АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА – МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ?

А.И.БОЛУТЕНКО

E-mail: bolutenko@mail.ru Физика Главная

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Исследования по термическому расширению газов.

2. Абсолютная шкала температур.

3. О строении и свойствах физических объектов.

3.1. Строение вещества.

3.2. Обмен энергией между физическими объектами.

3.3. Коэффициент термического расширения тел.

3.4. Изменение агрегатных состояний – свойство материи.

4. Состояние знаний об охлаждении газов во время введения шкалы Томсона.

5. Сжиженные газы и их свойства.

6. Температура ниже абсолютного нуля.

7. Постулат Томпсона – заблуждение физической науки.

8. Философские аспекты абсолютной температуры.

9. Выводы.

a1. Исследования по термическому расширению газов.

Исследования по термическому расширению газов проложили путь для создания шкалы абсолютной температуры. В работе [1] приводится исторический обзор изучения теплового расширения газообразных веществ. Многие физики 18 века проводили исследования теплового расширения воздуха, но их данные находились в удручающем несоответствии друг с другом. Одни приходили к выводу, что воздух расширяется равномерно, другие – что неравномерно, и на все это накладывалась путаница представлений. Как следует из основополагающей работы Вольты (1793 г.), значения величины расширения при нагреве газов на один градус стоградусной шкалы, даваемые различными экспериментаторами, имели большие расхождения. Но Вольта пришёл к важному выводу и показал, что расхождение между экспериментальными данными обусловлено тем, что предшествующие экспериментаторы работали не с сухим воздухом, а с влажным. Наличие паров воды в воздухе искажало ход явления. Вольта пользовался воздушным термометром, и после многочисленных тщательных экспериментов, сопровождавшихся параллельными контрольными опытами с влажным воздухом, пришел к следующему утверждению: при нагреве на каждый градус воздух испытывает одинаковое увеличение объема как в самом начале, вблизи температуры таяния льда, так и при приближении к точке кипения воды. Найденное Вольта значение коэффициента расширения равно, таким образом, 1/270 = 0,0037037 на градус Цельсия.

В этом же историческом обзоре [1] сообщается, что независимо от Вольты в 1802 году Гей-Люссак предпринял исследование теплового расширения газов. Гей-Люссак в своей работе привёл неопубликованные данные Шарля. Шарль нашел, что кислород, азот, углекислый газ и воздух расширяются одинаково в интервале температур от 0 и до 100 °С. Гей-Люссак дополнил и обобщил работу Шарля и пришел к следующему фундаментальному утверждению: если полное увеличение объёма разделить на число градусов, вызвавших это увеличение, то получим, принимая объём при нулевой температуре равным единице, что увеличение объёма составляет 1/266,66 на каждый градус стоградусной шкалы. Данное Гей-Люссаком значение коэффициента расширения 1/266,66 = 0,00375 рассматривалось как одна из наиболее точно известных физических констант. В 1841 году появилась классическая работа Реньо, которая дала для коэффициента расширения значение 0,0036706, оставшееся почти неизменным до наших дней. В 1842 году Реньо установил, что коэффициенты расширения газов не в точности постоянны. Газы, которые легко сжижаются, имеют больший коэффициент расширения, и он даже увеличивается с ростом плотности.

В работе [2] приводятся данные измерений температурного коэффициента объёмного расширения различных газов в интервале температур от 0 до 100 ºС, полученные Гей-Люссаком: воздух – 0,003671, водород – 0,003661, окись азота – 0,003720, циан – 0,003877, двуокись углерода – 0,003710, окись углерода – 0,003669, двуокись серы – 0,003903. Опыт показывает, что при малых плотностях газов коэффициент объёмного расширения одинаков для всех газов и равен 1/273 на 1/ºС.

Таким образом, Вольта более чем за полвека до предложения Томсоном абсолютной температуры установил, что коэффициент расширения воздуха равен 0,0037037 на градус Цельсия, а Реньо в 1841 году уточнил этот результат, который стал 0,0036706. То есть цифры 270 – 273 были известны задолго до введения Томсоном термометрической шкалы.

a2. Абсолютная шкала температур.

С развитием атомистической теории и понимания молекулярной природы газов стало понятно, что объём газа определяется скоростью его молекул [3]. Чем выше температура и чем быстрее двигаются молекулы, тем дальше они разбегаются и тем больше им требуется пространства. С понижением температуры газы занимают меньший объём. У.Томсон высказал идею, что средняя энергия молекул с каждым градусом понижается на величину 1/273 и что при охлаждении к нулю стремится не объём газа, а его энергия. Из этого предположения вытекало, что такой энергетической точкой является температура – 273 ºС, которая принята за абсолютный нуль, или нуль Кельвина. У физиков возник огромный интерес попытаться достичь абсолютного нуля. Ещё до открытия Томсона исследователи, занимавшиеся проблемой низких температур, ставили цель получить сжиженные газы. В 20-х годах 19 века М.Фарадей установил, что даже при обычных температурах многие газы переходят в жидкое состояние за счёт давления, и получил жидкий хлор, двуокись серы и аммиак.

В 1848 г. Томсон ввел "абсолютную термометрическую шкалу" [4]. Он объяснил ее название следующим образом: "Для этой шкалы характерна полная независимость от физических свойств какого-либо конкретного вещества". Томсон отмечает, что "бесконечный холод должен соответствовать конечному числу градусов воздушного термометра ниже нуля", а именно: точке, «соответствующей объему воздуха, уменьшенному до нуля, что будет отмечено на шкале как – 273 °С».

Самой низкой температурой, или еще так называемым «абсолютным нулем», считается нуль градусов по шкале Кельвина [5]. В рамках применимости термодинамики абсолютный нуль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается вообще.

Абсолютный нуль температуры – минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной [6]. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. В 1954 году X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой – тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К. На практике абсолютный нуль недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений. Экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки. Однако, с точки зрения квантовой физики и при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего.

В работе [7] отмечается, что физическое понятие «абсолютный нуль температуры» имеет для современной науки чрезвычайно большое значение: с ним тесно связано такое понятие, как сверхпроводимость. Путь к абсолютному нулю температур проложили А. Цельсий и Ж. Гей-Люссак. В 1742 году шведский астроном А. Цельсий предложил свою температурную шкалу, где основными точками стали температура таяния льда и кипения воды. В 1802 году французский ученый Ж. Гей-Люссак обнаружил, что объем массы газа при постоянном давлении находится в прямой зависимости от температуры. Но самое любопытное состояло в том, что при изменении температуры на 10 по шкале Цельсия, объем газа увеличивался или уменьшался на одну и ту же величину. Произведя необходимые вычисления, Гей-Люссак установил, что эта величина равнялась 1/273 от объема газа при температуре, равной 0 ºС. Из этого закона следовал напрашивающийся вывод: температура, равная – 273 ºС, является наименьшей температурой, даже подойдя к которой вплотную, достичь ее невозможно. Именно эта температура получила название «абсолютный нуль температуры». Более того, абсолютный нуль стал отправной точкой для создания шкалы абсолютной температуры, активное участие в котором принял английский физик У. Томсон. Его основное исследование касалось доказательства того, что ни одно тело в природе не может быть охлаждено ниже, чем абсолютный нуль. При этом он активно использовал второй закон термодинамики, поэтому, введенная им в 1848 году абсолютная шкала температур стала называться термодинамической или «шкалой Кельвина». Основной физический смысл абсолютного нуля состоит в том, что, согласно физическим законам, при такой температуре энергия движения элементарных частиц, таких как атомы и молекулы, равна нулю, и в этом случае должно прекратиться любое хаотическое движение частиц. При температуре, равной абсолютному нулю, атомы и молекулы должны занять чёткое положение в основных пунктах кристаллической решетки, образуя упорядоченную систему.

В работе [8] задаётся вопрос: если предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры, но объем реальных газов при абсолютном нуле температуры обращаться в нуль не может, имеет ли смысл предельное значение температуры? И отвечают на вопрос: предельная температура, существование которой вытекает из закона Гей-Люссака, имеет смысл, так как практически можно приблизить свойства реального газа к свойствам идеального. Для этого надо брать все более разреженный газ, так чтобы его плотность стремилась к нулю. У такого газа, действительно, объем с понижением температуры будет стремиться к нулю. Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия. С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул, при температуре 0 ºК тепловое движение молекул прекращается.

Что же пишет сам У.Томсон (Кельвин) об абсолютной шкале температур. Он в работе [9] отмечает, что в настоящее время мы обладаем настолько полным практическим решением определения температуры, насколько это может быть желательно даже для наиболее точных изысканий. Однако теория термометрии ещё весьма далека от удовлетворительного состояния. Совершенный термометр должен показывать равные приращения теплоты, как соответствующие равным приростам температуры, оцениваемым по числу делений этой шкалы. Но, установлен как экспериментально доказанный факт, что термометрия на этих условиях невозможна, и мы остались без какого-либо принципа, на котором можно было бы основать абсолютную термометрическую шкалу. И хотя мы имеем точный принцип создания определенной системы для оценки температуры, нельзя считать, что получили абсолютную шкалу, можно рассматривать эту реально принятую шкалу лишь как условное множество оцифрованных точек отсчета, достаточно близкое к требованиям термометрии. Поэтому при современном состоянии физической науки возникает исключительно интересный вопрос: существует ли какой-либо принцип, на котором может быть основана абсолютная термометрическая шкала? Представляется, что теория Карно о движущей силе тепла позволяет нам дать на него утвердительный ответ. Поскольку мы независимо располагаем определенной системой для измерения количеств теплоты, нам представляется и мера для интервалов, в соответствии с которой могут оцениваться абсолютные разности температур. В соответствии с формулами Карно для различных частей шкалы рассчитаны величины механического действия, вызванного опусканием единицы теплоты на один градус воздушного термометра. Полученные результаты весьма определенно показывают, что величина, которую мы с большим основанием можем назвать градусом воздушного термометра, зависит от того, в какой части шкалы она берется. Характерное свойство той шкалы, которую я теперь предлагаю, состоит в том, что все градусы имеют одну и ту же величину, т. е. единица теплоты, опускающаяся от тела А с температурой Т по этой шкале к телу В с температурой (Т – 1), должна создавать одно и то же механическое действие, каким бы ни было число Т. Такая шкала справедливо может быть названа абсолютной, поскольку ее характеристика совершенно не зависит от физических свойств какого-либо конкретного вещества. Это то, что мы могли предвидеть, поскольку считаем, что бесконечный холод должен соответствовать конечному числу градусов воздушного термометра ниже нуля. Если мы доведем строгий принцип градуировки достаточно далеко, то достигнем точки, соответствующей объему воздуха, уменьшенному до нуля, что будет отмечено на шкале как – 273° (полученные как – 100/0,366, если 0,366 есть коэффициент расширения). Поэтому – 273° воздушного термометра – это точка, которой не может достигнуть никакая конечная температура, сколь бы низкой она ни была.

a3. О строении и свойствах физических объектов.

Процесс охлаждения физического объекта – сложное явление, и для того чтобы понять его сущность, необходимо иметь представления, прежде всего, о строении вещества. Охлаждение предопределяет обмен энергией между объектом и окружающей средой, поэтому надо знать физику процесса теплопередачи. При изменении температуры тела изменяются его геометрические размеры и, соответственно, объём, поэтому правильное понимание физики процесса позволит безошибочно определить коэффициенты расширения в каждом температурном диапазоне. Необходимо также знание о фазовых переходах при охлаждении физических объектов от газообразного состояния до твёрдого тела и, наоборот, при нагревании от твёрдого тела до газа.

3.1. Строение вещества.

Абсолютно все физические объекты устроены так, как стекло в расплавах (жидкости) и в твёрдых телах [10]. Аналогичное устройство имеют и газы. Основой строения всех физических тел, элементарных химических веществ и их смесей, является коллективная химическая связь. Атомы в любой структуре создают физическое поле и располагаются в соответствии своих электрических зарядов, фактически не создавая молекул. Стехиометрический состав физического объекта можно считать формулой вещества в привычном для химии виде.

Устройство всех физических объектов универсально. В жизни мы привыкли видеть физические объекты природы при нормальных условиях температуры и давления в обычных пределах в виде газов, жидкостей и твёрдых тел. В ряде случаев можно, даже в быту, наблюдать переход материи из одного состояния в другое. Наиболее характерным веществом, способным находиться в бытовых условиях в трёх состояниях материи, является вода в виде жидкости, пара и льда. Так же, как и вода, и другие физические объекты могут иметь различные агрегатные состояния в зависимости от внешних условий: температуры и давления. Каждый физический объект можно перевести в любое агрегатное состояние.

В силовом электрическом поле физического объекта принцип построения структуры – создание конструкции с минимальной потенциальной энергией. Так устроены элементарные вещества и их смеси. Смеси могут быть разнообразными: твёрдое тело – твёрдое тело, твёрдое тело – жидкость (структурная), жидкость – жидкость, жидкость – твёрдое тело, жидкость – газ, газ – газ, газ – жидкость и так далее. Примерами таких объектов являются горные породы, сплавы металлов, растворы, морская вода (растворённые газы и соли), воздух (смесь газов), влажный воздух (газ и вода).

Все тела в любом агрегатном состоянии имеют строго определённую структуру с минимумом потенциальной энергии. Физическое поле определяет структуру любого объекта и чутко реагирует на изменение внешних условий: изменяется потенциальная энергия объекта, а вместе с ней расположение атомов структуры вплоть до перехода в иное агрегатное состояние.

3.2. Обмен энергией между физическими объектами.

Если температура всех тел в замкнутом пространстве равна, не происходит процессов излучения и поглощения энергии между ними [11]. Это означает, что электроны на орбитах атомов не излучают. Но только стоит появиться нагретому телу, например, включить электрическую лампочку или утюг, немедленно возникает разность потенциалов состояния и появляется тепловой поток. Неукоснительное свойство физических объектов – выравнивание потенциалов состояния. Горячее тело излучает энергию, окружающая среда поглощает её. Передача энергии от одного физического объекта другому осуществляется единственным универсальным способом – через электромагнитные волны.

Что же происходит с телами, окружающими источник энергии и самим источником? За счёт подведённой энергии электроны источника излучения работают как генераторы излучения, а электроны тел окружающей среды – как приёмники излучения. Процесс теплопередачи идёт до тех пор, пока есть разность потенциалов состояния, то есть до выравнивания температур.

Физические объекты излучают и поглощают энергию только поверхностью. Излучение и поглощение энергии возможно на границе раздела между телами или внутри тела между соседними атомами при наличии градиента температур. Чем больше поверхность излучающего или поглощающего тела, тем интенсивнее идёт процесс.

Какова физика процессов передачи энергии в массивных телах? Процесс излучения энергии складывается из процессов излучения и поглощения энергии между соседними слоями атомов и теле. Электроны служат только трансляторами энергии. При излучении энергии электроны наружного слоя тела при вращении вокруг собственной оси на первой полуволне излучают электромагнитные волны, а на второй полуволне поглощают энергию от электронов рядом лежащего атома, чтобы на следующей полуволне снова излучить её. Излучение и поглощение энергии происходит на границе двух атомных слоёв физического тела, имеющих различные потенциалы состояния, т.е. при наличии разности потенциалов или, что равносильно, разности температур. Так, за слоем слой, продолжается процесс излучения горячего тела через акты излучения – поглощения до выравнивания потенциалов состояния. По мере остывания тела уменьшается мощность излучаемой энергии и изменяется спектр волн электромагнитных колебаний.

Таким же образом происходит поглощение энергии, только в этом случае часть энергии идёт на выравнивание потенциалов состояния. Каждый электрон тела периодически поглощает и излучает энергию. Иначе не прогреется весь объём нагреваемого тела. Когда от источника тепла нагревается первый слой атомов, он начинает излучать энергию второму слою и т.д. Таким образом, за слоем слой тело прогревается, пока имеется источник нагревания. Волновой состав поглощённой и излученной энергии идентичен. Внутренняя энергия атома изменяется аналогово.

3.3. Коэффициент термического расширения тел.

Температура твёрдого тела складывается из температуры его атомов [12, 10]. Рассмотрим отдельно взятый атом с одним электроном – атом водорода. Если к этому атому подводить тепло, нет сил, в результате действия которых атом начнёт совершать тепловые колебания, то есть изменять своё местонахождение. Но атом отреагирует на подвод к нему внешней энергии: электрон в атоме возбудится и перейдёт из основного уровня при комнатной температуре с наименьшей энергией на более высокий энергетический уровень. При дальнейшем подводе тепла повторится такой переход, и электрон перейдёт на ещё более высокий уровень. При охлаждении атома идёт обратный процесс.

Таким образом, нагревание тела – процесс, при котором электроны составляющих его атомов или ионов из всех атомных оболочек устойчивого состояния, соответствующего минимально возможному значению его энергии, переходят на более высокие атомные орбитали.

Температура тела определяется состоянием атомных орбиталей атомов или ионов, входящих в его структуру. Чем более высокие атомные орбитали занимают электроны в атомах (ионах) тела, тем выше его температура.

При переходе электронов на более высокие орбитали увеличиваются геометрические размеры атомов, что приводит к уменьшению силы химических связей между всеми структурными элементами тела и отдалению их друг от друга. При нагревании любых тел расстояния между центрами атомов увеличивается, а ослабление химических связей приводит к снижению механической прочности нагретых твёрдых тел (например: ковка металлов). Хотя расстояние между центрами атомов при нагревании увеличивается, но при этом расстояния между атомами уменьшается. Такое предположение хорошо согласуется с повышением электросопротивления металлов с увеличением их температуры.

Таким образом, при нагревании твёрдых тел увеличиваются геометрические размеры атомов, и в связи с ослаблением химических связей растёт расстояние между центрами соседних атомов (ионов), что приводит к их тепловому расширению. Природа термического расширения любых тел заключается в повышении энергетических уровней атомных орбиталей атомов (ионов) за счёт подведения внешнего тепла. При нагревании тела электроны переходят на более высокие орбитали, при этом увеличиваются размеры атомов (ионов) и уменьшается сила химических связей между соседними атомами, что приводит к удлинению связей и росту объёма любых тел при нагревании. Температура тела определяется состоянием атомных орбиталей его атомов или ионов, или, что то же, уровень атомных орбиталей атомов (ионов), составляющих тело, определяет его температуру.

3.4. Изменение агрегатных состояний – свойство материи.

Любому состоянию вещества должны соответствовать определённые условия (или наоборот) [10]. Такими условиями являются температура, давление и гравитационное поле. Агрегатное состояние вещества определяется, прежде всего, внутренним строением. Газообразное, жидкое и твёрдое агрегатные состояния вещества характеризуется уровнем потенциальной энергии атомов. Каждое вещество или смеси веществ способны существовать в любом агрегатном состоянии.

a4. Состояние знаний об охлаждении газов во время введения шкалы Томсона.

Проблема сжижения газов имеет вековую историю, берущую свое начало во второй половине XVIII столетия [13]. Началось все со сжижения аммиака простым охлаждением, которое произвел ван Марум, серного ангидрида – Монж и Клуэ, хлора – Нортмор (1805 г.) и сжижения аммиака компрессионным методом, предложенным Баччелли (1812 г.). Определяющий вклад в решение этой проблемы одновременно и независимо внесли Шарль Каньяр де Латур (1777 – 1859) и Майкл Фарадей (1791 – 1867). В серии работ, опубликованных в 1822 и 1823 гг., Каньяр де Латур описал опыты, проведенные им для определения существования для жидкости некоторого предельного расширения, дальше которого независимо от приложенного давления вся она переходит в парообразное состояние. Более конкретный результат содержали опыты Фарадея, проведенные в 1823 году с загнутыми стеклянными трубками, более длинное плечо которых было запаяно. Нагревая в трубке бикарбонат натрия, Фарадей получил жидкую углекислоту, таким же способом он получал жидкий сероводород, хлористый водород, серный ангидрид и др. Фарадей был уверен, что рано или поздно удастся получить твердый водород, полагал, что одного давления недостаточно для сжижения некоторых газов, прозванных тогда «перманентными» или «неукротимыми». В 1845 г. Фарадей высказал это соображение Реньо.

Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием, если только его температура ниже критической [14]. Первый газ (аммиак) был обращен в жидкость уже в 1799 г. Дальнейшие успехи в сжижении газов связаны с именем английского физика М. Фарадея, который сжижал газы путем их одновременного охлаждения и сжатия. Ко второй половине XIX века из всех известных в то время газов остались не обращенными в жидкость только шесть: водород, кислород, азот, оксид азота, оксид углерода и метан, – их назвали постоянными газами. Задержка в сжижении этих газов еще на четверть столетия произошла потому, что техника понижения температуры была развита слабо, и они не могли быть охлаждены до температуры ниже критической. Когда физики научились получать температуры порядка 1 ºК, удалось все газы, в том числе и гелий, обратить не только в жидкое, но и в твердое состояние. Превращение всех газов в жидкое состояние лишний раз подтвердило единство в строении веществ. Оно показало, что состояние вещества зависит от его температуры и давления, а не определено раз и навсегда для данного тела.

После окончания университета в 1845 году Томсон стажировался в лаборатории известного экспериментатора В. Реньо в области физики тепловых явлений [15, 16], и на время предложения абсолютной шкалы температур должен был знать о достижениях физики по охлаждению газов. В 1852 году сам Томсон совместно с Джоулем производит известное исследование по охлаждению газов при расширении без совершения работы, которое послужило переходной ступенью от теории газов идеальных к теории действительных газов [17]. К 1848 году уже были сжижены многие газы, тем не менее, Томсону пришла сумасбродная мысль решить идею абсолютной температуры через коэффициенты объёмного термического расширения некоторых газов в газообразном состоянии.

a5. Сжиженные газы и их свойства.

Жидкий водород удалось получить Д. Дьюару только в 1900 году по новой схеме охлаждения, предложенной Кельвином-Томсоном и Дж. Джоулем [3]. Было показано, что даже в естественном состоянии газ можно охладить, если дать ему резко расшириться и одновременно изолировать от внешнего нагрева. С помощью этого метода, повторяя этот цикл ещё и ещё раз, сжатый водород при температуре – 240 ºС был переведен в жидкое состояние. Продолжая ступенчатое охлаждение и дальше, Дьюар сумел получить водород и в твёрдом состоянии.

Азот в жидком состоянии находится при температуре ниже – 195,8 ºС. При охлаждении до 209,86 ºС жидкий азот переходит в твёрдое состояние в виде снегоподобной массы или больших белоснежных кристаллов [18].

Жидкий кислород имеет умеренно криогенные свойства с точкой замерзания – 222,65 ºС и точкой кипения – 182,96 ºС. Коэффициент расширения кислорода при смене жидкого агрегатного состояния на газообразное составляет 1:860 при 20 ºС [19].

При стандартном атмосферном давлении азот имеет температуру кипения – 196 ºС [20]. Жидкий азот получают из сжиженного воздуха. Температура замерзания жидкого азота – 210 ºС. Коэффициент объёмного расширения жидкого азота равен 694: из одного объёма жидкого газа при испарении получается 694 объёма газа.

Температурные коэффициенты объёмного расширения жидкостей приведены в работе [21]: воздух жидкий (в интервале от –259 до –253 ºС) – 0,00015, кислород жидкий (в интервале от –205 до –184 ºС) – 0,00385.

Тепловое расширение вещества характеризуется коэффициентом объёмного расширения, его числовые значения сильно зависят от температуры и давления [22]. Для жидкостей значения коэффициента при одинаковых температурах могут меняться весьма значительно. Так для жидкой углекислоты при повышении температуры от 0 до 20 ºС коэффициент теплового расширения 0,0105 возрастает вдвое. Увеличение давления несколько снижает его значение.

Объемные коэффициенты теплового расширения твердой углекислоты в диапазоне температур от –56 до –80 град. имеют значения от 0,001855 до 0,001170 [23].

a6. Температура ниже абсолютного нуля.

Британский физик лорд Кельвин создал шкалу абсолютной температуры и определил, что ничто не может быть холоднее, чем абсолютный ноль [24]. Если частицы находятся при температуре абсолютного нуля, они прекращают движение, и у них отсутствует энергия. Температура объекта – мера того, насколько интенсивно атомы движутся. Чем холоднее объект, тем медленнее движение атомов. При температуре абсолютного нуля атомы перестают двигаться. Однако учёные из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге создали газ, который стал холоднее абсолютного нуля на несколько нанокельвинов. Они охладили около 100 000 атомов до положительной температуры нескольких нанокельвинов и использовали сеть лазерных лучей и магнитных полей, чтобы контролировать поведение атомов, и подтолкнуть их к новому пределу температуры.

Об этих же достижениях немецких физиков сообщается в работе [25]. Учёные создали квантовое облако атомов калия, распределение энергии в котором таково, что его температура имеет отрицательное абсолютное значение.

Об абсурдности абсолютного нуля температур говорится в работе [26]. Вывод по логике физики: элементарная частица, которую привели в состояние абсолютного покоя, приводится на порог своего существования, ей перекрыта энергетическая подпитка, и она должна исчезнуть, то есть аннигилировать, выделив энергию e = mc²! Таким образом, тело, охлаждённое до нуля по Кельвину, превращается в бомбу.

Интересна работа [27], в которой автор сообщает, что по американскому научно-популярному телеканалу прошла удивительная информация – там, где летают американские космические аппараты, температура на 13 градусов ниже абсолютного нуля. На первый взгляд – это очевидный бред, поскольку из физики известно, что температуры ниже абсолютного нуля быть не может. Сам абсолютный ноль отражает прекращение колебательного движения электронов в атомах замороженного вещества. При остановке колебательного движения любого тела невозможно задать этому телу более высокую степень остановки, чтобы таким образом получить более высокую степень отрицательности температуры. С другой стороны, из физики известно, что электрон состоит из составных частей, колебания которых не останавливаются вместе с прекращением таковых электроном. Следовательно, есть следующий горизонт, при достижении которого можно вновь говорить об охлаждении этой части вещества – составных частей электрона.

a7. Постулат Томпсона – заблуждение физической науки.

Томсон предложил абсолютную шкалу температур, в которой все градусы имеют одну и ту же величину. Характеристика такой шкалы совершенно не зависит от физических свойств какого-либо конкретного вещества. Бесконечный холод должен соответствовать конечному числу градусов воздушного термометра ниже нуля. Если мы доведем строгий принцип градуировки достаточно далеко, то достигнем точки, соответствующей объему воздуха, уменьшенному до нуля, что будет отмечено на шкале как минус 273° (полученные как – 100/0,366, если 0,366 есть коэффициент расширения). Поэтому – 273 °С воздушного термометра – это точка, которой не может достигнуть никакая конечная температура, сколь бы низкой она ни была [9].

Одержимый идеей об абсолютной температуре в природе Томсон не смог отказаться от неё, хотя к реализации идеи не было никаких предпосылок. В предложенной Томсоном абсолютной температуре некорректно поставлена задача и ещё более некорректно реализовано её решение. Томпсон без всякого обоснования установил отрицательную абсолютную температуру минус 273 градуса совершенно анекдотическим образом.

Постулат Томсона прост – он предположил, что когда объём некоторых газов, имеющих коэффициент термического расширения 0,00366, при охлаждении уменьшится до нуля, это будет абсолютная отрицательная температура. Ниже абсолютной температуры – 273 ºС материальные объекты охладить нельзя.

Мечта Томсона оказалась сильнее здравого смысла. Желание найти абсолютную точку холода победило истину, Томсон проявил дилетантский подход, не совместимый с физическим мышлением. Термическое сужение некоторых газов при охлаждении до нулевого объёма не является ошибкой Томсона, а осознанным введением науки в преднамеренную ложь.

Интерполяция коэффициента расширения газов в диапазоне 0 – 100 ºС в область низких температур неправомерна. По крайней мере, наивно полагать, что коэффициент термического расширения газов в диапазоне температур 0 – 100 ºС будет распространяться вплоть до температуры – 273 ºС. Если при 0 – 100 ºС газ находится в газообразном состоянии, то по мере снижения температуры газ переходит в жидкое, и далее в твёрдое состояния с совершенно иными коэффициентами термического расширения.

В предложении абсолютной шкалы температуры есть целый ряд ошибок. Ведь существуют иные газы с отличительными от принятого Томсоном коэффициентами термического расширения, например двуокись углерода – 0,003726 [28]. Кроме того, Томсон хорошо знал (раздел 4), что при понижении температуры газы переходят в жидкое, а затем в твёрдое агрегатное состояние. К примеру, объемные коэффициенты теплового расширения твёрдой углекислоты в диапазоне температур от –56 до –80 град. имеют значения от 0,001855 до 0,001170 [23]. Следуя логике Томсона, абсолютная температура, рассчитанная по коэффициентам термического расширения твёрдой углекислоты должна быть 1/0,001855 = 539 или 1/0,001170 = 854,7 градусов Цельсия.

Но в природе существуют жидкости и твёрдые тела. Если же по этой методике определить абсолютную температуру для воды и алюминия, значения будут резко отличаться от температуры Томсона. Для воды 1/0,00021 = 4761,9, а для алюминия 1/0,000024 = 41666,6 градусов Цельсия [29].

Английский физик У. Томсон принял участие в создании шкалы абсолютной температуры, отмечается в работе [7]. И ввёл физическую науку в заблуждение. Жанр сказки недопустим в физике. Абсолютная температура – 273 ºС – невообразимая глупость, не совместимая со здравым смыслом. Но эта сказка овладела массами физиков, вошла в школьные учебники и не вызывает сомнений. Абсолютная температура – ничем не обоснованная выдумка, которая ввергла в обман и увела физику на ложный путь, начиная с 1848 года, и по сей день.

Фактически шкала температур Кельвина есть шкалой температур Цельсия с произвольно назначенным нулём, который назван абсолютной температурой. В шкале Цельсия нуль можно перенести в любую иную точку. Важно, что градус есть 1/100 от показаний термометра между таянием льда и кипением воды. Шкала Томсона – это шкала Цельсия.

Достичь нельзя только бесконечности. Но, если нельзя достичь абсолютной температуры, выраженной конкретной цифрой, то это – фикция. Вклад Томсона в шкалу абсолютных температур – необоснованный вымысел об абсолютном нуле.

Удивляет физическое сообщество, которое приняло ложь за благодать и уже более 150 лет не желает искать истины. Как можно всерьёз принять такую нелепицу как абсолютная температура? Хотя многие публикации, скрашивая большое заблуждение Томсона, и пишут, что он обосновал абсолютную температуру, но такие заявления безосновательны. Почему-то физики упорно хранят ошибки учёных предыдущих поколений. Такой подход к наследию прошлого уводит физику далеко от истины.

Мечта Томсона осуществилась, когда была изобретена термопара, и можно было измерять температуру не по объёмному расширению рабочего тела в термометре, а по состоянию внутренней энергии вещества. Но в термометрии не произошло революции: не термометры были отградуированы по термопаре, а термопары всех типов были отградуированы по термометру.

При абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки [6].

Если во времена Томсона, когда ещё не было известно строение атома, прекращение теплового движения в физическом объекте было допустимо объяснять с позиций молекулярно-кинетической теории, то в настоящее время это – нонсенс. В работах [11,10,30] показано, что молекулярно-кинетическая теория – профанация науки, и всё, что с ней связано – ложь. Все выводы, сделанные на основе МКТ, не соответствуют истине.

МКТ совершенно бессильна объяснить физику процесса изменения какого-либо физико-механического свойства вещества. Все математические выводы, относящиеся к МКТ и абсолютной температуре Кельвина, ошибочны и бесполезны для науки. Рудиментом МКТ является абсолютная отрицательная температура.

Температура – характеристика состояния вещества, свойство материи, которое выражается внутренней энергией физического объекта. Внутренняя энергия определяется высотой орбит электронов над ядром. Снижение температуры физического объекта – уменьшение его потенциальной энергии, что выражается в переходе электронов на позиции с меньшими радиусами и, соответственно, сопровождается уменьшением объёма.

Но понижение температуры тела ни коим образом не влияет на электрические и магнитные характеристики атома. Как магнитное поле протона вело электроны вокруг ядра, с такой же скоростью электроны будут вращаться при сколь угодно низких температурах. Так как электрон является средством передачи – приёма энергии, прекращение движения при абсолютном нуле Томсона свидетельствует о том, что эта материя уже никогда не способна нагреться при любой сверхвысокой температуре.

Нематериальная субстанция (абстракция по работе [30]) не подвержена воздействию температуры и давления. Заряду, магнитному и электромагнитному полям безразлично, какая температура и давление. Они стабильны и могут изменяться лишь под действием абстракции.

О несоответствии истине абсолютного нуля и термометрической шкалы Томсона свидетельствует факт, что температура ниже минус 273 градуса Цельсия уже получена (раздел 6). Долгое время абсолютная температура сдерживала развитие криогенной техники. Исправление этой большой ошибки в физике откроет пути для созданий совершенного оборудования и новых технологий получения низких температур.

a8. Философские аспекты абсолютной температуры.

По постулату Томсона при температуре – 273 ºС объём охлаждаемого воздуха уменьшается до нуля. При абсолютной температуре прекращается хаотическое движение частиц. Конкретное значение абсолютной температуры свидетельствует о конечности свойств: более низкой температуры быть не может.

Рассмотрим философские аспекты абсолютной температуры. Ведь материя не исчезает и не возникает!

Бесконечность или вечность существования материи во времени обусловлена ее несотворимостью и неуничтожимостью, сохранением при самых различных превращениях [31]. При этом вечность не сводится к одной только неограниченной длительности существования материи во времени. Она включает в себя бесконечную смену качественных состояний материи, возникновение новых форм движения и типов материальных систем. Любые микрообъекты обладают неисчерпаемым многообразием свойств, внутренних и внешних связей, способностью к постоянным изменениям.

Материя есть движение!

Движение есть неотъемлемое, необходимое и существенное свойство, способ существования материи [32]. "Материя без движения, – писал Ф. Энгельс, – так же немыслима, как и движение без материи". Движение представляет собой необходимое, неотъемлемое свойство материи, без которого она не может существовать. Нигде, никогда, ни при каких условиях не было ни одного материального объекта, ни одного явления, которые были бы лишены движения. Имеющиеся факты в физике подтверждают положение о связи движения с материей. При условиях близких к абсолютному нулю материальные объекты не перестают изменяться.

Любой материальный объект существует благодаря тому, что в нем воспроизводятся определенные типы движения [33]. При условии их уничтожения объект прекращает существование, переходит в другие объекты, которые, в свою очередь, характеризуются определенным набором типов и форм движения. Иначе говоря, движение внутренне присуще материи.

Материя бесконечна вширь и вглубь!

То, что материя бесконечна вширь, предполагали еще древние мыслители. Нижний предел делимости вплоть до конца XIX в. естествоиспытатели и философы видели в атоме [34]. Революция в естествознании окунула человеческое познание в неведомые глубины мироздания. Она, сделав подвижной нижнюю границу представления о строении мира, поставила вопрос о неисчерпаемости материи. Неисчерпаемость – всеобщее неотъемлемое свойство материи и её атрибутов, которое проявляется в бесконечности материи вширь и вглубь в количественном и качественном отношении; находит свое конкретное выражение в неисчерпаемости свойств, связей, взаимодействий и структур любых материальных систем.

Если отрицательная температура конечна, то и материя вглубь должна быть конечной. Но такое представление противоречит тезису о бесконечности материи вглубь. Температурная шкала Томсона, из которой вытекает, что отрицательная абсолютная температура составляет 273 градуса Цельсия, несостоятельна.

Абсолютная температура минус 273 градуса Цельсия – просто выдумка. Но материя бесконечна вглубь! Это свидетельствует, что абсолютной температуры не существует вообще, температура бесконечна как максимальная, так и минимальная. Если признать абсолютную температуру как непреложный факт, надо делать выбор: либо абсолютная температура, либо материя – конечна вглубь.

Абсолютная температура противоречит свойству материи о бесконечности вглубь, она соответствует исчерпаемости свойств физических объектов.

Исходя из положения, что материя бесконечна вширь и вглубь, а посему и бесконечны её свойства, следует неопровержимый вывод, что абсолютной температуры, положительной и отрицательной согласно шкале Цельсия, не существует. Температура бесконечна, как вширь, так и вглубь.

a9. Выводы.

1. К 1848 году уже были сжижены многие газы, тем не менее, Томсон реализовал идею абсолютной температуры через коэффициенты объёмного термического расширения некоторых газов в газообразном состоянии.

2. Томсон предположил: когда объём некоторых газов, имеющих коэффициент термического расширения 0,00366, при охлаждении уменьшится до нуля, это будет абсолютная отрицательная температура и что ниже абсолютной температуры – 273 ºС материальные объекты охладить нельзя.

3. Томсон знал, что существуют газы с иным коэффициентом термического расширения и что при понижении температуры газы переходят в жидкое, а затем в твёрдое агрегатное состояние.

4. В природе существуют жидкости и твёрдые тела. Если по методике Томсона для них определить абсолютную температуру, значения будут резко отличаться от абсолютной температуры – 273 градуса.

5. Фактически шкала температур Кельвина есть шкалой температур Цельсия с произвольно назначенным нулём, который назван абсолютной температурой.

6. Достичь нельзя только бесконечности. Но, если нельзя достичь абсолютной температуры, выраженной конкретной цифрой, то такая температура – фикция.

7. Вклад Томсона в шкалу абсолютных температур – необоснованный вымысел об абсолютном нуле.

8. Молекулярно-кинетическая теория совершенно бессильна объяснить физику процесса изменения какого-либо физико-механического свойства вещества. Все математические выводы, относящиеся к МКТ и абсолютной температуре Кельвина, ошибочны и бесполезны для науки.

9. Понижение температуры тела ни коим образом не влияет на электрические и магнитные характеристики атома. Как магнитное поле протона вело электроны вокруг ядра, с такой же скоростью электроны будут вращаться при сколь угодно низких температурах.

10. Так как электрон является средством передачи – приёма энергии, прекращение движения при абсолютном нуле Томсона свидетельствует о том, что эта материя уже никогда не способна нагреться при любой сверхвысокой температуре.

11. О несоответствии истине абсолютного нуля и термометрической шкалы Томсона свидетельствует факт, что температура ниже минус 273 градуса Цельсия уже получена.

12. Абсолютная температура минус 273 градуса Цельсия – просто выдумка. Материя бесконечна вглубь, это свидетельствует, что абсолютной температуры не существует вообще, температура бесконечна как максимальная, так и минимальная.

13. Если признать абсолютную температуру как непреложный факт, надо делать выбор: либо абсолютная температура, либо материя – конечна вглубь.

14. Абсолютная температура противоречит основным философским категориям: об не исчезновении и не возникновении материи, о движении материи и о бесконечности материи вширь и вглубь.

ССЫЛКИ НА ИСТОЧНИКИ

[1] http://pandia.ru/401674/

[2] http://festival.1september.ru/articles/585152/

[3] http://ufo-legacy.ru/absolytnii-nul-temperaturi/kriticheskaya-temperatura-zamerzaniya-gazov-ili-kak-bil-polu.php

[4] http://chippfest.blogspot.ru/2014/06/Lord-Kelvin-absolute-zero.html

[5] http://samiesamie.ru/samaya-nizkaya-temperatura-vo-vselennoy/

[6] https://ru.wikipedia.org/wiki/Абсолютный_нуль_температуры

[7] http://fb.ru/article/51890/absolyutnyiy-nol-istoriya-otkryitiya-i-osnovnoe-primenenie

[8] http://www.studfiles.ru/preview/2383541/page:28/

[9] У.Томсон (Кельвин). Об абсолютной термометрической шкале, основанной на теории Карно о движущей силе тепла и рассчитанной из наблюдений Реньо. Сборник: Классики физической науки, стр. 407– 415, М., 1989.

[10] А.И.Болутенко. http://ngipoteza.narod.ru/phys3.htm

[11] А.И.Болутенко. http://ngipoteza.narod.ru/phys2.htm

[12] А.И.Болутенко. Научные гипотезы. Физика стекла, гип. 11, 2012.

[13] http://www.portal-slovo.ru/impressionism/40427.php

[14] http://scicenter.online/osnovyi-fiziki/sjijenie-gazov-24487.html

[15] http://fizikaklass.ru/interesnoe-o-fizike/uchenie-fiziki/1168.html

[16] http://ether-wind.narod.ru/Golin_1989/

[17] http://www.great-people.ru/biog_10_kelvin.html

[18] http://www.gas-weld.ru/component/content/article/85-azot.html

[19] https://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкий_кислород

[20] http://www.ndva.ru/gazi/zhidkiy_azot.html

[21] http://www.cryocatalog.ru/info/teplkoefliq.php