क्या प्रयोगात्मक रूप से पूर्ण शून्य प्राप्त करना संभव है? पूर्ण शून्य: खोज का इतिहास और मुख्य अनुप्रयोग। उच्चतम तापमान

पूर्ण शून्य तापमान

पूर्ण शून्य तापमान(कम अक्सर पूर्ण शून्य तापमान) न्यूनतम तापमान सीमा है जो ब्रह्मांड में एक भौतिक शरीर में हो सकती है। निरपेक्ष शून्य एक निरपेक्ष तापमान पैमाने के लिए प्रारंभिक बिंदु के रूप में कार्य करता है, जैसे केल्विन पैमाने। 1954 में, वज़न और माप पर X सामान्य सम्मेलन ने एक संदर्भ बिंदु के साथ एक थर्मोडायनामिक तापमान पैमाने की स्थापना की - पानी का ट्रिपल बिंदु, जिसका तापमान 273.16 K (बिल्कुल) लिया जाता है, जो 0.01 ° C से मेल खाता है, ताकि सेल्सियस पैमाने पर पूर्ण शून्य तापमान -273.15 डिग्री सेल्सियस से मेल खाता है।

परिघटना पूर्ण शून्य के पास देखी गई

पूर्ण शून्य के करीब के तापमान पर, विशुद्ध रूप से क्वांटम प्रभाव मैक्रोस्कोपिक स्तर पर देखे जा सकते हैं, जैसे:

टिप्पणियाँ

साहित्य

  • जी बर्मिन। तूफान पूर्ण शून्य। - एम।: "बच्चों का साहित्य", 1983

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विकिमीडिया फाउंडेशन। 2010।

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सीमित तापमान जिस पर एक आदर्श गैस का आयतन शून्य हो जाता है, परम शून्य तापमान के रूप में लिया जाता है। हालाँकि, परम शून्य तापमान पर वास्तविक गैसों का आयतन लुप्त नहीं हो सकता। क्या यह तापमान सीमा तब समझ में आती है?

सीमित तापमान, जिसका अस्तित्व गे-लुसाक कानून से अनुसरण करता है, समझ में आता है, क्योंकि एक वास्तविक गैस के गुणों को एक आदर्श के गुणों के साथ अनुमानित करना व्यावहारिक रूप से संभव है। ऐसा करने के लिए, तेजी से दुर्लभ गैस लेना आवश्यक है, ताकि इसका घनत्व शून्य हो जाए। दरअसल, घटते तापमान के साथ, ऐसी गैस का आयतन शून्य के करीब की सीमा तक जाएगा।

आइए सेल्सियस पैमाने पर पूर्ण शून्य का मान ज्ञात करें। आयतन बराबर करना वीवीसूत्र (3.6.4) से शून्य तक और इसे ध्यान में रखते हुए

इसलिए पूर्ण शून्य तापमान है

* पूर्ण शून्य के लिए अधिक सटीक मान: -273.15 °C।

यह प्रकृति में सीमित, सबसे कम तापमान है, जो "ठंड की सबसे बड़ी या आखिरी डिग्री" है, जिसके अस्तित्व की भविष्यवाणी लोमोनोसोव ने की थी।

केल्विन पैमाना

केल्विन विलियम (थॉमसन डब्ल्यू।) (1824-1907) - एक उत्कृष्ट अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी, ऊष्मप्रवैगिकी के संस्थापकों में से एक और गैसों के आणविक-गतिज सिद्धांत।

केल्विन ने पूर्ण तापमान पैमाने की शुरुआत की और ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के योगों में से एक को काम में गर्मी के पूर्ण रूपांतरण की असंभवता के रूप में दिया। उन्होंने तरल की सतह ऊर्जा के मापन के आधार पर अणुओं के आकार की गणना की। ट्रान्साटलांटिक टेलीग्राफ केबल बिछाने के संबंध में, केल्विन ने विद्युत चुम्बकीय दोलनों के सिद्धांत को विकसित किया और सर्किट में मुक्त दोलनों की अवधि के लिए एक सूत्र निकाला। वैज्ञानिक गुणों के लिए, डब्ल्यू थॉमसन ने लॉर्ड केल्विन की उपाधि प्राप्त की।

अंग्रेजी वैज्ञानिक डब्ल्यू केल्विन ने पूर्ण तापमान पैमाने की शुरुआत की। केल्विन पैमाने पर शून्य तापमान पूर्ण शून्य के अनुरूप होता है, और इस पैमाने पर तापमान की इकाई डिग्री सेल्सियस के बराबर होती है, इसलिए पूर्ण तापमान टीसूत्र द्वारा सेल्सियस पैमाने पर तापमान से संबंधित है

(3.7.6)

चित्र 3.11 तुलना के लिए निरपेक्ष पैमाना और सेल्सियस पैमाना दिखाता है।

पूर्ण तापमान की SI इकाई को केल्विन (संक्षिप्त रूप में K) कहा जाता है। इसलिए, एक डिग्री सेल्सियस एक डिग्री केल्विन के बराबर है: 1 °C = 1 K.

इस प्रकार, पूर्ण तापमान, सूत्र (3.7.6) द्वारा दी गई परिभाषा के अनुसार, एक व्युत्पन्न मात्रा है जो सेल्सियस तापमान और प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित मान पर निर्भर करता है। हालाँकि, यह मूलभूत महत्व का है।

आणविक गतिज सिद्धांत के दृष्टिकोण से, पूर्ण तापमान परमाणुओं या अणुओं की यादृच्छिक गति की औसत गतिज ऊर्जा से संबंधित है। पर टी =के बारे में अणुओं की ऊष्मीय गति रुक ​​जाती है। इस पर अध्याय 4 में अधिक विस्तार से चर्चा की जाएगी।

आयतन बनाम निरपेक्ष तापमान

केल्विन पैमाने का उपयोग करते हुए गे-लुसाक नियम (3.6.4) को सरल रूप में लिखा जा सकता है। क्योंकि

(3.7.7)

स्थिर दाब पर किसी दिए गए द्रव्यमान की गैस का आयतन परम ताप के समानुपाती होता है।

यह इस प्रकार है कि एक ही दबाव में विभिन्न राज्यों में एक ही द्रव्यमान के गैस की मात्रा का अनुपात पूर्ण तापमान के अनुपात के बराबर होता है:

(3.7.8)

न्यूनतम संभव तापमान होता है जिस पर एक आदर्श गैस का आयतन (और दबाव) गायब हो जाता है। यह पूर्ण शून्य तापमान है:-273 डिग्री सेल्सियस। तापमान को पूर्ण शून्य से मापना सुविधाजनक है। इस प्रकार पूर्ण तापमान का पैमाना बनाया जाता है।

ब्रह्मांड में सभी वस्तुओं सहित किसी भी भौतिक शरीर का एक न्यूनतम तापमान सूचकांक या उसकी सीमा होती है। किसी भी तापमान पैमाने के संदर्भ बिंदु के लिए, पूर्ण शून्य तापमान के मान पर विचार करना प्रथागत है। लेकिन यह केवल सिद्धांत रूप में है। इस समय अपनी ऊर्जा देने वाले परमाणुओं और अणुओं की अराजक गति को व्यवहार में अभी तक रोका नहीं गया है।

यही मुख्य कारण है कि पूर्ण शून्य तापमान तक नहीं पहुंचा जा सकता है। इस प्रक्रिया के परिणामों के बारे में अभी भी विवाद हैं। ऊष्मप्रवैगिकी के दृष्टिकोण से, यह सीमा अप्राप्य है, क्योंकि परमाणुओं और अणुओं की तापीय गति पूरी तरह से बंद हो जाती है, और एक क्रिस्टल जाली बनती है।

क्वांटम भौतिकी के प्रतिनिधि पूर्ण शून्य तापमान पर न्यूनतम शून्य-बिंदु दोलनों की उपस्थिति प्रदान करते हैं।

परम शून्य ताप का मान क्या होता है और उस तक क्यों नहीं पहुँचा जा सकता

वजन और माप पर सामान्य सम्मेलन में, पहली बार तापमान संकेतकों को निर्धारित करने वाले उपकरणों को मापने के लिए एक संदर्भ या संदर्भ बिंदु स्थापित किया गया था।

वर्तमान में, इकाइयों की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली में, सेल्सियस पैमाने के लिए संदर्भ बिंदु ठंड के दौरान 0 ° C और उबलने की प्रक्रिया के दौरान 100 ° C होता है, पूर्ण शून्य तापमान का मान -273.15 ° C के बराबर होता है।

उसी के लिए केल्विन पैमाने पर तापमान मान का उपयोग करना अंतर्राष्ट्रीय प्रणालीइकाइयों, उबलते पानी 99.975 डिग्री सेल्सियस के संदर्भ मूल्य पर होगा, पूर्ण शून्य 0 के बराबर है। पैमाने पर फ़ारेनहाइट -459.67 डिग्री से मेल खाती है।

लेकिन, अगर ये आंकड़े प्राप्त होते हैं, तो व्यवहार में पूर्ण शून्य तापमान हासिल करना असंभव क्यों है। तुलना के लिए, हम सभी को ज्ञात प्रकाश की गति ले सकते हैं, जो 1,079,252,848.8 किमी/घंटा के निरंतर भौतिक मान के बराबर है।

हालाँकि, यह मान व्यवहार में प्राप्त नहीं किया जा सकता है। यह संचरण तरंगदैर्घ्य पर, और शर्तों पर, और आवश्यक अवशोषण पर निर्भर करता है एक लंबी संख्याकण ऊर्जा। पूर्ण शून्य तापमान का मान प्राप्त करने के लिए, ऊर्जा की एक बड़ी वापसी आवश्यक है और इसके स्रोतों की अनुपस्थिति इसे परमाणुओं और अणुओं में प्रवेश करने से रोकती है।

लेकिन पूर्ण निर्वात की स्थिति में भी वैज्ञानिकों को न तो प्रकाश की गति और न ही पूर्ण शून्य तापमान प्राप्त हुआ।

लगभग शून्य तापमान तक पहुंचना क्यों संभव है, लेकिन निरपेक्ष नहीं

क्या होगा जब विज्ञान पूर्ण शून्य के बेहद कम तापमान को प्राप्त करने के करीब आ सकता है, अभी तक केवल ऊष्मप्रवैगिकी और क्वांटम भौतिकी के सिद्धांत में ही बना हुआ है। क्या कारण है कि व्यवहार में पूर्ण शून्य तापमान तक पहुंचना असंभव है।

अधिकतम ऊर्जा हानि के कारण पदार्थ को सबसे कम सीमा सीमा तक ठंडा करने के सभी ज्ञात प्रयासों ने इस तथ्य को जन्म दिया है कि पदार्थ की ताप क्षमता का मूल्य भी न्यूनतम मूल्य तक पहुंच गया है। अणु शेष ऊर्जा देने में सक्षम नहीं थे। नतीजतन, शीतलन प्रक्रिया पूर्ण शून्य तक पहुंचने से पहले ही रुक गई।

पूर्ण शून्य तापमान के मान के करीब की स्थितियों में धातुओं के व्यवहार का अध्ययन करते समय, वैज्ञानिकों ने पाया है कि तापमान में अधिकतम कमी से प्रतिरोध में कमी आनी चाहिए।

लेकिन परमाणुओं और अणुओं के संचलन की समाप्ति के कारण ही गठन हुआ क्रिस्टल लैटिस, जिसके माध्यम से गुजरने वाले इलेक्ट्रॉनों ने अपनी ऊर्जा का हिस्सा स्थिर परमाणुओं में स्थानांतरित कर दिया। यह फिर से पूर्ण शून्य तक पहुँचने में विफल रहा।

2003 में, पूर्ण शून्य से 1°C का केवल आधा अरबवां भाग गायब था। नासा के शोधकर्ताओं ने प्रयोग करने के लिए Na अणु का उपयोग किया, जो हमेशा एक चुंबकीय क्षेत्र में होता था और अपनी ऊर्जा देता था।

निकटतम येल विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों की उपलब्धि थी, जिसने 2014 में 0.0025 केल्विन का संकेतक हासिल किया था। परिणामी यौगिक स्ट्रोंटियम मोनोफ्लोराइड (SrF) केवल 2.5 सेकंड के लिए मौजूद था। और अंत में, यह अभी भी परमाणुओं में बिखर गया।

तापमान एक मात्रात्मक माप है कि शरीर कितना गर्म है। तापमान की अवधारणा भौतिक मात्राओं के बीच एक विशेष स्थान रखती है जो सिस्टम की स्थिति निर्धारित करती है। तापमान न केवल किसी दिए गए शरीर के थर्मल संतुलन की स्थिति को दर्शाता है। यह वह पैरामीटर भी है जो एक दूसरे के साथ थर्मल संतुलन में किन्हीं दो या दो से अधिक पिंडों के लिए समान मान लेता है, अर्थात निकायों की एक प्रणाली के थर्मल संतुलन की विशेषता है। इसका अर्थ यह है कि यदि भिन्न-भिन्न तापमान वाले दो या दो से अधिक पिंडों को संपर्क में लाया जाता है, तो अणुओं के बीच अन्योन्यक्रिया के परिणामस्वरूप ये पिंड समान तापमान मान ग्रहण करेंगे।

आणविक-गतिज सिद्धांत तापमान के भौतिक अर्थ को स्पष्ट करना संभव बनाता है। व्यंजकों (2.4) और (2.7) की तुलना करने पर, हम देखते हैं कि यदि हम रखें तो वे मेल खाते हैं

(2.9)

इन संबंधों को गैसों के आणविक-गतिज सिद्धांत का दूसरा बुनियादी समीकरण कहा जाता है। वे दिखाते हैं कि पूर्ण तापमान एक मात्रा है जो अणुओं की अनुवाद संबंधी गति की औसत गतिज ऊर्जा निर्धारित करती है; यह अणुओं की स्थानांतरीय गति की ऊर्जा का माप है, और इस प्रकार अणुओं की तापीय गति की तीव्रता है। यह पूर्ण तापमान का आणविक-गतिज अर्थ है। जैसा कि आप देख सकते हैं, शरीर को गर्म करने की प्रक्रिया सीधे शरीर के कणों की औसत गतिज ऊर्जा में वृद्धि से संबंधित है। (2.9) से यह देखा जा सकता है कि निरपेक्ष तापमान एक धनात्मक मान है: अर्थ परम शून्य ताप कहते हैं। (2.8) के अनुसार, पूर्ण शून्य पर, कणों की स्थानांतरणीय गति पूरी तरह से बंद होनी चाहिए ( ). हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि कम तापमान पर गैस संघनित अवस्था में गुजरती है। नतीजतन, गैसों के गतिज सिद्धांत के आधार पर निकाले गए सभी निष्कर्ष भी अपना अर्थ खो देते हैं। और पूर्ण शून्य तापमान पर गति गायब नहीं होती है। परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की गति, धातुओं में मुक्त इलेक्ट्रॉनों की गति पूर्ण शून्य तापमान पर भी पूरी तरह से संरक्षित रहती है। इसके अलावा, पूर्ण शून्य पर भी, क्रिस्टल जाली के नोड्स में अणुओं और परमाणुओं के अंदर परमाणुओं की कुछ दोलन गति संरक्षित होती है। इन दोलनों का अस्तित्व क्वांटम हार्मोनिक ऑसिलेटर में शून्य ऊर्जा की उपस्थिति से जुड़ा है ( ), जिसे परमाणुओं के उपरोक्त कंपन के रूप में माना जा सकता है। यह ऊर्जा तापमान पर निर्भर नहीं करती है, और इसलिए तापमान पर भी लुप्त नहीं होती है . कम तापमान पर, गति की शास्त्रीय अवधारणाएँ समाप्त हो जाती हैं। इस क्षेत्र में, क्वांटम कानून संचालित होते हैं, जिसके अनुसार कणों की गति बंद नहीं होती है, भले ही शरीर का तापमान पूर्ण शून्य हो। लेकिन इस गति की गति अब तापमान पर निर्भर नहीं करती है, और यह गति ऊष्मीय नहीं है। इसकी पुष्टि अनिश्चितता के सिद्धांत से होती है। यदि शरीर के कण आराम पर थे, तो उनकी स्थिति (निर्देशांक एक्स, वाई, z) और मोमेंटा (गति अनुमान पिक्सल, पाई, pz) बिल्कुल परिभाषित किया जाएगा आदि, और यह अनिश्चितता संबंधों का खंडन करता है वगैरह। निरपेक्ष शून्य प्राप्य नहीं है। यह नीचे दिखाया जाएगा कि परम शून्य तापमान का मतलब सिस्टम की ऐसी स्थिति है जिसमें सिस्टम सबसे कम ऊर्जा वाली स्थिति में है, और इसलिए इसके स्थानांतरण के कारण इसके कणों की गति की तीव्रता में और कमी आती है। आसपास के निकायों के लिए ऊर्जा संभव नहीं है।


सूत्र (2.7) के रूप में लिखा जा सकता है

यह सूत्र एक परमाणु गैस के लिए पूर्ण तापमान की अवधारणा की परिभाषा के रूप में कार्य कर सकता है। किसी अन्य प्रणाली के तापमान को इस प्रणाली के साथ थर्मल संतुलन में एक एकपरमाणुक गैस के तापमान के बराबर मूल्य के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। इस सूत्र का उपयोग करके तापमान की परिभाषा उस तापमान तक सही है जिस पर गैस परमाणुओं के इलेक्ट्रॉनिक रूप से उत्तेजित राज्यों की उपस्थिति की संभावना की उपेक्षा करना अब संभव नहीं है।

संबंध (2.8) हमें तथाकथित रूट-मीन-स्क्वायर आणविक वेग को पेश करने की अनुमति देता है, इसे परिभाषित करता है

तब हमें मिलता है

निरपेक्ष तापमान की अवधारणा को सांख्यिकीय भौतिकी में अधिक सख्ती से पेश किया जा सकता है, जहां इसे ऊर्जाओं पर कणों के सांख्यिकीय वितरण के मापांक के रूप में माना जा सकता है। हम यह भी ध्यान देते हैं कि चूंकि तापमान, साथ ही दबाव, जैसा कि सूत्रों (2.7) और (2.8) से देखा जा सकता है, एक आदर्श गैस अणु की औसत गतिज ऊर्जा द्वारा निर्धारित किया जाता है, तो मान सांख्यिकीय मात्राएं हैं और, इसलिए, एक या छोटी संख्या में अणुओं के तापमान या दबाव के बारे में बात करना व्यर्थ है।

शब्द "तापमान" उस समय सामने आया जब भौतिकविदों ने सोचा कि गर्म शरीर में एक ही शरीर की तुलना में एक विशिष्ट पदार्थ - कैलोरी - की एक बड़ी मात्रा होती है, लेकिन ठंडे वाले। और तापमान की व्याख्या शरीर में कैलोरी की मात्रा के अनुरूप मान के रूप में की गई थी। तब से, किसी भी पिंड का तापमान डिग्री में मापा जाता है। लेकिन वास्तव में यह गतिमान अणुओं की गतिज ऊर्जा का एक माप है, और इसके आधार पर, इसे इकाइयों की SI प्रणाली के अनुसार जूल में मापा जाना चाहिए।

"पूर्ण शून्य तापमान" की अवधारणा ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम से आती है। इसके अनुसार ठंडे पिंड से गर्म पिंड में ऊष्मा का स्थानांतरण असंभव है। यह अवधारणा अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी डब्ल्यू थॉमसन द्वारा पेश की गई थी। भौतिकी में उपलब्धियों के लिए, उन्हें "लॉर्ड" की महान उपाधि और "बैरन केल्विन" की उपाधि दी गई। 1848 में, डब्ल्यू. थॉमसन (केल्विन) ने एक तापमान पैमाने का उपयोग करने का सुझाव दिया, जिसमें उन्होंने चरम ठंड के अनुरूप परम शून्य तापमान को शुरुआती बिंदु के रूप में लिया, और डिग्री सेल्सियस को विभाजन मूल्य के रूप में लिया। केल्विन की इकाई पानी के त्रिगुण बिंदु (लगभग 0 डिग्री सेल्सियस) के तापमान का 1/27316 है, यानी। वह तापमान जिस पर शुद्ध पानी एक साथ तीन रूपों में मौजूद होता है: बर्फ, तरल पानी और भाप। तापमान न्यूनतम संभव निम्न तापमान है जिस पर अणुओं की गति रुक ​​जाती है, और पदार्थ से तापीय ऊर्जा निकालना अब संभव नहीं है। तब से, पूर्ण तापमान पैमाने का नाम उनके नाम पर रखा गया है।

तापमान को विभिन्न पैमानों पर मापा जाता है

सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले तापमान पैमाने को सेल्सियस स्केल कहा जाता है। यह दो बिंदुओं पर बनाया गया है: तरल से वाष्प और पानी से बर्फ में पानी के चरण संक्रमण के तापमान पर। A. 1742 में सेल्सियस ने संदर्भ बिंदुओं के बीच की दूरी को 100 अंतरालों में विभाजित करने और पानी को शून्य के रूप में लेने का प्रस्ताव दिया, जबकि हिमांक 100 डिग्री है। लेकिन स्वीडन के. लिनिअस ने इसके विपरीत करने का सुझाव दिया। तब से, पानी शून्य डिग्री ए सेल्सियस पर जम जाता है। हालांकि इसे बिल्कुल सेल्सियस में उबालना चाहिए। सेल्सियस में पूर्ण शून्य शून्य से 273.16 डिग्री सेल्सियस के बराबर है।

कई और तापमान पैमाने हैं: फ़ारेनहाइट, रेउमूर, रैंकिन, न्यूटन, रोमर। उनके अलग और मूल्य विभाजन हैं। उदाहरण के लिए, रेउमूर पैमाना भी पानी के उबलने और जमने के मानदंड पर बनाया गया है, लेकिन इसमें 80 विभाग हैं। फारेनहाइट पैमाना, जो 1724 में सामने आया था, का उपयोग केवल संयुक्त राज्य अमेरिका सहित दुनिया के कुछ देशों में रोजमर्रा की जिंदगी में किया जाता है; एक पानी बर्फ - अमोनिया के मिश्रण का तापमान है और दूसरा मानव शरीर का तापमान है। पैमाना एक सौ डिवीजनों में बांटा गया है। शून्य सेल्सियस 32 से मेल खाता है फ़ारेनहाइट में डिग्री का रूपांतरण सूत्र का उपयोग करके किया जा सकता है: F \u003d 1.8 C + 32। रिवर्स अनुवाद: C \u003d (F - 32) / 1.8, जहाँ: F - डिग्री फ़ारेनहाइट, C - डिग्री सेल्सियस। यदि आप गिनने में बहुत आलसी हैं, तो ऑनलाइन सेल्सियस से फ़ारेनहाइट रूपांतरण सेवा पर जाएँ। बॉक्स में, डिग्री सेल्सियस की संख्या टाइप करें, "गणना करें" पर क्लिक करें, "फ़ारेनहाइट" चुनें और "प्रारंभ करें" पर क्लिक करें। परिणाम तुरंत दिखाई देगा।

अंग्रेजी (अधिक सटीक रूप से स्कॉटिश) भौतिक विज्ञानी विलियम जे. रैनकिन के नाम पर, केल्विन के पूर्व समकालीन और तकनीकी ऊष्मप्रवैगिकी के रचनाकारों में से एक। उसके पैमाने में तीन महत्वपूर्ण बिंदु हैं: शुरुआत पूर्ण शून्य है, पानी का हिमांक 491.67 डिग्री रैंकिन है और पानी का क्वथनांक 671.67 डिग्री है। रैंकिन और फारेनहाइट दोनों में पानी के जमने और उबलने के बीच विभाजनों की संख्या 180 है।

इनमें से अधिकांश पैमानों का उपयोग विशेष रूप से भौतिकविदों द्वारा किया जाता है। और इन दिनों सर्वेक्षण किए गए अमेरिकी हाई स्कूल के 40% छात्रों ने कहा कि वे नहीं जानते कि पूर्ण शून्य तापमान क्या है।

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