На улице зима и сейчас самое время задаться вопросом что же из себя представляет тепло. Если человеку любого возраста задать такой вопрос, он с лёгкостью может привести примеры источников тепла. Это может быть солнце, обогреватель, конвектор, печка в машине, электрическая или даже водяная грелка. Все перечисленные источники тепла используют разные способы его передачи, но их объединяет то, что происходит внутри на атомном уровне. В данной статье, мы рассмотрим: какая температура самая высокая и самая низкая, что такое тепло на молекулярном уровне и почему холода как отдельного явления не существует.
Начнем с самого начала. Любое вещество состоит из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов. Так же любое вещество может находиться в трёх агрегатных состояниях, это твердое, жидкое и газообразное.
Теплом принято называть кинетическую энергию, которая проявляется в движение молекул. В твердом состояние вещества, молекулы выстраиваются в жёсткие молекулярные решетки, и их движение больше похоже на раскачивание или вибрацию. В жидком или газообразном состояние, молекулы свободно перемещаются во всему объему вещества.
Для примера рассмотрим конкретное вещество, обычную воду. Такой выбор не с проста. Вода очень распространена на нашей планете и встречается в трёх разных агрегатных состояниях. Что уж говорить, мы с вами и сами состоим на 60% из воды. И в связи с этим унаследовали некоторые тепловые рамки, в которых можем существовать.
Когда вода находится в жидком состояние, связь между молекулами достаточно сильная чтобы держатся вместе, и не разлетаться по сторонам. Но не достаточная чтоб образовывать кристаллические решетки. В жидкой воде, как и в других жидких веществах, молекулы могут свободно перемещаться с различной скоростью. И эта скорость зависит от температуры жидкости. Это означает, что в холодной воде молекулы двигаются медленнее, чем в горячей. С нагреванием жидкости, молекулы начинают активно шевелится, и самые быстрые отрываются от общего объёма вещества и улетают. Этот процесс называется испарением. Когда вода достигает температуры кипения, процесс испарения становится наиболее активным.
Когда вода переходит в газообразное состояние, известное как водяной пар. Сила притяжения между молекулами очень ослабевает, и молекулы не держатся друг рядом с другом. Скорость молекул будет увеличиваться с увеличением температуры пара.
Для максимальной температуры практически нет предела. Конечно, есть теоретическая отметка, при которой молекулы достигают своей максимальной скорости. Ведь они не могут ускоряться до бесконечности, иначе им бы им со временем пришлось превысить скорость света, а это не возможно. Такая температура существует и называется Планковская температура.
Теперь давайте рассмотрим понижение температуры, после того как она опустилась ниже температуры затвердевания, движение молекул сильно замедляется. Даже в плотном и на первый взгляд неподвижном куске льда присутствует движение молекул воды. Просто это движение похоже на раскачивание из стороны в сторону, ведь молекулы больше не могут двигаться свободно из-за того что находятся в плотной молекулярной решетке.
Ещё одним хорошим примером можно привести затвердевание расплавленных металлов. У каждого конкретного вещества или сплава, будет своя температура затвердевания. Все металлы, кроме ртути, при обычных земных условиях находятся в твердом состоянии, а это значит, что для их расплавления потребуется дополнительная энергия, в виде плавильной печи или костра. Опять же таки, все зависит от конкретного металла.
Ещё есть аморфные вещества, у них молекулы находятся в хаотичном порядке, даже в твердом состояние и процесс перехода от твердого в жидкое состояние не такой четкий как у воды или металлов. Сначала они становятся мягкими и уже потом, со временем становятся жидкими. Самый простой пример, это стекло, для придания формы стеклянной посуде, стекло не разогревают до температуры текучести. Достаточно его нагреть до температуры пластичности.
Для наблюдателя, в виде человека, лёд будет выглядеть одинаково прочно и при -10 градусах и при минус -100. Но на молекулярном уровне разница будет заметна. При понижении температуры движение молекул будет становиться все меньше и меньше, пока молекулы не застынут в одном положении и ни о какой вибрации и тем более свободном перемещении речи быть не сможет.
Такое затвердевание молекул означает, что в веществе абсолютно нет тепла. Это минимальный порог по температуре, в нашей вселенной. Холоднее нет ни под землей, ни в лабораторных условиях, ни даже в космосе. Такая температура называется абсолютный ноль, и на шкале Цельсия это -273.15 градусов. При такой отметке, любое вещество станет твердым.
Тут мы в плотную подошли к вопросу, что холода не существует. Как темнота, это отсутствие света, так и холод это отсутствие тепла. Та температура, которая для людей воспринимается как холодная. К примеру -100 градусов. По физическим меркам является более теплой чем -200 градусов по Цельсию.
Существует даже шкала измерения температуры, названная в честь ее создателя Кельвина. И начинается она с самой минимальной отметки в 0 градусов по Кельвину. Как я уже говорил, в привычной нам шкале Цельсия это -273,15 градусов.
Рассмотренные переходы воды из одного агрегатного состояния в другое, применимо для всех известных веществ. Только происходить эти переходы будут при разных температурах, индивидуальных для каждого вещества. Так же любой переход от одного агрегатного состояния к другому, является обратимым.
Вывод.
Тепло это вид энергии, который проявляется в виде беспорядочного движения частиц, из которых состоит вещество. Если речь идёт о жидкостях, то частицы двигаются по всему объему жидкости. В случае с газом, частицы будут хаотично перемещаться по всему предоставленному объему. А при рассмотрении твердого состояния движение частиц будет похоже на вибрацию.
В качестве двигающихся частиц не всегда выступают молекулы. В чистых веществах атомы не собираются в молекулы, в них при нагревании, двигаться будут сами атомы.
Чем выше температура, тем движение частиц быстрее. А чем температура ниже, тем скорость у частиц ниже.
Существует нижний придел температуры, так называемый абсолютный ноль, при котором частицы полностью прекращают свое движение это -273,15 градусов по Цельсию. И верхний придел температуры, так называемая Планковская температура это 1,416 784×10 в тридцать второй степени, с таким количеством нулей без разницы по какой шкале мерить Цельсием или Кельвином. При такой температуре, движение частиц достигает максимально возможного максимума. Как самая высокая, так и самая низкая отметки, являются теоретическими и для человека считаются не достижимыми.
Холода как отдельного явления не существует. Холод это либо полное отсутствие тепла, или его недостаточность для комфортного существования людей. Понятие холод является субъективным, и сильно зависит от того кто задаётся этим вопросом. В большинстве случаев это человек, и для него холодом принято называть температуру, при которой замерзает вода. Я думаю, что если бы существовали формы жизни, состоящие на 60% не из воды, а к примеру из, метана. То для них понятие холод сместилось бы на 100 градусов в сторону абсолютного нуля.
Если вам понравилась статья, ставьте лайк, подписывайтесь на канал оставляйте комментарии и читайте другие мои публикации.