10 Zajímavá fakta o teplotě

Teplota je jedním ze základních měření ve fyzice a je naprosto zásadní pro všechny druhy života. Ale při extrémně vysokých a extrémně nízkých teplotách mohou věci vypadat velmi divně - jak uvidíte. Zde je seznam deseti zajímavých faktů o tomto důležitém faktu v našem světě:

10

Nejžhavější teplota vyrobená člověkem

Nejhorší uměle vytvořená teplota, kterou kdy zaznamenala, je 7,2 bilionů stupňů fahrenheitu nebo asi 4 miliardy stupňů Celsia. Protože doufáme, že minimalizujeme používání superlativ v tomto seznamu, řekněme: je to docela horko. Ve skutečnosti je to asi 250 000krát teplejší než teplota v jádru slunce. Extrémní nahrávka byla provedena v Brookhavenově přírodním laboratoři v New Yorku v jejich 2,4 mil dlouhém relativistickém Heavy Ion Collideru. Vědci společně rozbíjeli zlaté ionty ve snaze oživit podmínky podobné "big-bang" tím, že vytvořili kvarku-gluonovou plazmu. V tomto plazmovém stavu částice, které tvoří jádro atomů - protony a neutrony - se rozpadají a vytvářejí "polévku" svých kvarků.

9

Světlo dělá špatné věci při ochlazování

Už jsme se zmínili o kondici Bose-Einstein. Je to fenomén, který se vyskytuje ve hmotě zlomku nad absolutní nulou. Ačkoli se dříve objevovaly pouze při těchto super-chladných teplotách, vědci byli schopni znovu vytvořit efekt při pokojové teplotě, a to použitím světla namísto hmoty.

Podařilo se jim to udělat z důvodu relativní hustoty záležitosti a světla; jeden z vědců, Jan Klars, vysvětlil, že "náš fotonový plyn má miliardykrát vyšší hustotu a můžeme kondenzovat již při pokojové teplotě." Přinutili světlo cestovat skrze dvě zrcadla s částicemi barviv mezi nimi. Když se světlo vrátilo tam a zpět, při každém průchodu nějakým barvivem ztratila trochu energie. A když dosáhla pokojové teploty, světlo se účinně začalo chovat jako ultra-studený plyn vyrobený z tradiční hmoty. Tento výsledek má zcela nový význam, když se dozvíme, že by to mohlo vést k novým typům laserů - což by koneckonců mělo být konečným cílem veškerého výzkumu fyziky.

8

Extrémní teploty sluneční soustavy

Někteří z vás mohou být již obeznámeni s následujícími srovnáními - ale chvíli přemýšlejte o tom, co ve skutečnosti znamenají, ve vztahu k normálním teplotám lidských zkušeností. Slunce - půjčit si podhodnocení z dřívějšího vstupu - je docela horko. Je to nejžhavější v centru, které dosahuje asi dvacet sedm milionů Fahrenheitů (patnáct milionů Kelvinů). Ve srovnání je ve skutečnosti na jeho povrchu méně než deset tisíc stupňů Fahrenheita (asi 5700 K).

Centrum Země stojí přibližně na stejné teplotě jako povrch slunce. Kromě středu slunce je nejžhavější částí naší sluneční soustavy jádro Jupitera, které je pozoruhodně pětkrát žhavější než povrch Slunce.

A nejchladnějším známým místem? To je vlastně na našem vlastním měsíci, kde jsou teploty ve stínu některých kráterů jen třicet Kelvinů nad absolutní nulou. Teploty, měřené NASA Lunar Reconnaissance Orbiter, jsou ještě chladnější než teploty na Plutu.

7

Triple Points

Jednotka teploty SI je Kelvin. Teploty použité k definování jsou absolutní nula - spodní hranice teploty - a to, co je známo jako trojitý bod vody. Trojitý bod je definován jako teplota, ve které existují tradiční tři látky hmoty látky v rovnováze. V tomto okamžiku může být nejvíce nekonečně malá změna teploty nebo tlaku použita ke změně jeho stavu tak či onak.

Chcete-li definovat jeden Kelvin, změřte rozdíl teploty mezi trojitým bodem vody a absolutní nulou a rozdělte ji o 273,16. Existují omezené praktické aplikace trojitého vodního útvaru, ale jeho blízkost k bodu tání je klíčem k tomu, aby způsobil vodní polštář potřebný k tomu, aby lidé mohli bruslit.

6

Vědci to zanedbali

Pravidla přírody, která regulují teplotu, jsou známá jako zákony termodynamiky. Původně existoval pouze první, druhý a třetí zákon - ale vědci přišli se čtvrtým zákonem. Nejnovější zákon uvedl, že "jestliže jsou dva systémy v tepelné rovnováze se třetím systémem, jsou také v tepelné rovnováze mezi sebou."

To v podstatě znamená, že jestliže dva objekty nemají čistou výměnu tepla s třetím objektem, tak by to neměli navzájem - což je způsob, jak je definujeme jako na stejné teplotě.

Vědci si brzy uvědomili, že tento zákon je zásadní pro celou oblast termodynamiky; také si uvědomili, že to mělo být první pravidlo, které formulovali. Vzhledem k tomu, že "první zákon" byl již přijat, dali mu náležitou úctu tím, že jej nazvali "nulovým zákonem". Bylo to kolem roku 1935, kdy byl zákon vymodelován - což znamenalo, že vědci se nedostali na to, aby formálně definovali, jaká teplota znamenala, až do pár stovek let do vývoje pole.

5

Extrémní teploty lidského bydlení

Někteří lidé si založili své domovy v nejnepravděpodobnějších místech. Nejchladnějšími trvale obývanými místy na světě jsou města Oymyakon a Verkhoyansk na Sibiři, o nichž jsme se již zmínili. Během zimy jsou teploty průměrně pod mínus padesát stupňů Fahrenheita.

Nejchladnější město na světě je také na Sibiři. Jakutsk, s 270 000 obyvateli, není v zimě mnohem teplejší než jeho menší bratranci - často klesají pod mínus čtyřicet stupňů Fahrenheita. Ale na vrcholu léta se teploty mohou otáčet až na druhý konec stupnice až na téměř devadesát stupňů Fahrenheita.

Nejvyšší zaznamenaná průměrná teplota patří do opuštěného města Dallol, v Etiopii, který zaznamenal průměrnou teplotu v devadesátých letech šedesát stupňů. Rekord pro nejžhavější město je Bangkok, přičemž průměrné teploty vzduchu se mezi březnem a květnem rozkládají nad 90 stupňů.

Záznam o nejžhavějším pracovišti však pravděpodobně jde do zlatého dolu Mponeng v Jižní Africe. Na dvou kilometrech pod povrchem mohou teploty skály dosahovat 150 stupňů Fahrenheita. Led musí být čerpán do dolu - a zdi izolováni betonem - aby lidé tam mohli pracovat bez toho, aby zahynuli.

4

Nejchladnější teplota vyrobená člověkem

Vytváření věcí za studena přineslo spoustu zajímavých a důležitých výsledků ve vědě. Lidé dělají nejchladnější známé věci ve vesmíru, mnoho řádů chladnější než všechno, co se přirozeně vyskytuje. Chlazení umožňuje dosáhnout teploty několika milliKelvinů. Nejchladnější teplota, kterou kdy dosáhla, je mírně pod sto picoKelvins nebo 0.0000000001 K. Je nutné použít typ magnetického chlazení pro dosažení tak nízkých teplot. Podobné teploty lze dosáhnout v malém měřítku pomocí laserů.

Při těchto teplotách se záležitost chová jinak než tomu je za normálních okolností (viz příklad Bose-Einsteinova kondenzátu) - skutečnost, která je klíčem k odhalení mnoha zvláštních zvláštností kvantové mechaniky.

3

Vesmír se zchladí

Kdybyste si vzali teploměr do hlubokého prostoru a nechali byste tam, daleko od zdroje záření, četli by 2,73 Kelvina - o něco méně než mínus 454 stupňů Fahrenheita. To je nejchladnější přirozeně se vyskytující teplota ve vesmíru.

Prostor je udržován nad absolutní nulou radiací pozadí zbývajícím od Velkého třesku. Přestože je prostor velmi chladný, je zajímavé poznamenat, že jedním z největších problémů astronautů je skutečně teplo. Barevný kov na oběžných předmětech může dosahovat 500 stupňů Fahrenheita (260 stupňů Celsia) díky neomezenému slunečnímu teplu a musí být zakryto speciálními povlaky pro snížení dotykové teploty až na 250 stupňů Fahrenheita (120 stupňů Celsia).

Samotný vnější prostor se však stále ochladí. Teorie už dávno předpověděla a poslední měření potvrzují, že vesmír ochlazuje asi o jeden stupeň každé tři miliardy let.

Bude pokračovat směrem k absolutní nule, i když to nikdy nedosáhne (nemožný výkon). Teplo pozadí vesmíru nám dělá malý rozdíl; účinek nebeských těles v naší sluneční soustavě a galaxie trpasličí. Takže to nebude působit proti globálnímu oteplování, pokud má někdo nápady.

2

Teorie kalorií

Teplo je mechanická vlastnost hmoty. Jednoduše řečeno: čím je horká věc, tím více energie má její částice při pohybu. Atomy v červené horké pevné látce vibrují rychleji než atomy v chladném kusu materiálu. Stejně tak ti, kteří jsou v tekutině nebo plynu, kousají s rychlostí, která závisí na tom, jak horké jsou. To je velmi základní věc, kterou jste pravděpodobně na střední škole učil - ale po stovky let až do konce devatenáctého století vědci věřili, že samotné teplo je vlastně substance. Toto je známé jako kalorická teorie.

Plyn z věřících vědců se odpaří z horké látky a ochladí ji. Bude proudit z horkého předmětu do chladnějšího. Mnoho z předpovědí vyplývajících z kalorické teorie je skutečně pravdivé a vědecký pokrok byl možný i přes toto základní nedorozumění. Teorie kalorií dokonce měla zastánce až do konce devatenáctého století, kdy se mechanická teorie tepla stala bezpochyby.

1

Planckova teplota

Tento seznam učinil mnoho zmínek o absolutní nulové hodnotě. Zmínili jsme se o tom ještě předtím v Listverse. Ale co na druhém konci stupnice? Jak horké mohou věci dostat? Krátká odpověď je, že nevíme jistě; a je to otázka v popředí moderní základní fyziky.

Nejhorší teplota, která se běžně uvádí ve vědě, je Planckova teplota. Je to nejhorší teplota, o které se domnívá, že se ve vesmíru objevila, pouhý zlomek okamžiku po Velkém třesku. Je to asi 10 ^ 32 Kelvinů. Abyste získali nějakou perspektivu, je to zhruba deset miliard miliard dolarů miliardykrát teplejší než teplota zmíněná dříve, což bylo samo o sobě 250 000krát teplejší než jádro slunce. A myslela jste, že vaše voda v lázni je horká. Teplota Planck je podle standardního modelu nejvyšší možnou teplotou. Jakékoli teplejší a konvenční zákony fyziky se začnou rozpadat.

Je možné, že i po tomto okamžiku se teplota může i nadále zvyšovat; a prostě nevíme, co by se stalo, kdyby tak učinila. Něco horší než to je v podstatě příliš horké, aby existovalo v našem současném modelu reality.