Absoluuttinen nollapiste

Kuva 1: Lämpömittari, joka ulottuu Victorian keskustasta St. Johnsiin. Victoria olisi huoneenlämpöinen, vesi jäätyisi AB-BC-rajan tuntumassa ja absoluuttinen nollapiste olisi satamassa St. Johnsin keskustassa. Bose Einstein -kondensaatit ovat muutaman nanokelvinin (muutaman hiekanjyvän) päässä päätepisteestä).

Lämpötila on mitta siitä, kuinka paljon lämpöenergiaa systeemissä on. Tämä mittaus tarkoittaa sitä, että kaikilla liikkeessä olevilla atomeilla ja molekyyleillä on tietty määrä liike-energiaa (ja vähemmän ilmeisesti potentiaalienergiaa). Kun kaikki systeemin molekyylit (tai atomit) lakkaavat liikkumasta kokonaan, ne ovat niin kylmiä kuin ne voivat olla. Tätä lämpötilaa, jossa lämpöenergiaa ei ole lainkaan, kutsutaan absoluuttiseksi nollapisteeksi.

Numeerisesti tämä kirjoitetaan muodossa 0 K, -273.15°C, tai -459.67°F.

Ajatus absoluuttisesta nollapisteestä auttaa ymmärtämään, kuinka paljon energiaa kaasumolekyyleistä on saatavissa ideaalikaasun laissa, koska lämpötila on mitattava absoluuttisella asteikolla (kuten Kelvinin asteikolla), jotta ideaalikaasun laki toimisi. Lisäksi absoluuttisen nollapisteen ajatus liittyy mustan kappaleen säteilyn fysiikkaan (kuinka paljon energiaa kohteesta säteilee ulos tietyssä lämpötilassa) ja lämpövoimakoneen suurimpaan mahdolliseen hyötysuhteeseen (jota kutsutaan Carnot-hyötysuhteeksi).

Asoluuttisen nollapisteen käsite on myös osa ilmastonmuutoksen fysiikkaa. Maapallon keskilämpötila, joka on noin 15°C, olisi 288 K. Jos kasvihuonekaasut nostaisivat planeetan lämpötilaa 1%, niin se ei nousisi 0,15 astetta, vaan 2,88 astetta. Kelvinillä ja Celsiuksella on molemmilla sama asteen lisäys, mutta Kelvin on absoluuttinen asteikko (eli sen nollakohta on todella nolla) ja Celsius on suhteellinen asteikko (sen nollakohta on mielivaltainen – sen on valinnut tiedemies). Tämän vuoksi lämpötila nousisi 2,88 astetta 0,15 asteen sijasta. Sen ymmärtäminen, miten nämä pienet prosentuaaliset muutokset maapallon lämpötilassa voivat johtaa rajuihin seurauksiin planeetalle, on tärkeä osa ilmastotiedettä.

Termodynamiikka on osoittanut, että absoluuttiseen nollaan on mahdotonta päästä, mutta fyysikot ovat päässeet hyvin lähelle. Laserjäähdytyksen ja magneettisen ansastuksen avulla on kokeissa onnistuttu saamaan atomit muutamien nK:n (10-9 K) lämpötiloihin, jolloin ne ovat muodostaneet Bose Einstein -kondensaatteja. Jotta saataisiin käsitys siitä, kuinka kylmä tämä on, kuvitellaan lämpömittari, joka ulottuu Victoriasta, BC:stä St. Johnsiin, Newfoundlandiin (7500 km) (ks. kuva 1).

• 293 K (20°C) Huoneenlämpötila – Victorian keskusta
• 273 K (0°C) Vesi jäätyy – BC:n ja Albertan raja
• 0 K – satama St. Johnsin Newfoundlandin keskustassa
• 1 nK – 0,026 mm:n etäisyydellä satamasta, joka on alle hiekanjyvän etäisyydellä lämpömittarin päästä!

Lisälukemista

• Lämpötila
• Celsius
• Fahrenheit
• Klima
• Lämpöenergia
• Tai tutki satunnaista sivua