Абсолюттік температура өлшемі

Кіріспе

Абсолюттік температураның өлшемі. Термодинамикалық температура – кинетикалық теориядан немесе статистикалық механикадан ерекшеленетін, термодинамикада анықталатын шама. Термодинамикалық температураны Лорд Кельвин термодинамикада анықталған термодинамикалық жұмыс пен жылу алмасу арасындағы макроскопиялық байланыс арқылы анықтаған, бірақ 2019 жылы халықаралық келісім бойынша Кельвин атомдар, молекулалар және электрондар сияқты микроскопиялық бөлшектердің еркін қозғалысының кинетикалық энергиясының көрінісі ретінде түсінілетін құбылыстар негізінде қайта анықталды. Термодинамикалық тұрғыдан алғанда, тарихи себептерге және оның анықталу және өлшену жолына байланысты, бұл микроскопиялық кинетикалық анықтама «эмпирикалық» температура ретінде қарастырылады. Ол практикалық тұрғыдан Кельвиннің термодинамикалық температурасынан әлдеқайда дәл өлшенуге болатындықтан қабылданды. Термодинамикалық температураның нөлге тең болуы термодинамиканың үшінші заңы үшін ерекше маңызды. Дәстүр бойынша, ол температураның Кельвин шкаласында көрсетіледі, онда өлшем бірлігі – кельвин (бірлік таңбасы: K). Мысалы, 295 К температурасы 21,85 °C және 71,33 °F-қа сәйкес келеді.

Шолу

Термодинамикалық температура, SI температурасынан өзгеше, макроскопиялық Карно циклы арқылы анықталады. Термодинамикалық температура термодинамикада маңызды, себебі ол таза термодинамикалық шарттармен сипатталады. SI температурасы термодинамикалық температурадан түбегейлі түрде ерекшеленеді. Термодинамикалық температура атомдар, молекулалар және электрондар сияқты микроскопиялық бөлшектер туралы білім пайда болғанға дейін қатаң түрде анықталған. Халықаралық бірліктер жүйесі (SI) температураны өлшеу үшін халықаралық абсолюттік шкаланы және шкала бойындағы нақты мәндер үшін өлшем бірлігі – кельвинды (бірлік таңбасы: K) белгілейді. Кельвин температура аралықтарын (екі температура арасындағы айырмашылық немесе арақашықтық) келесі мысал сияқты қолдануға болады: “60/40 қалайы/қорғасын қоспасы эвтектикалық емес және қатаятын кезінде 5 кельвин диапазонында пластикалық қасиеттер көрсетеді”. Бір градус Цельсий температура аралығы кельвинмен бірдей шамада болады. Кельвиннің шамасы 2019 жылы термодинамикалық температураның негізгі физикалық қасиеті – атомдық еркін бөлшектердің қозғалысының кинетикалық энергиясымен байланысты қайта анықталды. Қайта анықтауда Болцман тұрақтысы нақты 1.380649 (Дж/К) деп бекітілді. Материалдық заттарға температураны беретін микроскопиялық қасиетті идеал газ заңы арқылы қарастыруға болады, ол Болцман тұрақтысына сәйкес, жылу энергиясының белгілі газдың қысымы мен температурасындағы нақты өзгерістерді қалай тудыратынын көрсетеді. Бұның себебі гелий және аргон сияқты моноатомдық газдар кинетикалық тұрғыдан толық серпімді және шар тәрізді бильярд шарлары сияқты еркін қозғалады, олар материядағы мүмкін қозғалыстардың белгілі бір жиынтығында ғана қозғалады: ол үш трансляциялық еркіндік дәрежесін қамтиды. Трансляциялық еркіндік дәрежелері – бұл 3D кеңістіктің X, Y және Z осьтері бойындағы бильярд шарлары сияқты таныс қозғалыстар (1-суретті қараңыз). Сондықтан асыл газдардың барлығының атомдық жылу сыйымдылығы бірдей және ол барлық газдардың арасындағы ең төменгі мән. Молекулалар (екі немесе одан көп химиялық байланыстағы атомдар) ішкі құрылымына ие, сондықтан оларда қосымша ішкі еркіндік дәрежелері бар (3-суретті қараңыз), бұл молекулаларды температураның кез келген деңгейдегі өсуіне моноатомдық газдарға қарағанда көбірек жылу энергиясын сіңіруге мәжбүр етеді. Жылу энергиясы барлық қол жетімді еркіндік дәрежелерінде пайда болады; бұл эквипарция теоремасына сәйкес келеді, сондықтан барлық қол жетімді ішкі еркіндік дәрежелері олардың үш сыртқы еркіндік дәрежелерімен бірдей температураға ие. Алайда, барлық газдарға қысымды беретін қасиет, яғни газ бөлшектерінің кері соққысынан туындаған контейнердегі бірлік ауданына шаққандағы күш, еркін қозғалатын атомдар мен молекулалардың үш трансляциялық еркіндік дәрежесіндегі кинетикалық энергияның функциясы болып табылады. Болцман тұрақтысын нақты мәнге бекіту, сондай-ақ басқа ережелерді қабылдау, SI температурасының бірлік аралығы – кельвиннің шамасын асыл газдардың орташа кинетикалық мінез-құлқы тұрғысынан дәл анықтауға әкелді. Сонымен қатар, термодинамикалық температура шкаласының бастапқы нүктесі – абсолюттік нөл, үлгідегі орташа кинетикалық энергияның жоқтығын көрсететін нүкте ретінде расталды; қалған жалғыз бөлшектердің қозғалысы нөлдік нүкте энергиясына байланысты кездейсоқ дірілдерден тұрады.

Thermodynamic temperature, as distinct from SI temperature, is defined in terms of a macroscopic Carnot cycle. Thermodynamic temperature is of importance in thermodynamics because it is defined in purely thermodynamic terms. SI temperature is conceptually far different from thermodynamic temperature. Thermodynamic temperature was rigorously defined historically long before there was a fair knowledge of microscopic particles such as atoms, molecules, and electrons. The International System of Units (SI) specifies the international absolute scale for measuring temperature, and the unit of measure kelvin (unit symbol: K) for specific values along the scale. The kelvin is also used for denoting temperature intervals (a span or difference between two temperatures) as per the following example usage: "A 60/40 tin/lead solder is non eutectic and is plastic through a range of 5 kelvins as it solidifies." A temperature interval of one degree Celsius is the same magnitude as one kelvin. The magnitude of the kelvin was redefined in 2019 in relation to the physical property underlying thermodynamic temperature: the kinetic energy of atomic free particle motion. The redefinition fixed the Boltzmann constant at precisely 1.380649 (J/K). The microscopic property that imbues material substances with a temperature can be readily understood by examining the ideal gas law, which relates, per the Boltzmann constant, how heat energy causes precisely defined changes in the pressure and temperature of certain gases. This is because monatomic gases like helium and argon behave kinetically like freely moving perfectly elastic and spherical billiard balls that move only in a specific subset of the possible motions that can occur in matter: that comprising the three translational degrees of freedom. The translational degrees of freedom are the familiar billiard ball like movements along the X, Y, and Z axes of 3D space (see Fig. 1, below). This is why the noble gases all have the same specific heat capacity per atom and why that value is lowest of all the gases. Molecules (two or more chemically bound atoms), however, have internal structure and therefore have additional internal degrees of freedom (see Fig. 3, below), which makes molecules absorb more heat energy for any given amount of temperature rise than do the monatomic gases. Heat energy is born in all available degrees of freedom; this is in accordance with the equipartition theorem, so all available internal degrees of freedom have the same temperature as their three external degrees of freedom. However, the property that gives all gases their pressure, which is the net force per unit area on a container arising from gas particles recoiling off it, is a function of the kinetic energy borne in the freely moving atoms' and molecules' three translational degrees of freedom. Fixing the Boltzmann constant at a specific value, along with other rule making, had the effect of precisely establishing the magnitude of the unit interval of SI temperature, the kelvin, in terms of the average kinetic behavior of the noble gases. Moreover, the starting point of the thermodynamic temperature scale, absolute zero, was reaffirmed as the point at which zero average kinetic energy remains in a sample; the only remaining particle motion being that comprising random vibrations due to zero point energy.

Температураның абсолютті нөлдік деңгейі

Температура шкалалары сандық болып табылады. Температура шкаласының сандық нөл температураның абсолюттік нөлімен байланысты емес. Дегенмен, кейбір температура шкалаларының сандық нөлдері температураның абсолюттік нөліне сәйкес келеді. Мысал ретінде Халықаралық SI температура шкаласы, Ранкин температура шкаласы және термодинамикалық температура шкаласы келтіріледі. Басқа температура шкалаларының сандық нөлдері температураның абсолюттік нөлінен қашық. Мысалы, Фаренгейт шкаласы және Цельсий шкаласы. Термодинамикалық температураның нөлдік нүктесінде, абсолюттік нөлде, материяның құрауыш бөлшектері ең аз қозғалысқа ие және одан суыну мүмкін емес. Абсолюттік нөл, яғни нөл Кельвин (0 К), дәл –273,15 °C және –459,67 °F-қа тең. Абсолюттік нөлдегі материяның қалған орташа кинетикалық энергиясы жоқ, ал бөлшектердің қалған қозғалысы ZPE (нөлдік нүкте энергиясы) деп аталатын кванттық механикалық құбылысқа байланысты. Мысалы, егер сұйық гелийдің ыдысы дәл абсолюттік нөлде болса, ондағы атомдар нөлдік нүкте энергиясының әсерінен сәл қимылдай береді, бірақ теориялық тұрғыдан кемелді жылу машинасы осындай гелийді жұмыс сұйықтығы ретінде пайдаланып, ешқандай таза кинетикалық энергияны (жылу энергиясын) екінші жұмыс сұйықтығына беруге және термодинамикалық жұмыс атқаруға мүмкіндік алмайды. Температура, әдетте, температураның материяның көлемі немесе қысымы сияқты басқа физикалық қасиеттерімен өзара байланысын ғылыми тұрғыдан зерттегенде абсолюттік шарттарда көрсетіледі (Гей-Люссак заңына қараңыз) немесе оның сәулеленуінің толқын ұзындығы. Абсолюттік температура химиялық реакциялардың жылдамдығын есептеу кезінде де пайдалы (Аррениус теңдеуін қараңыз). Сонымен қатар, абсолюттік температура криогеника және суперөткізгіштік сияқты байланысты құбылыстарда қолданылады, мысалы: "Танталдың 4,4924 Кельвиндегі ауысу температурасы (T) гелийдің 4,2221 К қайнау нүктесінен сәл жоғары".

Temperature scales are numerical. The numerical zero of a temperature scale is not bound to the absolute zero of temperature. Nevertheless, some temperature scales have their numerical zero coincident with the absolute zero of temperature. Examples are the International SI temperature scale, the Rankine temperature scale, and the thermodynamic temperature scale. Other temperature scales have their numerical zero far from the absolute zero of temperature. Examples are the Fahrenheit scale and the Celsius scale. At the zero point of thermodynamic temperature, absolute zero, the particle constituents of matter have minimal motion and can become no colder. Absolute zero, which is a temperature of zero kelvins (0 K), precisely corresponds to −273.15 °C and −459.67 °F. Matter at absolute zero has no remaining transferable average kinetic energy and the only remaining particle motion is due to an ever pervasive quantum mechanical phenomenon called ZPE (zero point energy). Though the atoms in, for instance, a container of liquid helium that was precisely at absolute zero would still jostle slightly due to zero point energy, a theoretically perfect heat engine with such helium as one of its working fluids could never transfer any net kinetic energy (heat energy) to the other working fluid and no thermodynamic work could occur. Temperature is generally expressed in absolute terms when scientifically examining temperature's interrelationships with certain other physical properties of matter such as its volume or pressure (see Gay Lussac's law), or the wavelength of its emitted black body radiation. Absolute temperature is also useful when calculating chemical reaction rates (see Arrhenius equation). Furthermore, absolute temperature is typically used in cryogenics and related phenomena like superconductivity, as per the following example usage:
"Conveniently, tantalum's transition temperature (T) of 4.4924 kelvin is slightly above the 4.2221 K boiling point of helium."

Болцман тұрақтысы

Болцман тұрақтысы және оған қатысты формулалар бөлшектер кинетикасы мен жылдамдық векторлары саласын сипаттайды, ал ZPE (нөлдік нүкте энергиясы) – кванттық механика математикасымен сипатталатын тәсілдермен бөлшектерді қоздыратын энергия өрісі. Газдардағы атомдық және молекулалық соқтығысуларда ZPE серіккің кинетикасына белгілі бір дәрежеде хаос, яғни болжау мүмкін емес жағдай тудырады; белгілі бір соқтығысудан кейін ZPE-нің әсерінен бөлшектердің қозғалысы азаюы да мүмкін. ZPE-нің кездейсоқ сипаты газдардың кез келген маңызды көлемінің (статистикалық тұрғыдан мағыналы бөлшектер санының) қысымына немесе көлеміне ешқандай жалпы әсер етпеуіне себеп болады. Дегенмен, температура 1=T = 0 конденсатталған заттарда, мысалы, қатты және сұйық заттарда, ZPE атомдар толығымен қозғалмайтын жағдайда атомдар арасында қозғалыс тудырады. ZPE-нің заттарға тигізетін нақты әсері термодинамикалық жүйені өзгертуге байланысты өзгеруі мүмкін (мысалы, ZPE-нің салдарынан гелий кем дегенде 2,5 МПа (25 бар) қысымда ғана қатаяды), сондықтан ZPE – бұл жылу энергиясының бір түрі және заттың ішкі энергиясын есептегенде оны дұрыс ескеру қажет.

Ранкин шкаласы

Тарих бойына көптеген температура шкалалары болғанмен, термодинамикалық температураны өлшеу үшін екі ғана шкала бар, мұнда абсолюттік нөл олардың бастапқы нүктесі (0): Кельвин шкаласы және Ранкин шкаласы. Қазіргі заманғы өлшеулер Халықаралық бірліктер жүйесі арқылы жасалатын ғылыми әлемде термодинамикалық температура Кельвин шкаласымен өлшенеді. Ранкин шкаласы АҚШ-тағы британдық инженерлік бірліктерінің бөлігі болып табылады және кейбір инженерлік салаларда, әсіресе ескі анықтамалық еңбектерде қолданылады. Ранкин шкаласы өз бірлігі ретінде градус Ранкин (символ: °R) қолданады, ол градус Фаренгейтпен (символ: °F) бірдей шамада. Бір кельвиннің бірлік арттымы дәл 1,8 есе бір градус Ранкинге тең; демек, Кельвин шкаласындағы белгілі бір температураны Ранкин шкаласына аудару үшін, ал Ранкин шкаласындағы температураны Кельвин шкаласына аудару үшін қолданылады. Нәтижесінде, абсолюттік нөл екі шкала бойынша да "0" болып табылады, бірақ судың мұз тәрізді еру нүктесі (0 °C және 273,15 K) 491,67 °R құрайды. Температура аралықтарын (екі температура арасындағы айырма немесе аралық) түрлендіру үшін жоғарыдағы абзацтағы формулалар қолданылады; мысалы, 5 кельвин диапазоны дәл 9 градус Ранкин диапазонына тең.

Келвиннің қазіргі заманғы қайта анықталуы

65 жыл бойы, 1954 жылдан бастап 2019 жылы СИ негізгі бірліктерінің қайта анықталуына дейін, бір кельвин температура аралығы судың үштік нүктесі мен абсолюттік нөл арасындағы айырмашылық ретінде анықталды. 1954 жылғы Халықаралық салмақтар мен өлшемдер бюросының (француз тіліндегі аббревиатурасы BIPM) қаулысы, сондай-ақ кейінгі қаулылар мен жарияланымдар судың үштік нүктесін дәл 273,16 К деп белгіледі және бұрынғы келісімдерге сәйкес (атап айтқанда, 0 °C судың қату нүктесі ретінде ұзақ уақыттан бері анықталған және судың үштік нүктесі 0,01 °C-қа жақын екендігі экспериментальды түрде анықталған), Цельсий шкаласы мен Кельвин шкаласы арасындағы айырмашылық 273,15 кельвинге тең деп қабылданады; яғни, 0 °C 273,15 кельвинге сәйкес келеді. Осы және кейінгі қаулылардың екі маңызды салдары болды: 1) абсолюттік нөл дәл 0 К ретінде анықталды және 2) Вена стандарттық орташа мұхит суы деп аталатын, арнайы изотоптық бақылаудағы судың үштік нүктесі дәл 273,16 К және 0,01 °C температурада орналасқандығы анықталды. Аталған қаулылардың бір салдары – судың қату нүктесі 273,15 К және 0 °C-қа өте жақын болғанымен, нақтылы мән емес және дәл өлшемдер арқылы нақтылауға жатады. 1954 жылғы BIPM стандарты судың үштік нүктесі мен қату нүктесі арасындағы температураларды, су үлгілері арасындағы изотоптық айырмашылықтар ескеріле отырып, жақсы анықтады, бірақ үштік нүкте мен абсолюттік нөл арасындағы аралық мәндерді, сондай-ақ бөлме температурасынан жоғары мәндерді жеке зертханалардағы құралдар мен процедуралар арқылы экспериментальды түрде анықтауды талап етті. Бұл кемшілік 1990 жылғы Халықаралық температура шкаласы (ITS90) арқылы шешілді, ол 13 қосымша нүктені 13,8033 К-ден 1,357,77 К-ге дейін анықтады. ITS90 анықтамалық болғанымен, кейбір қиындықтарды тудырды және олар әлі де бар, себебі оның сегіз экстраполяцияланған мәні металл үлгілерінің қату немесе балқу нүктелеріне байланысты, олардың қасиеттерінің өзгеруіне (әдетте төмендеуіне) әкеспеу үшін өте таза болуы керек. 2019 жылғы СИ негізгі бірліктерінің қайта анықталуының басты мақсаты – СИ жүйесінің анықтамалық негіздерінің көп бөлігін килограмнан ажырату болды, ол СИ негізгі бірлігін анықтайтын соңғы физикалық артефакт (Франциядағы сейфте үш қабатты қоңырау сауытында сақталатын платина/иридий цилиндрі) және оның тұрақтылығы күмәнді болды. Бұл үшін төрт физикалық тұрақтыны, оның ішінде Болцман тұрақтысын анықтамалық түрде бекіту қажет болды. Болцман тұрақтысына нақты мән беру қазіргі заманғы термометрияға ешқандай әсер етпеді, тек ең жоғары дәлдіктегі өлшемдерде ғана. Қайта анықталуға дейін судың үштік нүктесі дәл 273,16 К және 0,01 °C болды, ал Болцман тұрақтысы экспериментальды түрде 1,38064903-ке тең деп анықталды, мұндағы "(51)" екі соңғы маңызды цифрдың (03) белгісіздігін көрсетеді және 0,37 ppm салыстырмалы стандартты белгісіздікке тең. Кейіннен Болцман тұрақтысын дәл 1,380649 деп анықтау арқылы 0,37 ppm белгісіздік судың үштік нүктесіне көшті, ол 273,1600 (0,0100) экспериментальды анықталған мәнге айналды. СИ қайта анықталуынан кейін судың үштік нүктесінің 273,16 К-қа өте жақын болуы кездейсоқ емес; Болцман тұрақтысының соңғы мәні, ішінара, судың үштік нүктесін негізгі эталондық температура ретінде пайдаланған аргон және гелиймен жасалған зерделі эксперименттер арқылы анықталды. 2019 жылғы қайта анықталуға қарамастан, судың үштік нүктелі элементтері қазіргі термометрияда 273,16 К және 0,01 °C температурада өте дәл калибрлеу эталондары ретінде қолданылуда. Сонымен қатар, судың үштік нүктесі ITS90 құрамына кіретін 14 калибрлеу нүктесінің бірі болып табылады, ол сутегінің үштік нүктесінен (13,8033 К) мыстың қату нүктесіне (1,357,77 К) дейін, термодинамикалық температураның шамамен жүз еселік диапазонына дейін жатады.

For 65 years, between 1954 and the 2019 redefinition of the SI base units, a temperature interval of one kelvin was defined as the difference between the triple point of water and absolute zero. The 1954 resolution by the International Bureau of Weights and Measures (known by the French language acronym BIPM), plus later resolutions and publications, defined the triple point of water as precisely 273.16 K and acknowledged that it was "common practice" to accept that due to previous conventions (namely, that 0 °C had long been defined as the melting point of water and that the triple point of water had long been experimentally determined to be indistinguishably close to 0.01 °C), the difference between the Celsius scale and Kelvin scale is accepted as 273.15 kelvins; which is to say, 0 °C corresponds to 273.15 kelvins. The net effect of this as well as later resolutions was twofold: 1) they defined absolute zero as precisely 0 K, and 2) they defined that the triple point of special isotopically controlled water called Vienna Standard Mean Ocean Water occurred at precisely 273.16 K and 0.01 °C. One effect of the aforementioned resolutions was that the melting point of water, while very close to 273.15 K and 0 °C, was not a defining value and was subject to refinement with more precise measurements. The 1954 BIPM standard did a good job of establishing—within the uncertainties due to isotopic variations between water samples—temperatures around the freezing and triple points of water, but required that intermediate values between the triple point and absolute zero, as well as extrapolated values from room temperature and beyond, to be experimentally determined via apparatus and procedures in individual labs. This shortcoming was addressed by the International Temperature Scale of 1990, or ITS90, which defined 13 additional points, from 13.8033 K, to 1,357.77 K. While definitional, ITS90 had—and still has—some challenges, partly because eight of its extrapolated values depend upon the melting or freezing points of metal samples, which must remain exceedingly pure lest their melting or freezing points be affected—usually depressed. The 2019 redefinition of the SI base units was primarily for the purpose of decoupling much of the SI system's definitional underpinnings from the kilogram, which was the last physical artifact defining an SI base unit (a platinum/iridium cylinder stored under three nested bell jars in a safe located in France) and which had highly questionable stability. The solution required that four physical constants, including the Boltzmann constant, be definitionally fixed. Assigning the Boltzmann constant a precisely defined value had no practical effect on modern thermometry except for the most exquisitely precise measurements. Before the redefinition, the triple point of water was exactly 273.16 K and 0.01 °C and the Boltzmann constant was experimentally determined to be 1.38064903, where the "(51)" denotes the uncertainty in the two least significant digits (the 03) and equals a relative standard uncertainty of 0.37 ppm. Afterwards, by defining the Boltzmann constant as exactly 1.380649, the 0.37 ppm uncertainty was transferred to the triple point of water, which became an experimentally determined value of 273.1600 (0.0100). That the triple point of water ended up being exceedingly close to 273.16 K after the SI redefinition was no accident; the final value of the Boltzmann constant was determined, in part, through clever experiments with argon and helium that used the triple point of water for their key reference temperature. Notwithstanding the 2019 redefinition, water triple point cells continue to serve in modern thermometry as exceedingly precise calibration references at 273.16 K and 0.01 °C. Moreover, the triple point of water remains one of the 14 calibration points comprising ITS90, which spans from the triple point of hydrogen (13.8033 K) to the freezing point of copper (1,357.77 K), which is a nearly hundredfold range of thermodynamic temperature.

Трансляциялық қозғалыстың жоғары жылдамдықтары

Трансляциялық қозғалыстарды тікелей анықтау үшін өте арнайы зертханалық жабдықтар қажет болса да, сұйықтықтағы шашыраңқы бөлшектерге атомдар немесе молекулалардың соқтығысуы Браун қозғалысын тудырады, оны қарапайым микроскоппен көруге болады. Элементар бөлшектердің трансляциялық қозғалыстары өте жылдам, ал оларды тікелей байқау үшін абсолютті нөлге жақын температуралар қажет. Мысалы, 1994 жылы NIST ғалымдары 700 нК (кельвиннің миллиардтан бір бөлігі) суық температураны орнату бойынша рекордты деңгейге жеткенде, цезий атомдарын адиабатикалық түрде салқындату үшін оптикалық торлы лазерлік жабдықты қолданды. Содан кейін олар тұрақтандыру лазерлерін өшіріп, атомдардың секундтына 7 мм жылдамдығын өлшеді, осы мәліметтерді температурасын есептеу үшін пайдаланды. Трансляциялық қозғалыстың жылдамдығы мен энергиясын есептеу формулалары келесі ескертуде келтірілген. Кинетикалық температураға байланысты атомдық қозғалыстарды қиындату қиын емес, сондай-ақ мұндай қозғалыстар мен нөлдік нүктелік энергияға байланысты қозғалыстарды ажырату да оңай. Келесі гипотетикалық ой экспериментін қарастырыңыз, сурет 2.5-те көрсетілгендей, абсолютті нөлге өте жақын атоммен. Оптикалық микроскопты 400 есе үлкейтуге орнатылған күйінде қарап тұрыңыз, бұл оптикалық микроскоптар үшін ең жоғары практикалық үлкейту шамасы. Мұндай микроскоптар көбінесе диаметрі 0,4 мм-ден сәл астам көру өрісін қамтамасыз етеді. Көру өрісінің ортасында бір ғана левитацияланған аргон атомы (аргон ауаның 0,93% құрайды) орналасқан, ол қараңғы фонға қарсы жарықтандырылып, жарқырайды. Егер бұл аргон атомы абсолютті нөлден триллиондық кельвиннің бір бөлігімен жоғарырақ болса және оң жаққа қарай, көру өрісіне перпендикуляр қозғалса, суреттің ортасынан 200 микрондық белгіге дейін қозғалу үшін 13,9 секунд қажет болар еді; бұл қашықтық қазіргі заманғы компьютерлік мониторлардағы осы сөйлемнің соңындағы нүктенің енімен шамалас. Аргон атомы баяу қозғалғанда, нөлдік нүктелік энергияға байланысты позициялық тербеліс оптикалық микроскоптың 200 нанометрлік (0,0002 мм) ажыратымдылығынан әлдеқайда төмен болады. Маңыздысы, атомның секундтына 14,43 микрон жылдамдығы абсолютті нөлге дәл келмеуіне байланысты оның барлық сақталған кинетикалық энергиясын құрайды. Егер атом абсолютті нөлде болса, нөлдік нүктелік энергияға байланысты сезілмейтін қозғалыс оны сәл ғана ауытқытуы мүмкін, бірақ атом көрініс өрісінде орташа есеппен бір жерде орналасқан болар еді. Бұл моторы өшірілген қайыққа ұқсас, ол салыстырмалы түрде тыныш және желсіз мұхит суларында сәл қозғалады; қайық кездейсоқ бұрылып жүргенімен, ол ұзақ мерзімде сол жерде қалады және су арқылы жылдамдыққа ие болмайды. Осыған сәйкес, абсолютті нөлде дәл тұрған атом "қозғалыссыз" болмайды, бірақ мұндай атомдардың статистикалық маңызды жиынтығында басқа атомдар жиынтығына беруге нөлдік таза кинетикалық энергия болады. Себебі, екінші атомдар жиынтығының кинетикалық температурасына қарамастан, олар да нөлдік нүктелік энергияның әсерін сезінеді. Бұл статистикалық механиканың және термодинамиканың салдары.

Although very specialized laboratory equipment is required to directly detect translational motions, the resultant collisions by atoms or molecules with small particles suspended in a fluid produces Brownian motion that can be seen with an ordinary microscope. The translational motions of elementary particles are very fast and temperatures close to absolute zero are required to directly observe them. For instance, when scientists at the NIST achieved a record setting cold temperature of 700 nK (billionths of a kelvin) in 1994, they used optical lattice laser equipment to adiabatically cool cesium atoms. They then turned off the entrapment lasers and directly measured atom velocities of 7 mm per second to in order to calculate their temperature. Formulas for calculating the velocity and speed of translational motion are given in the following footnote. It is neither difficult to imagine atomic motions due to kinetic temperature, nor distinguish between such motions and those due to zero point energy. Consider the following hypothetical thought experiment, as illustrated in Fig. 2.5 at left, with an atom that is exceedingly close to absolute zero. Imagine peering through a common optical microscope set to 400 power, which is about the maximum practical magnification for optical microscopes. Such microscopes generally provide fields of view a bit over 0.4 mm in diameter. At the center of the field of view is a single levitated argon atom (argon comprises about 0.93% of air) that is illuminated and glowing against a dark backdrop. If this argon atom was at a beyond record setting one trillionth of a kelvin above absolute zero, and was moving perpendicular to the field of view towards the right, it would require 13.9 seconds to move from the center of the image to the 200 micron tick mark; this travel distance is about the same as the width of the period at the end of this sentence on modern computer monitors. As the argon atom slowly moved, the positional jitter due to zero point energy would be much less than the 200 nanometer (0.0002 mm) resolution of an optical microscope. Importantly, the atom's translational velocity of 14.43 microns per second constitutes all its retained kinetic energy due to not being precisely at absolute zero. Were the atom precisely at absolute zero, imperceptible jostling due to zero point energy would cause it to very slightly wander, but the atom would perpetually be located, on average, at the same spot within the field of view. This is analogous to a boat that has had its motor turned off and is now bobbing slightly in relatively calm and windless ocean waters; even though the boat randomly drifts to and fro, it stays in the same spot in the long term and makes no headway through the water. Accordingly, an atom that was precisely at absolute zero would not be "motionless", and yet, a statistically significant collection of such atoms would have zero net kinetic energy available to transfer to any other collection of atoms. This is because regardless of the kinetic temperature of the second collection of atoms, they too experience the effects of zero point energy. Such are the consequences of statistical mechanics and the nature of thermodynamics.

Молекулалардың ішкі қозғалысы және ішкі энергия

Жоғарыда айтылғандай, молекулалардың кинетикалық температурасына әсер ететін үш трансляциялық еркіндік дәрежесінен басқа да қозғалыс түрлері болуы мүмкін. Оң жақтағы анимацияда көрсетілгендей, молекулалар күрделі объектілер; олар атомдар жиынтығы және жылулық тербеліс олардың ішкі химиялық байланыстарын үш түрлі жолмен деформациялай алады: айналу, байланыс ұзындығының және байланыс бұрышының өзгеруі арқылы; бұлардың барлығы ішкі еркіндік дәрежелерінің түрлері. Бұл молекулаларды гелий және аргон сияқты моноатомдық заттардан (жеке атомдардан тұратын) ерекшелендіреді, олар тек үш трансляциялық еркіндік дәрежесіне (X, Y және Z осьтері) ие. Кинетикалық энергия молекулалардың ішкі еркіндік дәрежелерінде сақталады, бұл оларға ішкі температураны береді. Бұл қозғалыстар "ішкі" деп аталғанымен, молекулалардың сыртқы бөліктері де қозғалады, су шарының қозғалысына ұқсас. Бұл ішкі және трансляциялық қозғалыстар арасында кинетикалық энергияның екі тараптан алмасуына мүмкіндік береді. Сәйкесінше, молекулалардан ішкі энергия алынғанда, олардың кинетикалық температурасы (трансляциялық қозғалыстың кинетикалық энергиясы) және ішкі температурасы бірдей пропорцияда төмендейді. Бұл құбылыс тең бөлісу теоремасымен сипатталады, онда тепе-теңдіктегі заттың кез келген көлемі үшін бөлшектердің қозғалысының кинетикалық энергиясы бөлшектерге қол жетімді барлық белсенді еркіндік дәрежелеріне тең бөлінеді. Молекулалардың ішкі температурасы көбінесе олардың кинетикалық температурасына тең болғандықтан, бұл айырмашылық көбінесе жасану, қатты денелердің сублимациясы және ыстық газдардың жартылай вакуумде таралуы сияқты жергілікті емес термодинамикалық тепе-теңдік (LTE) құбылыстарын зерттеуде маңызды. Молекулалардағы ішкі сақталған кинетикалық энергия заттардың кез келген температурада көбірек жылу энергиясын ұстауына және температураның өсуіне байланысты қосымша ішкі энергияны сіңіруіне себеп болады. Өйткені, белгілі бір сәтте ішкі қозғалысқа байланысқан кинетикалық энергия сол сәтте молекулалардың трансляциялық қозғалысына үлес қоспайды. Бұл қосымша кинетикалық энергия температураның өсуі кезінде заттың сіңіретін ішкі энергия мөлшерін арттырады. Бұл қасиет заттың меншікті жылу сыйымдылығы деп аталады. Әртүрлі молекулалар температураның әр өзгеруіне ішкі энергияның әртүрлі мөлшерін сіңіреді, яғни олардың әртүрлі меншікті жылу сыйымдылығы бар. Жоғары меншікті жылу сыйымдылығы, ішінара, кейбір заттардың молекулалары басқаларына қарағанда көбірек ішкі еркіндік дәрежелеріне ие болғандықтан туындайды. Мысалы, бөлме температурасындағы азот, екі атомды молекула, бес белсенді еркіндік дәрежесіне ие: үш трансляциялық қозғалыс және екі ішкі айналу еркіндік дәрежесі. Тең бөлісу теоремасына сәйкес, азоттың бір молінің (молекулалардың белгілі бір саны) жылу сыйымдылығы моноатомдық газдарға қарағанда үш есе көп. Тағы бір мысал – бензин (оның меншікті жылу сыйымдылығын көрсететін кестеге қараңыз). Бензин температураның шамалы өзгеруімен бір мольге үлкен мөлшерде жылу энергиясын сіңіре алады, өйткені әр молекула орташа есеппен 21 атомнан тұрады, сондықтан оның көптеген ішкі еркіндік дәрежелері бар. Тіпті үлкен, күрделі молекулалардың да ондаған ішкі еркіндік дәрежелері болуы мүмкін.

As mentioned above, there are other ways molecules can jiggle besides the three translational degrees of freedom that imbue substances with their kinetic temperature. As can be seen in the animation at right, molecules are complex objects; they are a population of atoms and thermal agitation can strain their internal chemical bonds in three different ways: via rotation, bond length, and bond angle movements; these are all types of internal degrees of freedom. This makes molecules distinct from monatomic substances (consisting of individual atoms) like the noble gases helium and argon, which have only the three translational degrees of freedom (the X, Y, and Z axis). Kinetic energy is stored in molecules' internal degrees of freedom, which gives them an internal temperature. Even though these motions are called "internal", the external portions of molecules still move—rather like the jiggling of a stationary water balloon. This permits the two way exchange of kinetic energy between internal motions and translational motions with each molecular collision. Accordingly, as internal energy is removed from molecules, both their kinetic temperature (the kinetic energy of translational motion) and their internal temperature simultaneously diminish in equal proportions. This phenomenon is described by the equipartition theorem, which states that for any bulk quantity of a substance in equilibrium, the kinetic energy of particle motion is evenly distributed among all the active degrees of freedom available to the particles. Since the internal temperature of molecules are usually equal to their kinetic temperature, the distinction is usually of interest only in the detailed study of non local thermodynamic equilibrium (LTE) phenomena such as combustion, the sublimation of solids, and the diffusion of hot gases in a partial vacuum. The kinetic energy stored internally in molecules causes substances to contain more heat energy at any given temperature and to absorb additional internal energy for a given temperature increase. This is because any kinetic energy that is, at a given instant, bound in internal motions, is not contributing to the molecules' translational motions at that same instant. This extra kinetic energy simply increases the amount of internal energy that substance absorbs for a given temperature rise. This property is known as a substance's specific heat capacity. Different molecules absorb different amounts of internal energy for each incremental increase in temperature; that is, they have different specific heat capacities. High specific heat capacity arises, in part, because certain substances' molecules possess more internal degrees of freedom than others do. For instance, room temperature nitrogen, which is a diatomic molecule, has five active degrees of freedom: the three comprising translational motion plus two rotational degrees of freedom internally. Not surprisingly, in accordance with the equipartition theorem, nitrogen has five thirds the specific heat capacity per mole (a specific number of molecules) as do the monatomic gases. Another example is gasoline (see table showing its specific heat capacity). Gasoline can absorb a large amount of heat energy per mole with only a modest temperature change because each molecule comprises an average of 21 atoms and therefore has many internal degrees of freedom. Even larger, more complex molecules can have dozens of internal degrees of freedom.

Жылу энергиясының диффузиясы: энтропия, фонондар және жылжымалы өткізгіш электрондар

Жылу өткізгіштік – жүйедегі ыстық бөліктерден суық бөліктерге жылу энергиясының таралуы. Жүйе бір тұтас дене немесе бірнеше жеке тұтас денелерден тұруы мүмкін. Бұл контексте "тұтас дене" термині статистикалық тұрғыдан маңызды мөлшердегі бөлшектерді білдіреді (бұл микроскопиялық мөлшерде болуы мүмкін). Жылу энергиясы оқшауланған жүйеде тарағанда, жүйедегі температура айырмашылығы төмендейді (ал энтропия артады). Жылу өткізгіштіктің бір механизмі – трансляциялық қозғалыс, яғни температураның негізгі себебі болып табылатын бөлшектердің қозғалысы, соқтығысу арқылы импульсті бөлшектен бөлшекке жеткізеді. Газдарда бұл трансляциялық қозғалыстар 1-суретте көрсетілгендей болады. Анимацияда көрініп тұрғандай, сериялы соқтығысулар арқылы газдың көлемінде импульс (жылу) таралады, сонымен қатар молекулалар немесе атомдар жаңа аймақтарға жылжып, өздерінің кинетикалық энергиясын алып келеді. Осының салдарынан температура айырмашылығы газдарда өте тез теңеседі – әсіресе жеңіл атомдар мен молекулалар үшін; конвекция бұл процесті одан да жылдамдатады. Дегенмен, қатты денелердегі трансляциялық қозғалыс фонондар түрінде жүзеге асады (4-суретті қараңыз). Фонондар – бұл белгілі бір заттың дыбыс жылдамдығымен қозғалатын, квантталған толқын пакеттері. Қатты денедегі фонондардың өзара әрекеттесуі оның түрлі қасиеттерін, соның ішінде жылу өткізгіштігін анықтайды. Электр оқшаулағыштарында фонондық жылу өткізгіштік көбінесе тиімсіз болады, сондықтан мұндай денелер жылу оқшаулағыштары деп есептеледі (мысалы, шыны, пластик, резеңке, керамика және тас). Бұл себебі қатты денелерде атомдар мен молекулалар өздерінің көршілеріне қатысты бекітілген және еркін қозғала алмайды. Алайда, металдар тек фонондық жылу өткізгіштікке ғана шектелмейді. Жылу энергиясы металдар арқылы өте жылдам өткізіледі, себебі молекулалар арасындағы тікелей соқтығысудың орнына, жылу энергиясының көп бөлігі өте жеңіл, жылдам өткізгіш электрондар арқылы беріледі. Сондықтан металдардың жылу өткізгіштігі мен электр өткізгіштігі арасында тығыз байланыс бар. Өткізгіш электрондар металдарға ерекше өткізгіштік қасиетін береді, себебі олар локалдалмаған (яғни, нақты бір атомға байланбаған) және нөлдік нүктелік энергияның әсерінен кванттық газ сияқты мінез-құлық көрсетеді (ZPE туралы толық ақпарат алу үшін төмендегі 1-ескертпеге қараңыз). Сонымен қатар, электрондар салыстырмалы түрде жеңіл, олардың массасы протоның 1/1836 бөлігін құрайды. Бұл шамамен .22 калибрлі оқтың (29 грамм немесе 1,88 г) оны атып шығаратын мылтыққа қатынасқан массасымен тең. Исаак Ньютонның үшінші қозғалыс заңында жазғандай,

Heat conduction is the diffusion of thermal energy from hot parts of a system to cold parts. A system can be either a single bulk entity or a plurality of discrete bulk entities. The term bulk in this context means a statistically significant quantity of particles (which can be a microscopic amount). Whenever thermal energy diffuses within an isolated system, temperature differences within the system decrease (and entropy increases). One particular heat conduction mechanism occurs when translational motion, the particle motion underlying temperature, transfers momentum from particle to particle in collisions. In gases, these translational motions are of the nature shown above in Fig. 1. As can be seen in that animation, not only does momentum (heat) diffuse throughout the volume of the gas through serial collisions, but entire molecules or atoms can move forward into new territory, bringing their kinetic energy with them. Consequently, temperature differences equalize throughout gases very quickly—especially for light atoms or molecules; convection speeds this process even more. Translational motion in solids, however, takes the form of phonons (see Fig. 4 at right). Phonons are constrained, quantized wave packets that travel at the speed of sound of a given substance. The manner in which phonons interact within a solid determines a variety of its properties, including its thermal conductivity. In electrically insulating solids, phonon based heat conduction is usually inefficient and such solids are considered thermal insulators (such as glass, plastic, rubber, ceramic, and rock). This is because in solids, atoms and molecules are locked into place relative to their neighbors and are not free to roam. Metals however, are not restricted to only phonon based heat conduction. Thermal energy conducts through metals extraordinarily quickly because instead of direct molecule to molecule collisions, the vast majority of thermal energy is mediated via very light, mobile conduction electrons. This is why there is a near perfect correlation between metals' thermal conductivity and their electrical conductivity. Conduction electrons imbue metals with their extraordinary conductivity because they are delocalized (i. e., not tied to a specific atom) and behave rather like a sort of quantum gas due to the effects of zero point energy (for more on ZPE, see Note 1 below). Furthermore, electrons are relatively light with a rest mass only 1/1836 that of a proton. This is about the same ratio as a .22 Short bullet (29 grains or 1.88 g) compared to the rifle that shoots it. As Isaac Newton wrote with his third law of motion,

Бірақ, бірдей күшпен атылғанда, оқ мылтықтан жылдам жылдамдыққа ие болады. Кенетикалық энергия жылдамдықтың квадратына пропорционалды болғандықтан, барлық кенетикалық энергия мылтыққа емес, оққа жетеді, тіпті екеуі де кеңейіп жатқан газдардан бірдей күшті сезінсе де. Сол сияқты, олардың массасы әлдеқайда аз болғандықтан, жылу энергиясы жылдам өткізгіш электрондармен оңай тасымалданады. Сонымен қатар, олар локалдалмаған және өте жылдам болғандықтан, кинетикалық жылу энергиясы металдар арқылы, онда көптеген өткізгіш электрондар бар, өте жылдам өткізіледі.

Жылу энергиясының диффузиясы: қара дене сәулесі

Жылу сәулеленуі – атомдардың әртүрлі дірілдемелі қозғалыстарынан туындайтын соқтығысулардың қосалқы өнімі болып табылады. Бұл соқтығысулар атомдардың электрондарына термиялық фотондарды (қара дене сәулеленуі деп аталады) шығаруға себеп болады. Электр заряды үдеген кезде фотондар шығарылады (мысалы, екі атомның электрондық бұлттары соқтығысқанда). Тіпті абсолюттік нөлден жоғары ішкі температурасы бар жеке молекулалар да өз атомдарынан қара дене сәулеленуін шығарады. Тепе-теңдіктегі кез келген зат мөлшерінде қара дене фотондары Планк қисығы деп аталатын қоңырау тәрізді пішіндегі спектрдегі толқын ұзындықтарының диапазонында шығарылады (5-суретті қараңыз). Планк қисығының ең жоғарғы нүктесі (максималды сәуле шығару толқын ұзындығы) қара дененің температурасына байланысты электромагниттік спектрдің белгілі бір бөлігінде орналасқан. Өте төмен температурадағы заттар ұзын радио толқындарында сәулеленеді, ал өте жоғары температурада қысқа гамма сәулелері пайда болады (құрамына кіретін температуралар кестесін қараңыз). Қара дене сәулеленуі жылу энергиясын заттың ішінде таратып, фотондар көршілес атомдарға сіңіріліп, осы процесте импульс беріледі. Қара дене фотондары заттан оңай шығып, айналадағы ортаға сіңірілуі мүмкін; бұл процесте кинетикалық энергия жоғалады. Стефан-Болцман заңына сәйкес, қара дене сәулеленуінің қарқындылығы абсолюттік температураның төртінші дәрежесімен пропорционалды түрде артады. Демек, 824 К (жарқырамайтын қызыл түске жуық) температурадағы қара дене 296 К (бөлме температурасы) температурасындағы қара денеге қарағанда 60 есе көп сәулелену қуатын шығарады. Сондықтан адамдар ыстық заттардың сәулелі жылуын алыстан оңай сезіне алады. Жоғары температурада, мысалы, шамда кездесетіндей, қара дене сәулеленуі жүйеден жылу энергиясының шығуының басты механизмі болуы мүмкін.

Термодинамикалық температуралар кестесі

Төмендегі кестеде температураның өсу реті бойынша термодинамикалық шкаланың әртүрлі нүктелері көрсетілген. КельвинҚара дене фотондарының ең жоғары сәуле шығару толқын ұзындығыАбсолюттік нөл (дәлдік бойынша анықтамасы)0 К 450 пК6,400 кмБір милликельвин (дәлдік бойынша анықтамасы)0.001 К2.897 77 м (радио, FM диапазоны) Космостық микротолқындық фондық сәулелену2.725 К1.063 мм (ең жоғары толқын ұзындығы) Судың үштік нүктесі273.16 К10.6083 мкм (ұзын толқынды И. С.) ISO 1 стандартты температурасы дәл метрология үшін (дәлдік бойынша анықтамасы 20 °C) 293.15 К9.88495 мкм (ұзын толқынды И. С.) Жарық шамНағыз қара дене үшін (вольфрам жіптері емес). Вольфрам жіптерінің эмиссивтілігі қысқа толқын ұзындықтарында жоғары, сондықтан олар ақшыл көрінеді.2500 К2500 К мәні шамамен 1.16 мкм (жақын инфрақызыл) name=ФотосфераКүннің көрінетін беті5772 К502 нм (жасыл жарық) Найзағай арнасы28000 К100 нм (алыс ультракүлгін жарық) Күннің өзегі16 МК0.18 нм (Х-сәуле) Термоядролық жарылыс (ең жоғары температура)350 МК8.3 × 10−3 нм (гамма сәулелері) Sandia Ұлттық зертханасының Z машинасыНағыз қара дене үшін (плазма емес). Z машинасының басым сәуле шығаруы плазмадағы 40 МК электрондардан (жұмсақ рентген сәулелері) туындады.2 ГК1.4 × 10−3 нм (гамма сәулелері) Жоғары массалы жұлдыздың соңғы күніндегі өзегі3 ГК1 × 10−3 нм (гамма сәулелері) Біріккен қос нейтронды жұлдыз жүйесі350 ГК8 × 10−6 нм (гамма сәулелері) Гамма сәулелерінің жарылысының бастаушылары1 ТК3 × 10−6 нм (гамма сәулелері) CERN-нің протон және ядро соқтығысулары10 ТК3 × 10−7 нм (гамма сәулелері)

Фазалық өзгерістердің жылылығы

Бөліктердің қозғалысының кинетикалық энергиясы – заттың жалпы жылу энергиясының бір бөлігі; екіншісі – фазалық ауысулар, яғни зат салқындағанда (мысалы, конденсация және қатыру кезінде) молекулалық байланыстардың потенциалдық энергиясы. Фазалық ауысуға қажетті жылу энергиясы жасырын жылу деп аталады. Бұл құбылысты кері бағытта қарастыру арқылы оңай түсінуге болады: жасырын жылу – химиялық байланыстарды бұзуға қажетті энергия (мысалы, булану және балқу кезінде). Фазалық ауысудың әсерімен барлығымыз таныспыз. Мысалы, 100 °C температурадағы бу, шашты кептіргіштен 100 °C ауаға қарағанда тез күйдіруі мүмкін. Бұл судың буға айналуынан теріде көп мөлшерде жасырын жылу бөлінеді. Фазалық ауысу кезінде жылу энергиясы босатылса немесе сіңірілсе де, таза химиялық элементтер, қосылыстар және эвтектикалық қорытпалар олармен өтетін кезде температураның өзгеруін көрсетпейді (7-суретті қараңыз, төменгі оң жақта). Фазалық ауысудың бір ерекше түрін қарастырайық: балқу. Қатты зат балқығанда кристалл тордың химиялық байланыстары бұзылады; зат реттілігі жоғары күйден реттілігі төмен күйге өтеді. 7-суретте мұздың балқуы төменгі сол жақ тіктөртбұрышта көк түстен жасыл түске дейін көрсетілген. Бір белгілі термодинамикалық нүктеде, балқу нүктесінде (су үшін кең қысым диапазонында 0 °C), барлық атомдар немесе молекулалар орташа есеппен химиялық байланыстары тордан ажырамай тұра алатын ең жоғары энергия шегінде болады. Химиялық байланыстар – «бар немесе жоқ» күштері: олар немесе берік ұсталады, немесе бұзылады; аралық жағдай жоқ. Сондықтан, зат балқу нүктесінде болғанда, қосылған әрбір жылу энергиясының джоулі тек белгілі бір мөлшердегі атомдар немесе молекулалардың байланыстарын бұзады, оларды дәл сол температурадағы сұйыққа айналдырады; трансляциялық қозғалысқа кинетикалық энергия қосылмайды (осының арқасында заттар температураға ие болады). Бұл эффект попкорнға ұқсас: белгілі бір температурада қосымша жылу энергиясы кепкенге дейін ядроны ысыта алмайды. Егер процесс кері қайтарылса (мысалы, сұйықтың қатуы), жылу энергиясы заттан алынуы керек. Жоғарыда айтылғандай, фазалық ауысуға қажетті жылу энергиясы жасырын жылу деп аталады. Балқу және қатудың нақты жағдайларында бұл балқу энтальпиясы немесе балқу жылуы деп аталады. Егер кристалл тордағы молекулалық байланыстар мықты болса, балқу жылуы салыстырмалы түрде үлкен болуы мүмкін, әдетте су мен көптеген металл элементтері үшін 1 мольге 6-30 кДж аралығында. Егер зат моноатомдық газдардың бірі болса (молекулалық байланыстарды қалыптастыруға бейім емес), балқу жылуы кішірек, 0,021-2,3 кДж/моль. Салыстырмалы түрде айтқанда, фазалық ауысулар шынымен де энергетикалық оқиғалар болуы мүмкін. 0 °C температурадағы мұзды 0 °C температурадағы суға толық балқыту үшін, сол массадағы сұйық судың температурасын 1 °C-қа көтеру үшін қажетті жылу энергиясының шамамен 80 есесін қосу керек. Металдардың арақатынасы тіпті 400-ден 1200 есеге дейін жетеді. Қайнау процесінің фазалық ауысуы қатырудан әлдеқайда күшті. Мысалы, суды толық қайнату немесе буландыру үшін қажетті энергия (булану энтальпиясы деп аталады) бір градусқа арттыру үшін қажетті энергияның шамамен 540 есесін құрайды. Судың жоғары булану энтальпиясы адамның терісі будың конденсациялануы кезінде тез күйіп кетуіне себеп болады (7-суреттегі қызылдан жасылға қарай); су булары (газ фазасы) теріде сұйытылады, осы арқылы қоршаған ортаға, соның ішінде теріге көп мөлшерде энергия (энтальпия) бөлінеді, нәтижесінде тері зақымдалады. Керісінше, терідегі сұйық су буланып кеткенде тері салқын сезіледі (бұл процесс салыстырмалы ылғалдылыққа байланысты қоршаған орта температурасынан төмен температурада жүреді); терідегі судың булануы қоршаған ортадан, соның ішінде теріден көп энергия алады, бұл тері температурасын төмендетеді. Судың жоғары энергетикалық булану энтальпиясы сонымен қатар су бассейндерін жауып тұратын күн жамылғыларының (бассейндер пайдаланылмаған кезде су бассейндерін жабатын, суға төзімді, оқшауланған жамылғылар) тиімділігіне де әсер етеді: олар булануды болдырмайды. (Басқаша айтқанда, судың булануынан энергия алу шектеулі.) Мысалы, тереңдігі 1,29 метр бассейннен тек 20 мм судың булануы оның суын 8,4 градус Цельсийге дейін салқындатады.

The kinetic energy of particle motion is just one contributor to the total thermal energy in a substance; another is phase transitions, which are the potential energy of molecular bonds that can form in a substance as it cools (such as during condensing and freezing). The thermal energy required for a phase transition is called latent heat. This phenomenon may more easily be grasped by considering it in the reverse direction: latent heat is the energy required to break chemical bonds (such as during evaporation and melting). Almost everyone is familiar with the effects of phase transitions; for instance, steam at 100 °C can cause severe burns much faster than the 100 °C air from a hair dryer. This occurs because a large amount of latent heat is liberated as steam condenses into liquid water on the skin. Even though thermal energy is liberated or absorbed during phase transitions, pure chemical elements, compounds, and eutectic alloys exhibit no temperature change whatsoever while they undergo them (see Fig. 7, below right). Consider one particular type of phase transition: melting. When a solid is melting, crystal lattice chemical bonds are being broken apart; the substance is transitioning from what is known as a more ordered state to a less ordered state. In Fig. 7, the melting of ice is shown within the lower left box heading from blue to green. At one specific thermodynamic point, the melting point (which is 0 °C across a wide pressure range in the case of water), all the atoms or molecules are, on average, at the maximum energy threshold their chemical bonds can withstand without breaking away from the lattice. Chemical bonds are all or nothing forces: they either hold fast, or break; there is no in between state. Consequently, when a substance is at its melting point, every joule of added thermal energy only breaks the bonds of a specific quantity of its atoms or molecules, converting them into a liquid of precisely the same temperature; no kinetic energy is added to translational motion (which is what gives substances their temperature). The effect is rather like popcorn: at a certain temperature, additional thermal energy can't make the kernels any hotter until the transition (popping) is complete. If the process is reversed (as in the freezing of a liquid), thermal energy must be removed from a substance. As stated above, the thermal energy required for a phase transition is called latent heat. In the specific cases of melting and freezing, it's called enthalpy of fusion or heat of fusion. If the molecular bonds in a crystal lattice are strong, the heat of fusion can be relatively great, typically in the range of 6 to 30 kJ per mole for water and most of the metallic elements. If the substance is one of the monatomic gases, (which have little tendency to form molecular bonds) the heat of fusion is more modest, ranging from 0.021 to 2.3 kJ per mole. Relatively speaking, phase transitions can be truly energetic events. To completely melt ice at 0 °C into water at 0 °C, one must add roughly 80 times the thermal energy as is required to increase the temperature of the same mass of liquid water by one degree Celsius. The metals' ratios are even greater, typically in the range of 400 to 1200 times. And the phase transition of boiling is much more energetic than freezing. For instance, the energy required to completely boil or vaporize water (what is known as enthalpy of vaporization) is roughly 540 times that required for a one degree increase. Water's sizable enthalpy of vaporization is why one's skin can be burned so quickly as steam condenses on it (heading from red to green in Fig. 7 above); water vapors (gas phase) are liquefied on the skin with releasing a large amount of energy (enthalpy) to the environment including the skin, resulting in skin damage. In the opposite direction, this is why one's skin feels cool as liquid water on it evaporates (a process that occurs at a sub ambient wet bulb temperature that is dependent on relative humidity); the water evaporation on the skin takes a large amount of energy from the environment including the skin, reducing the skin temperature. Water's highly energetic enthalpy of vaporization is also an important factor underlying why solar pool covers (floating, insulated blankets that cover swimming pools when the pools are not in use) are so effective at reducing heating costs: they prevent evaporation. (In other words, taking energy from water when it is evaporated is limited.) For instance, the evaporation of just 20 mm of water from a 1.29 meter deep pool chills its water 8.4 degrees Celsius (15.1 °F).

Ішкі энергия

Барлық трансляциялық және ішкі бөлшектердің қозғалысының жалпы энергиясы, соның ішінде өткізгіш электрондар, фазалық өзгерістердің потенциалдық энергиясы, нөлдік нүкте энергиясы және қара дене сәулеленуінің ең жоғары эмиссиялық толқын ұзындығы артады (фотондардың энергиясы төмендейді). Заттың бөлшектері толық тынығуға мүмкіндігінше жақын болғанда және тек ZPE (нөлдік нүкте энергиясы) тудырған кванттық механикалық қозғалысты сақтағанда, зат абсолюттік нөл температурасына жетеді (T = 0). Абсолюттік нөл – термодинамикалық температураның нөлдік нүктесі және заттың құраушы бөлшектерінің ең аз қозғалысы болатын нүкте болғанымен, абсолюттік нөлдегі заттың нөлдік ішкі энергияға ие екенін айту қате; ішкі энергияның қандай екенін нақты білу керек. Көбінесе, затқа қолданылатын барлық фазалық өзгерістер абсолюттік нөлге жеткенге дейін жүзеге асады. Дегенмен, бұл әрқашан солай бола бермейді. T = 0 гелий бөлме қысымында сұйық күйде қалады (9-суретте көрсетілген) және кристалдану үшін кемінде белгілі бір қысымға ұшырауы керек. Бұл гелийдің балқу жылуының (гелий мұзын ерітуге қажетті энергия) өте төмендігінен (бір мольге 21 джоуль ғана) туындайды, сондықтан нөлдік нүкте энергиясының тудыратын әсері төмен қысымда қатуға кедерілді етеді. Тағы бір қиындық – көптеген қатты денелердің кристалдық құрылымы өте жоғары қысымда (миллиондаған барға дейін немесе жүздеген гигапаскальға дейін) тығыз құрылымға өзгереді. Бұл қатты-қатты фазалық өтулер деп аталады, онда кристалл тордың термодинамикалық тұрғыдан қолайлы, тығыз күйге өтуі кезінде жасырын жылу бөлінеді. Жоғарыда айтылған күрделіліктер T = 0 заттарының ішкі энергиясы туралы жалпылама мәлімдемелер жасауды қиындатады. Қысымға қарамастан, абсолюттік нөлде ең төменгі энергиялы кристалдық торға ие барлық қатты денелер, мысалы, ең тығыз орналасқандар (8-суретті қараңыз, жоғары сол жақта) ішкі энергияны минималды деңгейде ұстайды, тек нөлдік нүкте энергиясының үнемі болатын фонына ғана ие болады. Сондай-ақ, тұрақты қысымдағы берілген зат үшін абсолюттік нөл – ең төменгі энтальпия нүктесі (ішкі энергияны, қысымды және көлемді ескеретін жұмыс әлеуетін өлшеу) екенін айтуға болады. Соңында, барлық T = 0 заттарында нөлдік кинетикалық жылу энергиясы бар екенін айту әрқашан дұрыс. Егер қысым 200 кПа болса, абсолюттік қысымы 300 кПа болады. Бөлме температурасы ("шиналар бойынша суық") 296 К. Егер шина температурасы 20 °C-қа жоғары болса (20 кельвин), шешім = 6,8% жоғары термодинамикалық температура және абсолюттік қысым ретінде есептеледі; яғни абсолюттік қысым 320 кПа, бұл 220 кПа-ға тең.

The total energy of all translational and internal particle motions, including that of conduction electrons, plus the potential energy of phase changes, plus zero point energy and black body radiation's peak emittance wavelength increases (the photons' energy decreases). When particles of a substance are as close as possible to complete rest and retain only ZPE (zero point energy) induced quantum mechanical motion, the substance is at the temperature of absolute zero (T = 0). Note that whereas absolute zero is the point of zero thermodynamic temperature and is also the point at which the particle constituents of matter have minimal motion, absolute zero is not necessarily the point at which a substance contains zero internal energy; one must be very precise with what one means by internal energy. Often, all the phase changes that can occur in a substance, will have occurred by the time it reaches absolute zero. However, this is not always the case. Notably, T = 0 helium remains liquid at room pressure (Fig. 9 at right) and must be under a pressure of at least to crystallize. This is because helium's heat of fusion (the energy required to melt helium ice) is so low (only 21 joules per mole) that the motion inducing effect of zero point energy is sufficient to prevent it from freezing at lower pressures. A further complication is that many solids change their crystal structure to more compact arrangements at extremely high pressures (up to millions of bars, or hundreds of gigapascals). These are known as solid–solid phase transitions wherein latent heat is liberated as a crystal lattice changes to a more thermodynamically favorable, compact one. The above complexities make for rather cumbersome blanket statements regarding the internal energy in T = 0 substances. Regardless of pressure though, what can be said is that at absolute zero, all solids with a lowest energy crystal lattice such those with a closest packed arrangement (see Fig. 8, above left) contain minimal internal energy, retaining only that due to the ever present background of zero point energy. One can also say that for a given substance at constant pressure, absolute zero is the point of lowest enthalpy (a measure of work potential that takes internal energy, pressure, and volume into consideration). Lastly, it is always true to say that all T = 0 substances contain zero kinetic thermal energy. pressure of 200 kPa, then its absolute pressure is 300 kPa. Room temperature ("cold" in tire terms) is 296 K. If the tire temperature is 20 °C hotter (20 kelvins), the solution is calculated as = 6.8% greater thermodynamic temperature and absolute pressure; that is, an absolute pressure of 320 kPa, which is a of 220 kPa.