Даже странно, что эти вопросы задал ребёнок. Тем не менее, это так. Я лишь переформулировала их по-взрослому, поскольку в детской нелогичной формулировке у меня не получилось запомнить. Во "взрослой" же формулировке, какая приведена в моей статье, я рада была бы таким вопросам даже от старших школьников. А последнему - даже от студентов. Вопросы касаются и нуля по Цельсию, и абсолютного нуля. Ребенок знает, что абсолютный ноль - это минус 273 градуса Цельсия, и что он недостижим.
Итак, вот эти вопросы:
- При нуле градусов Цельсия лёд тает, вода замерзает. Как определить, что будет, лёд или вода?
- Как нашли температуру абсолютного нуля, если он недостижим?
- На сколько градусов приблизились к абсолютному нулю?
- Значит ли, что при температуре десятая доля кельвина скорость молекул будет равна 1 километр в час?
- Если есть максимум скорости, то почему нет максимума температуры? Молекулы ведь не могут разогнаться до скорости света!
Весь этот пучок вопросов задал мне сын за обедом, и сразу же получил на них ответ. Я отвечала быстро, много времени думать не было.
Вот мои ответы:
1. Как определить, что будет, лёд или вода?
Зависит от условий. Если в комнату с нулевой температурой внести лёд, он не растает, останется льдом. А если внести воду, она не замерзнет, останется водой. Чтобы лед растаял, нужен подвод тепла, и наоборот, чтобы вода замерзла, нужен отвод тепла. При строгом нуле нет ни того, ни другого. Но в природе строгого нуля практически не бывает. Весной температура становится чуть выше нуля, и лед тает. Осенью - ниже нуля, вода превращается в лед.
2. Как нашли температуру абсолютного нуля, если он недостижим?
Охлаждали газ и измеряли его давление. Чем ниже температура, тем ниже давление, получился график прямой линии. Эту прямую линию продолжили до нуля давления, и оказалось, что это происходит при температуре минус 273 градуса по Цельсию. Эту температуру и назвали абсолютным нулём. Есть и другие эксперименты, позволяющие найти абсолютный ноль по графику.
Речь идет об экспериментальном графике закона Шарля, который хорошо известен десятиклассникам, изучающим физику. Вот выдержка из учебника.
Аналогичный график есть и для закона Гей-Люссака - зависимость объема газа от температуре при постоянном давлении. Ребёнку я конкретные законы не называла.
3. На сколько градусов приблизились к абсолютному нулю?
Я точно не знаю. Наверное где-то десятые доли градуса.
У меня оказались устаревшие сведения. В 2021 году ученым удалось охладить атомы до 38 пикокельвинов (10⁻¹² К). Ребенку я об этом не сказала, поскольку он начал спрашивать про десятые доли градуса. Доли градуса у нас только на медицинском термометре, поэтому привела в пример его.
4. Значит ли, что при температуре десятая доля кельвина скорость молекул будет равна 1 километр в час?
Нет, скорость молекул определяется не только температурой, но и массой молекул. Тяжелые молекулы летают медленнее, легкие - быстрее. Легкие молекулы, например водород, даже при такой малой температуре летают с большими скоростями.
Если бы у меня было настроение, посчитала бы ему среднеквадратичную скорость какой-нибудь молекулы. Формула имеется. Но было очень лень. До 10 класса дорастёт, сам посчитает. Время быстро летит!
5. Если есть максимум скорости, то почему нет максимума температуры? Молекулы ведь не могут разогнаться до скорости света!
Температура определяется не точно скоростью, а энергией молекул. Чем больше скорость, тем больше энергия. Но при приближении к скорости света энергия будет возрастать бесконечно, и температура тоже стремится к бесконечности. На практике с такими молекулами не встречались, и какого-то конкретного ограничения температуры нет.
В целом ребёнок удовлетворился ответами и занялся своими делами.
Вечером за чаем рассказала мужу об этих детских вопросах. Муж - доктор наук, профессор - ответил на эти вопросы буквально в одном-двух словах.
Вот его ответы:
1. Как определить, что будет, лёд или вода при нуле по Цельсию?
Гистерезис.
2. Как нашли температуру абсолютного нуля, если он недостижим?
Экстраполяция.
3. На сколько градусов приблизились к абсолютному нулю?
Милликельвины.
Здесь он ближе подошёл к современному значению, чем я. И видимо, речь идет не о рекордах, а о стабильно работающих установках.
4. Значит ли, что при температуре десятая доля кельвина скорость молекул будет равна 1 километр в час?
Зависит от массы.
5. Если есть максимум скорости, то почему нет максимума температуры? Молекулы ведь не могут разогнаться до скорости света!
Распределение Максвелла - скорость света маловероятна.
Здесь мы с мужем разошлись в интерпретациях - я сразу вспомнила теорию относительности, а он - вероятность. В реальности и тот, и другой фактор имеют место.
Конечно, в статье формата "детских вопросов" я много подробностей упускаю. Подробно о температуре пишут и монографии, и книги. Например, для школьников есть книга А.Я. Смородинского "Температура" из серии "Библиотечка Квант". В этой книге нет современных данных о приближении к абсолютному нулю, но есть ответы на большинство концептуальных вопросов, и увлекательная история этого понятия. А я заканчиваю свою статью.
Спасибо, что прочитали до конца! Буду рада лайкам и новым подписчикам!
