Elhiszed, hogy mínusz végtelen kelvin? Vagy te is úgy tudod, hogy a 0 kelvin hőmérsékletet nem lehet elérni, illetve alá menni? Menjünk bele a részletekbe!
A vitákat megelőzendő, szeretném leszögezni, hogy szerintem sem lehet elérni a 0 kelvin hőmérsékletet. Ezt világosan kimondja a termodinamika 3. főtétele. Ennek ellenére lehet negatív abszolút hőmérsékletet is elérni akár hiszed, akár nem.
Sőt igazából pár évvel ezelőtt már el is érték a negatív abszolút hőmérsékletet. Hogyan lehetséges ez?
A megértéshez picit bele kell menni a hőtani fogalmakba, egészen pontosan a hőmérséklet definíciójába. A hőmérséklet alapvetően a hőáramláshoz kapcsolódó változó, de tudományosan inkább a belső energia és az entrópia segítségével lehet definiálni. Persze a definíció eredményeképp az általad jól megszokott hőmérsékletet kapjuk meg.
A hőmérséklet a belső energia entrópia szerinti parciális deriváltja a többi változó állandóssága esetén. Na jó, akkor most magyarul is: gyakorlatilag a hőmérséklet az egységnyi entrópia változáshoz tartozó belső energia megváltozást jelenti.
A belső energia egy részecske, egy atom vagy épp egy rendszer saját energiája. Ez tartalmaz mozgási energiát vagy éppen potenciális energiát, ami lehet például gravitáció vagy mágneses tér hatásának eredménye.
Az entrópia a „rendezetlenség mértéke”, de ez elég üres szólam. Alapvetően arra gondolj, hogy a „rendezettség” egy mesterséges állapotot jelent és minden magától lezajló folyamat csökkenti ezt a „rendezettséget”, azaz egy természetesebb állapotba viszi a rendszereket. Például az, hogy egy pohár létezik, nagyon mesterséges. Mi rendeztük a megfelelő helyre az atomokat. Ha széttörik a pohár, akkor kevésbé lesznek „rendezettek” az atomok, egy természetesebb állapotba kerül a pohár, bármennyire is sajnáljuk. Mivel a „rendezetlenség” nő, ezért az entrópia is nő.
Visszatérve a hőmérsékletre. Mit láthatunk általában? Ha növeljük a belső energiát, akkor nő az entrópia is. Ha esetleg úgy növelnénk a belső energiát, hogy közben csökkenne az entrópia, akkor negatív hőmérsékletet kapnánk! Ezt sikerült kísérletileg megvalósítani.
A kísérletben atomokat rögzítettek vákuumban egy mágneses téren belül lézerek segítségével. Először hagyták, hogy a természetes folyamatok miatt az atomok a lehető legalacsonyabb energiaszintre kerüljenek. Ebben a természetes helyzetben lézerrel rögzítették az atomokat, majd hirtelen megváltoztatták a mágneses tér irányát.
Mi történik ekkor? Az összes atom fordított mágneses irányban áll, mint amiben normális, természetes állapotában állna. Ez egyrészt azt jelenti, hogy megnő a belső energia, mivel minden atom magasabb potenciális energiájú lesz. Ha nem lenne lézeres rögzítés, akkor erről a magas potenciálról el akarnának kerülni az atomok és megfordulnának, hogy az alacsonyabb energiájú helyzetbe kerüljenek. Másrészt a magasabb potenciálszintre kerülés az entrópia csökkenését jelenti. Az hogy minden atom egy magas potenciálszinten van, nagyon mesterséges, nagyon „rendezett”. Ez kis entrópiát jelent, míg a kiinduló helyzet pont „rendezetlen”, nagy entrópiájú volt.
Tehát valóban lehet növelni a belső energiát az entrópia csökkentésével. Így fellép a negatív hőmérséklet! A konkrét kísérleti eredmények azt mutatták, hogy pár ezermilliomod kelvin fokkal sikerült az abszolút 0 fok alá kerülni ezzel a módszerrel. Ez lenne hát a valaha elért legalacsonyabb hőmérséklet? Hogyan lépték át a 0 fokot úgy, ha az elérhetetlen?
Kezdjük a második kérdéssel: a kísérlet során nem lesz abszolút 0 fokos a rendszer és nem ez az elért legalacsonyabb hőmérséklet! A legalacsonyabb hőmérséklet mínusz végtelen kelvin, amit az említett kísérletben is „elértek”, csak persze nem tudják ezt észlelni. Erre a két furcsaságra közös a megoldás: a negatív hőmérsékletet nem a 0 fokon keresztül érjük el, hanem a plusz végtelen hőmérsékletről a mínusz végtelen hőmérsékletre ugorva. Ez azt jelenti, hogy a negatív abszolút hőmérséklet igazából magasabb energiájú állapot, ezért nem marad fenn sokáig, gyorsan leadja az energiáját.
Az ábrán láthatod a belső energia és a hőmérséklet kapcsolatát leíró görbét. Az az érdekesség, hogy a belső energia növelésével elérjük a végtelen hőmérsékletet, majd további energia befektetésével a mínusz végtelen hőmérsékletet érjük el és onnan nő tovább a hőmérséklet értéke.
Ez azt jelenti, hogy ha pár ezermilliomod kelvinnel az abszolút 0 fok alá kerülünk, akkor előtte voltunk a mínusz végtelen kelvinnél is.
Miért ilyen fura a hőmérséklet viselkedése? Röviden azért, mert nem feltétlen ez a praktikus paraméter, de történeti okokból és megszokásból ezt használjuk. A hőmérséklet reciprokával szebb ez a görbe is és azt a mennyiséget is választhattuk volna paraméterként.
Azon kívül, hogy érdekes a negatív hőmérséklet jelensége, mégis miért jó erről tudni? Egyrészt a jelenlegi feltételezések szerint a sötét energia is negatív hőmérsékletű, így közelebb kerülhetünk a vizsgálatához. Másrészt a negatív hőmérsékleten például a gravitáció működésében is furcsaságokat észleltek. Érdekes felfedezéseket tehet az emberiség még ezzel a jelenséggel kapcsolatban!
Kövess minket facebookon, hogy ne maradj le az újdonságokról!
Borítókép:
Pixabay
