT, pentru nu era imposibil si in realitate. Ca orice paradigma, ideea ca ceva ar fi imposibil este foarte bine inradacinata si este firesc sa tinem de ea cu dintii – de asta ii si zice paradigma.

Jesse Berezovsky, Professor of Physics, Case Western Reserve University a aratat explicatia mecanismului pe care o reproduc mai jos.

Temperaturile negative nu sunt o noutate în alte sisteme (de obicei sisteme  magnetice). Ce este nou aici este că temperatura negativa a fost realizata într-un gaz, care nu este un sistem magnetic. De aceea este o depasire evidenta a paradigmei.

Pentru a putea înțelege cum temperaturi negative poate fi obtinute in realitate si in sisteme termodinamice obisnuite, trebuie să fie clara definiția temperaturii. Pentru inceput putem defini temperatura astfel: cantitatea care este aceeași atunci când două obiecte sunt în echilibru termic. Dacă aveți două obiecte și le-ați pus in contact astfel încât acestea să poată face schimb de energie, după un timp vor avea aceeași temperatură.

Acest lucru duce la întrebarea, cum este energia totală împărțita între cele 2 obiecte la echilibru? Se pare că, cu o certitudine extrem de mare, energia va fi împărțită astfel încât elementele constitutive ale obiectelor pot fi aranjate în cel mai mare număr de moduri în concordanță cu această divizare a energiei. Un alt mod de a arata acest lucru este faptul că energia totală va fi împărțită între cele două obiecte în modul în care maximizează entropia totală.

Punerea în declarația precedentă matematică, avem o condiție pentru echilibru termic:


unde S și U sunt entropia și energia celor două obiecte. Deci, cele două părți ale acestei ecuații sunt cantitățile care sunt egale atunci când se realizeaza echilibrul termic, și astfel trebuie să fie legate de temperatura intr-un fel.

Acum am putea fi tentați să definim temperatura astfel: . Asta ar fi un lucru extrem de rezonabil. Din nefericire, cu mult timp în urmă cineva a decis că lucrurile reci au temperatură scăzută și lucrurile calde au temperatură ridicată. Pentru a putea fi de acord cu acest lucru, trebuie să definim temperatura ca inversul acelei derivate parțiale:

Aceasta este definiția standard a temperaturii. Puteți interpreta aceasta grafic: dacă aveți ungrafic entropie vsenergie, temperatura este doar inversul pantei acelei curbe.

Deci, cum se impaca această definiție formală a temperaturii cu definiția intuitivă obișnuită: „o măsură a energiei medii”? În multe sisteme, se pare că pe măsură ce adăugați mai multă energie în sistem, apar mai multe moduri posibile in care pot fi aranjate elementele constitutive ale sistemului, și prin urmare creste entropia. De fapt, în marea majoritate a sistemelor obisnuite, graficul de entropie vs energie arata ceva de genul asta:

În primul rând, rețineți că panta este întotdeauna pozitivă, deci temperatura este întotdeauna pozitivă. De asemenea, panta devine mai mică pe măsură ce crește energia, ceea ce înseamnă că temperatura devine mai mare. Deci deducem atunci faptul că temperatura este direct legată de energie.

Cu toate acestea, nu întotdeauna este cazul. În sistemele gravitaționale legate, panta poate crește cu energie în creștere, ceea ce înseamnă temperatura este invers proporțională cu energia. Ne interesează cazurile în care temperatura poate fi negativă. Acest lucru se poate întâmpla dacă graficul entropie vs  energie arata ceva de genul asta:

Aici panta este pozitivă la energie scazuta și negativa la energie mare, și desigur trece printr-o zona zero între cele doua extreme. Aici e o chestie de finete: vă amintiți că, aparent fara nici un motiv deosebit de rational, am definit temperatura ca invers al acestei pante. Asta înseamnă că pe măsură ce crește energia, temperatura merge mai întâi la infinit pozitiv, apoi sare la infinit negativ, apoi crește din nou spre zero. Acest lucru pare super-ciudat, dar este doar un artefact al modului cum este definita temperatura.

Deci, cum facem sa găsim un sistem cu raportul entropie vs energie care arata ca graficul de mai sus? Avem nevoie de un sistem în care, pe măsură ce crește energia, există la un moment dat mai puține aranjamente posibile pentru elementele constitutive ale sistemului. Exemplul clasic este un sistem de magneți, care pot fi asezati fie aliniati, fie împotriva unui câmp magnetic stationar. Atunci când un magnet este aliniat cu câmpul stationar, energia este scăzută, iar atunci când acesta se află opus, energia este mare. Există apoi exact un singur aranjament unic al unui sistem de magneți avand nivelul cel mai mic de energie (atunci cand toti magneții aliniat cu câmpul), precum și exact un singur aranjament unic cu cea mai mare energie (cand tati magneții aliniat opusi câmpului). Energia corespunzatoarestarii cu numarul maxim de combinatii este undeva la mijloc, atunci cand jumătate din magneți sunt aliniati cu câmpul și restul opusi ca polaritate. Prin urmare, entropia minimă atât la maximul cât și minimul energie, și entropia este cea mai mare chiar la mijloc, la fel ca și în graficul de mai sus.

Cheia pentru găsirea unui sistem care poate avea temperaturi negative este că trebuie să existe o limită finită a energiei fiecărei particule. Acest lucru nu se intampla într-un gaz obișnuit,  în care fiecare particulă poate avea energie cinetică oricâtă doriți. În sistemul de magneți însă, există doar două energii posibile pentru fiecare magnet, astfel numarul de aranjamente si energii posibile este cu siguranta finit.

Odată ce avem un sistem care poate permite temperaturi negative, cum facem? Nu avem de obicei un buton pe care-l putem actiona sa adăugam energie la un sistem. Putem schimba temperatura punând un obiect  în contact termic cu un alt obiect cu o temperatură diferită, dar asta nu ne va ajuta sa ajungem la temperaturi negative decat dacă se întâmplă cumva să avem deja la indemana un obiect cu temperatura negativa. Smecheria e să avem un sistem la o energie cu temperaturi pozitive, si apoi sa-l modificam rapid, astfel încât noua aranjare a sistemului de acum să corespundă cu temperatura negativă. În exemplul  cu magneți, aceasta modificare corespunde schimbării rapide a sensului câmpului magnetic. Dacă sistemul a început la temperaturi pozitive scăzute (aproape de partea stângă a graficului), cei mai mulți dintre magneți sunt aliniați cu câmpul stașionar. Când schimbăm direcția câmpului magnetic, magneții sunt în același aranjament, dar acum sunt aliniați opus față de câmp, așa ăa am sărit în partea dreaptă a graficului – cu temperatura negativă!


–––––––––––––––––-

dr. Daniel Ganea

Medic de familie, Ecografie la domiciliu,

Medic urgente ambulanta privata

http://ConsultatiiLaDomiciliu.ro
Comunitatea Oamenilor Sanatosi

Lasă un răspuns

Completează mai jos detaliile despre tine sau dă clic pe un icon pentru autentificare:

Logo WordPress.com

Comentezi folosind contul tău WordPress.com. Dezautentificare / Schimbă )

Poză Twitter

Comentezi folosind contul tău Twitter. Dezautentificare / Schimbă )

Fotografie Facebook

Comentezi folosind contul tău Facebook. Dezautentificare / Schimbă )

Fotografie Google+

Comentezi folosind contul tău Google+. Dezautentificare / Schimbă )

Conectare la %s

%d blogeri au apreciat asta: