Kas ir absolūtā temperatūra?

Absolūtā temperatūra ir temperatūra, ko mēra, izmantojot skalu, kas sākas ar nulli, kur šī nulle ir aukstākā teorētiski sasniedzamā temperatūra dabā. Ir divas izplatītas absolūtās temperatūras skalas, kas iegūtas no Fārenheita skalas un Celsija vai Celsija skalas. Pirmā ir Rankine skala, bet otrā ir Kelvina skala. Lai gan tās joprojām tiek izmantotas parastajiem nolūkiem, gan Celsija, gan Fārenheita skalas, kuru zemākā vērtība ir zem nulles, ir mazāk vēlamas skaitļošanas zinātniskiem nolūkiem. Nulle grādi Rankine ir identisks nulle grādiem pēc Celsija.

Vienkārši sakot, temperatūra ir indikators tam, cik karsts vai auksts objekts ir attiecībā pret citiem objektiem. Tā kā temperatūra mainās atkarībā no sezonas un situācijas, salīdzināšanai tika izstrādāta skala ar vidējām gradācijām. Lai izveidotu noderīgu skalu — globālu, nemainīgu standartu, ir nepieciešami divi fiksēti punkti. Loģiska izvēle, uz kuru balstīt standarta temperatūras skalas, bija ūdens, jo tas ir bagātīgs, pieejams, maina stāvokli noteiktās temperatūrās un ir viegli attīrāms. Tomēr, kā minēts iepriekš, temperatūra ir saistīta ar siltumu, un siltums pamatlīmenī attiecas uz atomu un molekulu kustību.

Enerģiju atomi un molekulas var absorbēt dažādos veidos, piemēram, ar elektronu ierosmi, elektronu pārnesi no zemāka orbitālā stāvokļa uz augstāku. Tomēr kopumā enerģija tiek absorbēta un palielina visa atoma vai molekulas kustību. Šī enerģija – enerģija, kas noved pie “kinēzes” vai kustības – ir kinētiskā enerģija. Pastāv vienādojums, kas saista kinētisko enerģiju ar siltumu: E = 3/2 kT, kur E ir sistēmas vidējā kinētiskā enerģija, k ir Bolcmana konstante un T ir absolūtā temperatūra Kelvina grādos. Ņemiet vērā, ka šajā aprēķinā, ja absolūtā temperatūra ir nulle, vienādojums norāda, ka kinētiskās enerģijas vai kustības vispār nav.

Enerģijas veids patiesībā joprojām pastāv nulles grādu absolūtā temperatūrā, lai gan tas nav tas, ko norāda iepriekš minētais klasiskās fizikas vienādojums. Atlikušo kustību prognozē kvantu mehānika, un tā ir saistīta ar īpašu enerģijas veidu, ko sauc par “nulles punkta vibrācijas enerģiju”. Kvantitatīvi šo enerģiju var aprēķināt matemātiski no kvantu harmoniskā oscilatora vienādojuma un zinot Heizenberga nenoteiktības principu. Šis fizikas princips nosaka, ka nav iespējams zināt ļoti sīku daļiņu atrašanās vietu un impulsu, tāpēc, ja atrašanās vieta ir zināma, daļiņai ir jāsaglabā neliela vibrācijas sastāvdaļa.