絶対ゼロ 冷却された理想気体が最低エネルギー状態にある温度として定義されます。つまり、これ以上熱を取り除けないポイントです。沸点と融点は物質の性質によって異なりますが、絶対零度はすべての物質で同じです。物質は、超伝導、超流動、およびボース・アインシュタイン凝縮と呼ばれる物質の状態の形成を含む、絶対零度に近い異常な特性を示します。
ケルビン、摂氏、華氏の絶対零度
絶対零度は 0 K、-273.15 °C、または -459.67 °F です。ケルビン温度には度記号がないことに注意してください。これは、ケルビン スケールが絶対スケールであるのに対し、摂氏と華氏スケールは水の凝固点に基づく相対スケールであるためです。
絶対零度の仕組み
絶対零度に関する一般的な誤解の 1 つは、物質が移動を停止するか、その場で凍結するというものです。理論的には、絶対零度は可能な限り低い温度ですが、可能な限り低いエンタルピー状態ではありません。これは、理想気体には絶対零度が定義されているためです。非常に低い温度では、実物質は理想的な気体の挙動から逸脱します。絶対零度では、物質は最も低いエネルギー状態にありますが、化学結合の振動、電子の軌道、および原子核内の動きからのエネルギーをまだ持っています。温度を絶対零度まで下げることは、人が走ってから静止するまで速度を落とすようなものです。運動エネルギーのほとんどは取り除かれますが、人の心臓は鼓動し、肺は息を吸ったり吐いたりしますが、潜在エネルギーはまだ残っています。
私たちは絶対零度に到達できますか?
熱力学の法則によれば、熱力学的方法だけでは絶対零度に到達することはできません。ハイゼンベルグの不確定性原理のおかげで、私たちは絶対零度に非常に近づくことができますが、完全に到達することはできません。どんな粒子でも、その運動量と正確な位置を知ることはできません。絶対零度では運動量はゼロです。基本的に、科学者が絶対零度を達成しても、それを測定することはできません。
しかし、私たちは絶対零度に非常に近づくことができます! 2015 年、MIT の科学者は、ナトリウムとカリウムの気体原子の混合物を 450 ナノケルビンまで冷却しました。宇宙ベースの研究は、さらに先へ進む可能性を秘めています。 Cold Atom Laboratory (CAL) は、10 ピコケルビン (10-12 K) という低い温度を達成できる国際宇宙ステーション向けに設計された実験です。
これまでに記録された最低気温
これまでに記録された中で最も低い温度が、ここ地球上の実験室で生成されたことを知って驚くかもしれません。背景放射のため、深宇宙は実際にはそれほど寒くありません (2.73 K)。これまでのところ、ブーメラン星雲は自然界で最も寒い場所で、温度は約 1 K です。
マイナスケルビン温度
絶対零度に到達することはできませんが、2013 年に研究者は運動の自由度に関して負のケルビン温度を達成したカリウム原子の量子ガスを作成しました。直感に反しますが、負の温度は実際には絶対零度よりも低くはありません。実際、それらは正の温度よりも無限に暑いと見なされる可能性があります。
絶対零度以下では、物質は奇妙な性質を示します。例えば、原子同士が引き合って負圧をかけても、物質は崩壊しません。理論的には、絶対零度以下で作動する燃焼エンジンは、熱力学的効率が 100% を超える可能性があります。
参考文献
- Arora, C. P. (2001). 熱力学 .タタ・マグロウ・ヒル。 ISBN 978-0-07-462014-4.
- メドレー、パトリックほか(2011 年 5 月)。 「超低温原子のスピン勾配減磁冷却」。 フィジカル レビュー レター。 106. doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.195301
- メラリ、ジーヤ (2013). 「量子ガスは絶対零度を下回る」 自然 . doi:10.1038/nature.2013.12146
