Wat is absoluut nul in de wetenschap?

Absolute nul wordt gedefinieerd als het punt waar geen warmte meer uit een systeem kan worden verwijderd, volgens de absolute of thermodynamische temperatuurschaal. Dit komt overeen met nul Kelvin of min 273,15 C. Dit is nul op de Rankineschaal en min 459,67 F.

De klassieke kinetische theorie stelt dat absoluut nul staat voor de afwezigheid van beweging van individuele moleculen. Experimenteel bewijs toont echter aan dat dit niet het geval is: het geeft eerder aan dat deeltjes bij absoluut nul minimale trillingsbeweging hebben. Met andere woorden, hoewel warmte mogelijk niet uit een systeem op absoluut nul wordt verwijderd, vertegenwoordigt absoluut nul niet de laagst mogelijke enthalpie-toestand.

In de kwantummechanica vertegenwoordigt absoluut nul de laagste interne energie van vaste stof in zijn grondtoestand.

Absoluut nul en temperatuur

Temperatuur wordt gebruikt om te beschrijven hoe warm of koud een object is. De temperatuur van een object hangt af van de snelheid waarmee zijn atomen en moleculen oscilleren. Hoewel absoluut nul oscillaties op hun laagste snelheid vertegenwoordigt, stopt hun beweging nooit volledig.

Is het mogelijk om absoluut nul te bereiken

Het is tot nu toe niet mogelijk om absoluut nul te bereiken, hoewel wetenschappers het hebben benaderd. Het National Institute of Standards and Technology (NIST) behaalde in 1994 een recordkoude temperatuur van 700 nK (miljardste van een Kelvin). Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology vestigden in 2003 een nieuw record van 0,45 nK..

Negatieve temperaturen

Natuurkundigen hebben aangetoond dat het mogelijk is om een ​​negatieve Kelvin (of Rankine) temperatuur te hebben. Dit betekent echter niet dat deeltjes kouder zijn dan absoluut nul; het is eerder een indicatie dat de energie is afgenomen.

Dit komt omdat temperatuur een thermodynamische hoeveelheid is die betrekking heeft op energie en entropie. Naarmate een systeem zijn maximale energie nadert, begint zijn energie af te nemen. Dit gebeurt alleen onder speciale omstandigheden, zoals in quasi-evenwichtstoestanden waarin spin niet in evenwicht is met een elektromagnetisch veld. Maar dergelijke activiteit kan leiden tot een negatieve temperatuur, hoewel er energie wordt toegevoegd.

Vreemd genoeg kan een systeem bij een negatieve temperatuur als warmer worden beschouwd dan een bij een positieve temperatuur. Dit komt omdat warmte wordt gedefinieerd volgens de richting waarin deze stroomt. Normaal gesproken stroomt in een wereld met positieve temperaturen warmte van een warmere plaats zoals een hete kachel naar een koelere plaats zoals een kamer. Warmte zou van een negatief systeem naar een positief systeem stromen.

Op 3 januari 2013 vormden wetenschappers een kwantumgas bestaande uit kaliumatomen met een negatieve temperatuur in termen van bewegingsgraden van vrijheid. Daarvoor demonstreerden Wolfgang Ketterle, Patrick Medley en hun team in 2011 de mogelijkheid van een negatieve absolute temperatuur in een magnetisch systeem.

Nieuw onderzoek naar negatieve temperaturen onthult extra mysterieus gedrag. Achim Rosch, een theoretisch fysicus aan de Universiteit van Keulen, in Duitsland, heeft bijvoorbeeld berekend dat atomen bij een negatieve absolute temperatuur in een zwaartekrachtsveld 'naar boven' kunnen bewegen en niet alleen naar 'naar beneden'. Subzero-gas kan donkere energie nabootsen, die het universum dwingt om sneller en sneller uit te zetten tegen de naar binnen gerichte zwaartekracht.

bronnen

Merali, Zeeya. "Kwantumgas komt onder het absolute nulpunt." Natuur, Maart 2013. doi: 10.1038 / nature.2013.12146.

Medley, Patrick, et al. "Spin Gradient Demagnetization Koeling van Ultracold Atomen." Physical Review Letters, vol. 106, nee. 19, mei 2011. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301.