ΤΟ ΑΠΟΛΥΤΟ ΜΗΔΕΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πόσο κρύο μπορεί να γίνει κάτι;  Ποια δηλαδή θα μπορούσε να είναι μία ελάχιστη θερμοκρασία που να χαρακτηρίσει μία κατάσταση;  Και τι είναι η θερμοκρασία;  Τι είναι το κρύο;

Στο άρθρο αυτό θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε την έννοια της θερμοκρασίας, της θερμότητας και της θερμικής ενέργειας καθώς επίσης θα γνωρίσουμε τη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός και θα δούμε εάν είναι ποτέ δυνατόν να φτάσουμε εκεί.

ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ;

Ας ξεκινήσουμε με τη θερμοκρασία.  Η έννοια της θερμοκρασίας προέρχεται από την ποιοτική εντύπωση του ζεστού και του κρύου όπως προσδιορίζεται από την αίσθηση της αφής.  Ένα σώμα που μας φαίνεται ζεστό συνήθως έχει υψηλότερη θερμοκρασία από ένα σώμα που μας φαίνεται κρύο. Κρατάμε αυτή την πρόταση για να επανέλθουμε σε λίγο και να δούμε μία ασάφεια που κρύβεται μέσα σε αυτήν. Επειδή τώρα ως άνθρωποι μπορούμε εύκολα να αντιληφθούμε την διαφορά μεταξύ ζεστού και κρύου αυτό σημαίνει πως έχουμε μία καλή αίσθηση και αντίληψη του τι είναι η θερμοκρασία.  Ας το χαλάσουμε λίγο όμως… Αυτό που στην πραγματικότητα διακρίνουμε όταν μιλάμε για ένα σώμα και το χαρακτηρίζουμε ως ζεστό ή κρύο έγκειτε  στην ποσότητα θερμικής ενέργειας που έχει.

ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Και θα μου πείτε τι είναι θερμική ενέργεια.  Η θερμική ενέργεια είναι η συνολική κινητική ενέργεια των μορίων ενός σώματος.  Και χωρίς να μπούμε σε πολύ τεχνικά κομμάτια, όπως αυτό της εντροπίας, μπορεί να πει κανείς πως με την θερμοκρασία μετράμε ουσιαστικά το πόσο έντονη και τυχαία είναι η κίνηση των μορίων σε ένα σώμα. Για να το κατανοήσουμε θέλω να φανταστούμε αρχικά πως τα μόρια του αέρα που βρίσκονται γύρω μας στο δωμάτιο είναι μικρές μπαλίτσες.  Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του αέρα τόσο πιο γρήγορα θα κινούνται αυτές οι μπαλίτσες.  Όμως αν αντιστρέψουμε τη διαδικασία και ρίξουμε την θερμοκρασία του δωματίου αυτά τα μόρια του αέρα θα αρχίσουν να επιβραδύνουν και να χαλαρώνουν την κίνησή τους.  Βλέπουμε λοιπόν μία πρώτη σχέση που έχει και εξάρτηση η θερμική ενέργεια με την θερμοκρασία.  Θα γίνει απολύτως κατανοητή η σχέση αυτήν σε λίγο που θα εντάξουμε και μία ακόμα εξάρτηση της θερμικής ενέργειας. Η θερμική ενέργεια εξαρτάται επίσης και από τη μάζα ενός σώματος,  όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός σώματος σημαίνει πως τόσο περισσότερα μόρια και έχει.  Και εφόσον είπαμε πως η θερμική ενέργεια είναι η συνολική κινητική ενέργεια των μορίων αντιλαμβάνεστε πως ο αριθμός των μορίων θα επηρεάσει την θερμική ενέργεια.

ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ-ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ-ΑΡΙΘΜΟΣ ΜΟΡΙΩΝ

Για να καταλάβουμε ακριβώς αυτές τις εξαρτήσεις ας το δούμε μέσα από ένα παράδειγμα.  Θέλω να φανταστείτε ότι αρχικά έχω δύο ίδιες πατάτες,  ίδιο μέγεθος, ίδια μάζα άρα ίδιος αριθμός μορίων.  Η  μία πατάτα βγήκε μόλις από τον φούρνο και  έχει υψηλότερη θερμοκρασία σε σχέση με την άλλη που την πήρα μόλις από το δωμάτιο. Οι  δύο πατάτες είναι ίδιες συνεπώς έχουν τον ίδιο αριθμό μορίων και σε αυτή την περίπτωση υψηλότερη θερμική ενέργεια θα έχει η πατάτα που έχει την μεγαλύτερη θερμοκρασία.  Αν όμως έβγαζα αυτές τις δύο πατάτες ταυτόχρονα από τον φούρνο θα είχαν τον ίδιο αριθμό μορίων αλλά και την ίδια θερμοκρασία.  Τότε σε αυτή την περίπτωση οι δύο πατάτες θα είχαν και την ίδια θερμική ενέργεια.  Κοιτάξτε όμως τώρα τι γίνεται…  Αν από το φούρνο βγάλω δύο πατάτες, εκ των οποίων η μία είναι μεγαλύτερη της άλλης,  αυτό σημαίνει ότι η πρώτη πατάτα έχει περισσότερα μόρια αλλά οι δύο πατάτες έχουν ακριβώς την ίδια θερμοκρασία μιας και βγήκαν μόλις απ τον φούρνο.  Σε αυτή την περίπτωση μεγαλύτερη θερμική ενέργεια θα έχει  η πατάτα με τον μεγαλύτερο αριθμό μορίων.

ΡΟΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ-ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Η θερμική ενέργεια ξέρει να κάνει καλά ένα πράγμα.  Να ρέει!  Και μάλιστα προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση.  Και η κατεύθυνση αυτή είναι από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα, μέχρι να βρεθούν σε μία κατάσταση όπου θα έχουν ίδιες θερμοκρασίες μία κατάσταση που ονομάζουμε θερμική ισορροπία.  Παράδειγμα. Συναντιόμαστε για καφέ εγώ και εσείς μετά από καιρό και ένας τυπικός τρόπος να χαιρετηθούμε είναι χειραψία.  Εγώ έχω κρύα χέρια,ως συνήθως,  ενώ εσείς μέχρι να ρθείτε στο σημείο συνάντησης είχατε τα χέρια σας στην τσέπη άρα έχουν μία υψηλή θερμοκρασία.  Βρισκόμαστε, κάνουμε χειραψία και μου λέτε:  ρε φίλε μου πάγωσες  το χέρι!  Και ρωτάω:  η πρόταση αυτή είναι σωστή ή λάθος;  Είπαμε πως η θερμική ενέργεια μεταφέρεται από το σώμα που έχει την υψηλότερη θερμοκρασία στο σώμα που έχει τη χαμηλότερη θερμοκρασία.  Συνεπώς η θερμική ενέργεια κατά τη διάρκεια της χειραψίας μας μεταφέρθηκε από το δικό σας θερμό χέρι στο δικό μου ψυχρό χέρι.  Οπότε η σωστή πρόταση θα ήταν αν λέγαμε ότι εσείς  ζεστάνετε το χέρι μου και όχι εγώ κρύωσα το δικό σας. Ο τρόπος για να γίνει η περιγραφή αυτής της μεταφοράς ενέργειας είναι ο όρος θερμότητα.  Η θερμότητα δηλαδή είναι ο όρος που χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε την χρονική διάρκεια που συμβαίνει αυτή η μεταφορά θερμικής ενέργειας.

ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ

Και ήρθε η στιγμή που θα επιστρέψουμε στην αρχική μας φράση που σας είπα πως κρύβεται μία ασάφεια.  Είχαμε αναφέρει πως η θερμοκρασία είναι ποιοτική  εντύπωση του πόσο ζεστό ή κρύο είναι ένα σώμα από την αίσθηση της αφής.  Και όσο πιο ζεστό μας φαίνεται μάλλον έχει την υψηλότερη θερμοκρασία.  Ας το εξετάσουμε τώρα με ένα παράδειγμα.  Θέλω να υποθέσουμε ότι βρισκόμαστε σε ένα δωμάτιο το οποίο εδώ και πάρα πολύ καιρό έχει μία σταθερή θερμοκρασία 25 βαθμών Κελσίου.  Πάνω στο τραπέζι τώρα υπάρχουν δύο αντικείμενα,  ένα πλαστικό στυλό και ένα μεταλλικό κουτάλι,  και σας ζητάω να ακουμπήσετε τα δύο αντικείμενα και να μου πείτε ποιο από αυτά είναι πιο κρύο.  Υποθέτω πως θα απαντούσατε πως το κουτάλι έχει χαμηλότερη θερμοκρασία.  Κοιτάξτε όμως τι γίνεται!  Είπαμε πως στο δωμάτιο η θερμοκρασία είναι στους 25 βαθμους Κελσίου.  Αυτό σημαίνει πως όλα τα σώματα και τα αντικείμενα μέσα σε αυτό το δωμάτιο έχουν έρθει σε θερμική ισορροπία.  Βρίσκονται δηλαδή στην ίδια ακριβώς θερμοκρασία των 25 βαθμών Κελσίου.  Τι συνέβη λοιπόν και  πιστέψατε πως το κουτάλι είναι πιο κρύο σε σχέση με το πλαστικό στιλό;  Όταν ακουμπήσαμε το μεταλλικό κουτάλι και το πλαστικό στυλό θερμική ενέργεια μεταφέρθηκε από το ζεστό στο πιο ψυχρό σώμα και σε αυτή την περίπτωση εσείς βρίσκεστε σε θερμοκρασία 36 βαθμών Κελσίου ενώ το κουτάλι και το πλαστικό στυλό στους 25 βαθμούς Κελσίου.  Η διαφορά τώρα είναι η εξής:  Το κουτάλι ως μέταλλο είναι καλύτερος αγωγός της θερμότητας σε σχέση με το πλαστικό στυλό,  αυτό σημαίνει ότι σας κλέβει την θερμική ενέργεια πολύ πιο βίαια,  πολύ πιο γρήγορα σε σχέση με τον τρόπο που την κλέβει το πλαστικό στυλό.  Αυτή η αίσθηση της γρήγορης απώλειας θερμικής ενέργειας από εσάς προς το κουτάλι είναι η αίσθηση του γεγονότος ότι το κουτάλι είναι πιο κρύο σε σχέση με το πλαστικό στυλό.

ΚΛΙΜΑΚΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ

Επιστρέφουμε και πάλι στις θερμοκρασίες για να εισάγουμε δύο κλίμακες μέτρησης της θερμοκρασίας.  Για να φτιάξουμε μία κλίμακα αρκεί να χρησιμοποιήσουμε μία οποιαδήποτε μετρήσιμη ιδιότητα ενός συστήματος που μεταβάλλεται ανάλογα με το πόσο ζεστό ή κρύο είναι ένα σώμα. Η ιδιότητα αυτή θα μπορούσε να είναι η συστολή διαστολή του υδραργύρου.  Αν λοιπόν βάζουμε υδράργυρο μέσα σε έναν σωλήνα και το θερμαίνουμε τότε αυτός διαστέλλεται και ανεβαίνει μέσα στο σωλήνα αντίστοιχα αν τον ψήσουμε αυτό συστέλλεται και κατεβαίνει η στάθμη μέσα στο σωλήνα.  Ας υποθέσουμε τώρα ότι παίρνω αυτήν την γυάλινη πειραματική διάταξη που έχει μέσα υδράργυρο και την τοποθετούμε σε παγωμένο καθαρό νερό.  Αντίστοιχω την ένδειξη που ανεβαίνει ο υδράργυρος στους 0.  Έπειτα τοποθετούμε αυτή την πειραματική διάταξη μέσα σε καθαρό νερό που βράζει και αντίστοιχω  την ένδειξη που έχει ανέβει ο υδράργυρος το 100. Διαιρώ και τοποθετώ σε ίσες αποστάσεις αυτές τις 100 μονάδες και έτσι έχω φτιάξει μία κλίμακα θερμοκρασιών Κελσίου.  Και πάμε  να κάνουμε τη μεταβίβαση μάς  στην κλίμακα που μας ενδιαφέρει για να γνωρίσουμε και το απόλυτο μηδέν, την κλίμακα Κέλβιν.

Θέλω να φανταστείτε ότι έχω ένα δοχείο σταθερού όγκου και μέσα σε αυτό έχουμε τοποθετήσει μία ποσότητα ενός αερίου, έστω ότι το αέριο μας είναι το ήλιο.  Αν θερμάνω αυτό το αέριο η πίεση θα αυξηθεί μιας και βρίσκομαι υπό σταθερό όγκο ενώ αν ψήσω το αέριο η πίεση θα μειωθεί.  Αυτό ακριβώς θα εκμεταλλευτούμε για να φτιάξουμε ένα διάγραμμα που χρειαζόμαστε το οποίο θα μπορέσετε να δείτε στον μαυροπίνακα που υπάρχει στο μέσο της σελίδας.  Αρχικά τοποθετώ  την διάταξη μου, η οποία αποτελείται από τον δοχείο σταθερού όγκου ενωμένο με ένα σωλήνα με ένα όργανο μέτρησης πίεσης ένα μανόμετρο στο πάνω μέρος του,  μέσα σε καθαρό παγωμένο νερό το οποίο βρίσκεται στους 0 βαθμούς κελσίου,  και μετράω μία πίεση P1.  Έπειτα τοποθετώ την πειραματική διάταξη μέσα σε ένα δοχείο όπου υπάρχει καθαρό νερό το οποίο βράζει στους 100 βαθμούς Κελσίου και το μανόμετρο μετράει πίεση Ρ2.  Παίρνω λοιπόν αυτά τα πειραματικά δεδομένα θερμοκρασιών και πιέσεων και τα βάζω πάνω στο διάγραμμα, διάγραμμα πίεσης θερμοκρασίας.  Ενώνω τις δύο κουκίδες και έπειτα αυτό που θα ήθελα είναι να δω το εξής:  αν προεκτείνουμε την γραμμή προς τα αριστερά θεωρώντας πώς μικραίνει η πίεση και πέφτει η θερμοκρασία, που η διακεκομμένη γραμμή αυτή θα τέμνει τον άξονα θερμοκρασιών;  Και προκύπτει πως το σημείο αυτό είναι η – 273.15 βαθμοί Κελσίου. Θα μπορούσε να σκεφτεί κάποιος πως η θερμοκρασία αυτή θα ήταν διαφορετική εάν τοποθετούσα μέσα στο δοχείο μου διαφορετικό αέριο, προκύπτει όμως πειραματικά πως η θερμοκρασία αυτή είναι ίδια για έναν μεγάλο αριθμό αέριων.  Αυτό που συμβαίνει στην πραγματικότητα είναι ότι χαλάει η γραμμική σχέση της θερμοκρασίας με την πίεση καθώς πέφτει η θερμοκρασία και το αέριο υγροποιείται και έπειτα στερεοποιείται.  Παρόλα αυτά μπορώ να χρησιμοποιήσω αυτή την θερμοκρασία του – 273.15 προκειμένου να φτιάξω μία καινούργια κλίμακα στην οποία αυτή θα είναι η αρχή δηλαδή το απόλυτο μηδέν και αυτή είναι η κλίμακα κέλβιν.  Το απόλυτο μηδέν του Κέλβιν λοιπόν σηματοδοτεί τους 273.15 βαθμούς Κελσίου.

ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΜΠΟΡΟΥΜΕ ΝΑ ΦΤΑΣΟΥΜΕ ΣΤΟ ΑΠΟΛΥΤΟ ΜΗΔΕΝ

Ας σκαλίσουμε λίγο περισσότερο αυτή τη θερμοκρασία,  τη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός.  Είπαμε νωρίτερα πως η θερμική ενέργεια είναι η συνολική κινητική ενέργεια των μορίων ενός σώματος.  Αν λοιπόν επιστρέψουμε στο παράδειγμα με το δωμάτιο και τα μόρια του αέρα είπαμε πως αν αυξήσω τη θερμοκρασία τα μόρια του αέρα κινούνται πιο γρήγορα αν όμως ρίξω την θερμοκρασία  στο δωμάτιο τα μόρια του αέρα αρχίζουν και επιβραδύνουν.  Αν ψύξω κι άλλο το δωμάτιο επιβραδύνουν ακόμα περισσότερο άρα υπό αυτό το πρίσμα θα μπορούσα να φτάσω σε μία θερμοκρασία που να ακινητοποιήθουν τα μόρια. Αυτή θα μπορούσε να είναι μία θεωρητική θερμοκρασία την οποίαν και αποκαλούμαι το απόλυτο μηδέν ή – 273.15 βαθμοί Κελσίου.  Όμως η φύση δεν λειτουργεί έτσι και με τον τρόπο της μας απαγορεύει να φτάσουμε στο απόλυτο μηδέν.  Ας δούμε γιατί εξετάζοντας το αρχικά υπό τη σκοπιά της κλασικής φυσικής.  Για να ψύξω κάτι απαιτείται να προσφέρω ενέργεια και όσο περισσότερο προσπαθώ να ρίξω την θερμοκρασία  τόσο περισσότερη ενέργεια πρέπει να προσφέρω.  Αυτό σημαίνει πως για να φτάσω στο απόλυτο μηδέν θα πρέπει να προσφέρω ένα άπειρο ποσό ενέργειας κάτι το οποίο καθιστά αδύνατη αυτή την προσπάθεια.  Όμως ακόμα και αν παραβλέψουμε αυτή την επεξήγηση η κβαντική μηχανική είναι εκεί για να μας δώσει έναν ακόμα καλό λόγο για τον οποίον δεν μπορούμε να φτάσουμε στο απόλυτο μηδέν.  Για να γίνει αυτό θα πρέπει να θυμηθούμε την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg,  η οποία μας λέει πως όσο μικρότερη αβεβαιότητα έχω ως προς τη θέση τόσο μεγαλύτερη αβεβαιότητα και σφάλμα έχω ως προς την ορμή. Ο μαθηματικός τύπος που διατυπώνει την αρχή της απροσδιοριστίας του Ηeisenberg εμφανίζεται στον μαυροπίνακα στο μέσο της οθόνης. Θα μου πείτε πού κολλάει αυτό με τη θερμοκρασία;  Το απόλυτο μηδέν είπαμε πως σημαίνει η κατάσταση της πλήρης ακινησίας όλων των σωματιδίων δηλαδή ξέρουμε ακριβώς που βρίσκονται, τη θέση τους!  Αν συμβεί αυτό η αρχή της αβεβαιότητας απαιτεί να υπάρχει μεγάλη απροσδιοριστία ως προς τη ορμή τους.  Αυτό σημαίνει πως δεν είναι απολύτως γνωστό ότι βρίσκονται σε ηρεμία.  Υπάρχει δηλαδή ένα οριακό σημείο μέχρι το οποίο μπορούν να επιβραδυνθούν και δεν μπορούμε να πάμε κάτω από αυτό το όριο, ένα όριο στο οποίο έχουν μία ελάχιστη ενέργεια.  Την ενέργεια που ονομάζουμε ενέργεια μηδενικού σημείου.