Температура внутри человека минус 273
Ученым удалось совершить нечто невероятное: они смогли охладить вещество ниже температуры, которая до сих пор считалась абсолютным минимумом. В большинстве современных учебников по физике абсолютный ноль по шкале Кельвина или минус 273,16 градусов по Цельсию считается самой низкой из возможных температур, так как при ней даже самый легкий элемент — водород — полностью теряет свою подвижность, то есть, говоря фигурально, замерзает.
Как ни странно, но одним из способов изучения отрицательных температур является бесконечно сильный разогрев вещества. Этот необычный, граничащий с фантастикой, подход, позволяет в теории проектировать двигатели, КПД которых будет выше 100%, проливает свет на такие загадочные субстанции, как темная энергия и другие.
С точки зрения атомной физики, температура — это скорость. Скорость движения атомов внутри вещества, и чем быстрее атомы движутся, тем выше температура. Соответственно, при минус 273,16 градусах атомы водорода полностью останавливаются. С таким подходом, никакое вещество не может быть холоднее этого лимита.
Однако современная физика, чтобы понять сущность температуры, предлагает взглянуть на нее иначе — не как на линейный показатель, а как на петлю: положительные температуры — это одна часть цикла, отрицательные — другая. При температурах, стремящихся к бесконечно низким или бесконечно высоким, шкала рано или поздно оказывается на отрицательной области. При положительных температурах атомы чаще занимают низкие энергетические состояния, а при отрицательных — высокие. В физике подобный эффект известен, как распределение Больцмана.
При абсолютном нуле атомы занимают самое низкое энергетическое состояние, а при «бесконечной температуре» атомы могут занимать сразу все энергетические состояния. Соответственно, при очень высоких температурах они занимают все высокие энергические состояния, а при очень низких температурах — все низкие.
«Говоря о низкой температуре, можно говорить, что мы имеем дело с перевернутым распределением Больцмана», — говорит физик Ульрих Шнайдер из Мюнхенского университета в Германии. «С такой логикой, вещество, достигающее температуры ниже абсолютного нуля, становится горячим. Мы считаем, что при достижении рубежа в минус 273 градуса температура не заканчивается, а просто переходит к отрицательным значениям».
Как несложно предположить, объекты с отрицательной температурой ведут себя очень странно. К примеру, обычно энергия, исходящая от объекта с более высокой температурой, всегда будет больше, чем от более прохладного объекта. Однако если вещество переходит на отрицательную шкалу, то там чем оно холоднее, тем больше энергии излучает. Таким образом, здесь более холодный объект всегда будет более энергетически активен, нежели более теплый.
Другим странным последствием отрицательных температур является энтропия — показатель того, насколько вещество является упорядоченным. Когда объект имеет традиционную температуру, он увеличивает энтропию вещества вокруг и внутри себя, но когда температуры уходит в отрицательную зону, бесконечно «холодно/горячий» объект способен снижать энтропию внутри и вокруг себя.
Немецкие физики говорят, что отрицательная температура — это пока в значительной мере теория. Но она станет практикой, когда наука научится работать с четкими энергетическими показателями одного отдельно взятого атома вещества. Когда исследователи смогут работать с одним отдельным атомом подобно тому, как с объектами в макромире, можно будет говорить о том, смогут ли атомы охлаждаться до супернизких температур или могут ли они лететь быстрее скорости света.
Пока же для генерации отрицательных температур ученые создали систему, в которой атомы имели жесткий предел того, какой энергией они могут обладать. Для этого физики взяли 100 000 атомов и охладили их до температуры в одну миллиардную градуса Кельвина. Атомы были охлаждены в вакуумной камере, изолированной от внешней среды. Для точного контроля атомов исследователи применяли сеть лазерных лучей и магнитных полей.
По словам ученых, температура вещества в конечном итоге зависит от того, сколько потенциальной энергии есть у атома и сколько энергии образуется от взаимодействия между атомами. Кроме того, температура также тесно связана с давлением — чем горячее объект, тем больше он расширяется и наоборот. Чтобы убедиться в том, что газ может иметь температуру ниже абсолютного нуля, нужно было создать такие условия, в которых сами атомы не имели бы существенной энергии, а от отталкивания атомов образовывалось бы больше энергии, чем от их притяжения, сообщает CyberSecurity.ru.
Нечто подобное получилось воссоздать на наномасштабе. Симон Браун из Мюнхенского университета говорит, что в будущем на практике такие знания могут привести к созданию сверхэффективных тепловых двигателей. Работа таких двигателей опирается на преобразование тепловой энергии в механическую. Теоретически, с отрицательными температурами такие двигатели могли бы иметь КПД выше 100%, хотя с точки зрения логики это кажется невозможным.
Источник
Физические явления, ежесекундно происходящие в каждой точке Вселенной, бывают как просты, так и сложны одновременно. Ежедневно ученые бьются над разгадкой их тайн, желая подчинить себе законы природы. Одна из таких тайн – это явление под названием «Абсолютный нуль».
В чем заключается его суть? Можно ли достичь абсолютного нуля? И почему он соответствует значению -273,15°С?
Что такое температура?
Прежде чем затронуть более глубокий вопрос, стоит разобраться в таком простом понятии, как температура. Что это такое? Под температурой тела подразумевают степень его нагретости.
Согласно термодинамике, данная степень находится в тесной взаимосвязи со скоростью движения молекул тела. В зависимости от его состояния, молекулы либо хаотически движутся (газообразное, жидкое), либо упорядочены и заключены в решетки, но при этом колеблются (твердое). Хаотичное движение молекул еще называют броуновским движением.
Таким образом, нагрев тела лишь увеличивает его энтропию, то есть хаотичность и интенсивность движения частиц. Если твердому телу передать тепловую энергию, его молекулы из более упорядоченного состояния начнут переходить в состояние хаотичное. Материя станет плавиться и превратится в жидкость.
Молекулы данной жидкости будут разгоняться все быстрее, и после точки кипения состояние тела начнет переходить в газообразное. А что если провести обратный опыт? Молекулы охлаждаемого газа станут замедляться, в результате чего он начнет процесс конденсации.
Газ превратиться в жидкость, которая затем затвердеет и перейдет в состояние твердого тела. Его молекулы упорядочены, и каждая находится в узле кристаллической решетки, но при этом все же колеблется. Охлаждение твердого тела приведет к тому, что это колебание будет становиться все менее заметным.
А можно ли охладить тело настолько, чтобы молекулы и вовсе замерли на месте? Этот вопрос будет рассмотрен позже. А пока стоит остановиться еще раз на том, что такое понятие, как температура, независимо от способа ее измерения (шкала Цельсия, Фаренгейта или Кельвина) – это все лишь удобная физическая величина, помогающая передать информацию о кинетической энергии молекул того или иного тела.
Почему -273,15°С?
Существует несколько систем измерения температуры – это градусы по Цельсию и Фаренгейту, и Кельвины. Упоминая абсолютный нуль, физики имеют в виду именно последнюю шкалу, которая, по сути, является абсолютной. Потому что начальной точкой шкалы Кельвина является абсолютный нуль.
При этом в ней отсутствуют отрицательные значения. В физике при измерении температур используются Кельвины. По Фаренгейту это значение соответствует -459,67°F.
В системе привычного всем Цельсия абсолютный нуль равен -273,15°С. Все потому, что разработавший ее шведский астроном Андрес Цельсий решил упростить систему, сделав ее основными точками температуру таяния льда (0°С) и температуру закипания воды (100°С). Согласно Кельвину температура замерзания воды это 273,16 К.
То есть разница между системой Кельвина и Цельсия составляет 273,15°. Именно из-за данной разницы абсолютный ноль соответствует такой отметке на шкале Цельсия. Но откуда же взялся этот ноль?
Что же такое абсолютный нуль?
В изложенном выше примере с охлаждением твердого тела было показано, что чем ниже его температура, тем более упорядочено ведут себя молекулы. Их колебания замедляются, а при температуре -273,15°С они совершенно «замерзают». Можно сказать, что при абсолютном нуле молекулы абсолютно замедляются и прекращают движение.
Правда, согласно принципу неопределенности, мельчайшие частицы все равно будут осуществлять минимальное движение. Но это уже понятия квантовой физики. Поэтому абсолютный ноль не подразумевает совершенный покой, однако он подразумевает полный порядок среди частиц твердого тела.
Исходя из данного контекста, абсолютный нуль – этот та минимальная граница температуры, которую способно иметь физическое тело. Ниже уже некуда. Более того, еще никто и никогда не добивался температуры тела, равной абсолютному нулю. Согласно законам термодинамики достижение абсолютного нуля является невозможным.
Источник
Температуры воздуха ниже минус 70 °С отмечаются лишь в нескольких районах Земли. Несомненное лидерство здесь удерживает Антарктида, где на станции Восток зарегистрирована самая низкая температура воздуха на планете — минус 89,2 °С. В Северном полушарии такие морозы невозможны, а абсолютным минимумом считается температура минус 77,8 °С, наблюдавшаяся в районе Оймякона. Ниже минус 70 °С может опускаться температура воздуха и на некоторых ледниках Гренландии.
Разумеется, столь экстремальные значения температуры характерны в первую очередь для внутренних районов Антарктиды и в меньшей степени Гренландии, где условия резко континентального высокогорного климата сочетаются с продолжительной полярной ночью и постоянным оттоком тепла из этих районов.Интересно, что, например, в окрестностях станции Восток летом на каждый квадратный сантиметр поверхности поступает свыше 30 тыс. калорий солнечного тепла. Это почти вдвое больше, чем получает в июле Тбилиси. Но около 90%, а в отдельные дни до 98% всех поступающих на снежную поверхность солнечных лучей отражается от нее, как от зеркала. Во время полярной ночи Антарктида вовсе не получает солнечного тепла. Это значит, что в ее внутриматериковых районах происходит непрерывное охлаждение поверхностных слоев ледникового покрова. Беспредельное усиление морозов ограничивается притоком тепла из глубины Земли и непрерывным перемешиванием воздушных масс.
Каково же состояние человека в условиях сверхнизких температур? При температуре ниже минус 70 °С пребывание на открытом воздухе более 10-15 минут даже в специальной климатической одежде затруднено из-за опасности обморожения конечностей и дыхательных путей. Так, при температуре минус 70 °С и ветре 5 м/сек уже через 10-13 секунд обнаженные кисти рук начинают сильно болеть, а через 35-40 секунд наступает онемение и повеление пальцев. Теплопотери с поверхности органов дыхания возрастают в несколько раз за счет нагревания морозного воздуха и его увлажнения, поскольку в Центральной Антарктиде абсолютная влажность воздуха в зимний период приближается к нулю.
Расчеты показывают, что почти половина общей теплоотдачи организма происходит через органы дыхания. Теплоотдача настолько интенсивна, что может вызвать непосредственное переохлаждение и обморожение легких. После дыхания морозным (ниже минус 70 °С) воздухом появляются саднящие боли в груди и мучительный сухой кашель, который длится 2-5 часов, а иногда — спазмы голосовых связок.
B.C. Игнатов, начальник станции Восток в 1959-1960 гг. так описывает ощущения человека, побывавшего на морозе минус 85,7°С: «Стояла ясная погода. Над горизонтом стоял ослепительно яркий диск солнца. С северо-запада тянул ровный ветерок. Скорость его была невелика — всего 5 метров в секунду. Но даже при таком слабом ветре мороз лютовал невероятно, он обжигал, точно пламя, и дышал поистине космическим холодом. Несмотря на дымку, над горизонтом четко обозначился солнечный диск. В воздухе стояла темно-сиреневая стена морозного тумана. Уже через минуту влажный от дыхания шарф превратился в настоящий скафандр. Мороз пробирал до костей. Не спасала и теплая специальная одежда. Руки белели мгновенно, едва их вытянешь из рукавиц. Возьмешься за что-либо — мороз ударит по рукам, словно электрический ток. Суставы пальцев, даже спрятанные в рукавицы, нестерпимо болели, будто их сжали со страшной силой. Через 8 минут ноги, обутые в унты и теплые шерстяные носки, потеряли чувствительность. Начался неудержимый кашель: мертвящий все живое мороз пробрался к легким. Дальнейшие эксперименты становились опасны, и пришлось ретироваться. Возвратившись в дом, я еще долго кашлял, отхаркиваясь слизью ознобленных легких. Слегка кружилась голова, усилилась одышка, чувствовалась слабость, сухость во рту».
Сверхнизкие температуры влияют на состояние и структуру многих знакомых нам веществ и материалов. Так, весьма интересны результаты проводившихся на станции Восток опытов на истечение дизельного топлива и авиационного бензина при различных температурах воздуха. К двум бачкам емкостью по 15 литров каждый были припаяны 3-метровые горизонтальные трубки диаметром 10 миллиметров. В один из бачков заливалось 10 литров дизельного топлива, а в другой — такое же количество авиабензина и измерялось время полного истечения топлива. Результаты опытов приведены в таблице.
Влияние сверхнизких температур на некоторые вещества:
| Температура воздуха, «С | Время истечения | |
| Дизельное топливо | Авиабензин | |
| -87,4 | не течет | 10,5 мин |
| -80,0 | не течет | 9,1 мин |
| -72,2 | течет мелкими каплями с промежутками в 45 сек | 8,3 мин |
| -60,0 | 8 час. 05 мин | 6,4 мин |
| -50,0 | 6 час. 28 мин | 5,7 мин |
| +15 (в помещении) | 8,4 мин | 2,3 мин |
Интересен еще один опыт. На морозе -80 °С к поверхности бензина подносили горящий факел, но он не только не воспламенял его, бензин практически не испаряется при таких низких температурах. Керосин уже при температуре минус 60 °С превращается в густую снехную массу, а при минус 85° затвердевает; дизельное масло при температуре ниже 75° становится настолько твердым, что его приходится рубить топором. Антифриз при 85° превращается в розоватый лед, резиновые шланги и провода разрушаются от малейшего перегиба. Для того чтобы вырубить дно у железной бочки, достаточно трех-четырех ударов топора — при температуре ниже 85° железо становится хрупким и, подобно стеклу, колется на куски. Столь жестокого мороза не выдерживает даже ледниковый покров. Под влиянием низких температур происходят так называемые термические взрывы, сопровождающиеся мощными раскатистыми звуками, напоминающими гром, — это трещит и разрушается ледниковый панцирь Антарктиды.
Зимовка на станции Восток, где сверхнизкие температуры воздуха — норма, становится для полярников настоящим испытанием. Несмотря на сравнительно небольшую высоту над уровнем моря, на которой находится станция, акклиматизация проходит очень тяжело и практически постоянно происходит истощение физиологических резервов организма. Вновь прибывшие вынуждены как можно меньше двигаться, иногда просто все время лежать. Словно огромная тяжесть давит на человека, не давая ему свободно вздохнуть. Те грузы, которые в Мирном легко поднимал один человек, на Востоке перетаскивают вдвоем-втроем.
Однажды на Восток привезли собаку. Пес по кличке Волосан поначалу резвился, изучал станцию, бегал, не зная, что на Востоке этого делать нельзя. Однако скоро он все понял — началась акклиматизация. Пес ничего не ел, его било мелкой дрожью. Целыми днями Волосан лежал в спальном мешке, куда его засунули полярники, смотрел на все мутным взглядом и прямо таял на глазах. На седьмой день ему стало совсем худо, и пришлось отправить его обратно в Мирный. К самолету сам он идти уже не мог — полярники так и внесли его в спальном мешке.
Альпинисты, встречающиеся среди полярников, побывавшие на Памире и Тянь-Шане, порой без должного уважения относятся к высоте Востока (каких-то три с половиной тысячи метров). Однако этот снисходительный тон улетучивается в первые же минуты пребывания на Востоке. Эвакуация со станции людей, казавшихся совершенно здоровыми, в общем-то не редкость. С начала антарктической осени — в марте и по декабрь — связь с Востоком возможна только по радио. Зимующим на станции в течение этих восьми, а то и девяти месяцев приходится рассчитывать исключительно на свои силы. Что бы ни случилось, помощь прийти не сможет.
12 апреля 1982 г. — самый страшный день в истории Востока. Сгорела дизель-электростанция, в огне погиб начальник дизельной А.И. Карпенко. В сем и десяти градусный мороз станция лишилась источника тепла и света. Впереди было несколько месяцев самой тяжелой зимовки. Пожар случился ночью. Огонь пытались остановить огнетушителями, снегом, сбить брезентом. Все было напрасно. Вскоре электростанция остановилась. Нет тепла, нет света, нет радиосвязи. Мороз под семьдесят. Только пламя пожара освещает Восток. Полярники бессильны что-либо сделать — ветер раздувает пожар, вспыхивают расходные емкости с топливом, что стояли в дизельной. Несколько тонн горящего масла и соляры. На десятки метров поднимается над станцией столб огня и дыма. Теперь, если не удастся наладить радиосвязь, о произошедшем на Востоке узнают по снимкам со спутников. Но, даже узнав о пожаре, помочь зимовщикам Востока никто не сможет. Между тем ветер стал заваливать пламя на основной запас топлива — 300 тонн соляры. Рядом еще цистерна керосина. За цистернами — почти весь запас продуктов на год. Если все это загорится, никаких шансов выжить у полярников не останется. Однако в тот момент взвешивать шансы было некогда. Сем и десяти градусный мороз делал свое дело. Очень скоро стены помещений покрыл иней. Пройдет совсем немного времени, и станция окончательно заледенеет. Если сейчас же не справиться с холодом, смерть неизбежна. Надо было немедленно любым способом дать хоть немного тепла. В воспоминаниях полярников эта ночь предстает как какая-то бесконечная сумасшедшая карусель. Бросились делать и устанавливать печки-капельницы, выбивать отверстия в стенах домов, чтобы вывести трубы от печек, перетаскивать продукты, лекарства и растворы,боящиеся холода. Наконец, судьба смилостивилась над ними -переменился ветер, пламя отнесло в сторону от уже готовых взорваться емкостей с топливом. Отогрели дом с радио, не дав замерзнуть радиостанции. Удалось завести старый маленький дизель, к которому давным-давно никто не прикасался. Этот и без того слабенький движок на высоте Востока терял треть своей мощности, но все же вырабатываемого им электричества хватило на то, чтобы оживить передатчик. Успели сообщить о случившемся, после чего связь прервалась.
Хотя на Большой земле разрабатывали различные планы спасательных операций и изо всех сил стремились помочь попавшим в беду людям, скоро стало ясно, что никакой реальной возможности для этого нет. Двадцати полярникам станции Восток предстояло пережить самую долгую и самую лютую зиму на Земле.
О том, что это была за зимовка, можно судить по тем условиям, в которых им пришлось находиться. Они жили в ужасной тесноте -первое время, пока не сделали нары, даже спали по очереди. Капельницы хотя и согревали кое-как помещения, но делали это крайне неравномерно — вверху было относительно тепло, а на стенах и под кроватями намерзал лед. Спали в полном полярном обмундировании, не снимая унт, обмотав голову шарфом, чтобы при случайном прикосновении к стене не примерзали волосы.
Печи ужасно чадили, покрывая все вокруг слоем жирной сажи и копоти. Движок был ненадежным, его включали лишь на два часа, чтобы могла работать радиостанция. Остальное время единственным источником света становились самодельные свечи. Полярники соорудили баню, но мыться в ней можно было только в резиновых сапогах, иначе к полу примерзали ноги. Зимовщики лишились почти всего запаса овощей, которые все-таки замерзли или сгнили. Часть консервов тоже пришла в негодность — многие стеклянные банки не удалось спасти от мороза, и они полопались. Приходилось экономить воду -после пожара чистого снега вокруг станции в радиусе нескольких сот метров не осталось. Именно на такое расстояние надо было ежедневно отправляться дежурному за снегом и сделать не одну ходку. И это на Востоке, где каждый шаг дается человеку с трудом! И это при температуре воздуха, стабильно державшейся у семидесяти градусной отметки, а в августе морозы перевалили за восемьдесят!
Во время этой зимовки полярникам поневоле приходилось десятки раз нарушать все нормы и инструкции техники безопасности, заставляя в очередной раз удивляться скрытым возможностям человеческого организма. Чего стоит одна только ночь во время пожара. Трудно в это поверить, но люди провели на открытом воздухе при температуре около минус 70 °С несколько часов (нормой считается 20-25 минут). При этом первое время многие из них, поднятые среди ночи, были лишь кое-как одеты. Более того, в эту ночь не было ни переохлаждений, ни отморожений. Полярники рассказывали потом, что они даже не чувствовали мороза.
Находясь в такой сверхэкстремальной ситуации, организм человека мобилизовал все свои внутренние силы. Последовавшая затем зимовка тоже была, казалось, на грани человеческих возможностей, но люди в этих условиях не просто выживали, а продолжали ту же работу, какой они занимались до пожара. Уже на следующий день радиостанция Востока передала две метеосводки. В конечном счете, именно то, что люди не опустили руки, не поддались отчаянию и апатии, помогло им пережить антарктическую зиму на Полюсе холода.
Источник