Температура, її вплив та природні процеси

Аналізуючи результати експерементальних досліджень поведінки речовини при низьких температурах, В.-Г. Нернст сформулював третій закон термодинаміки так: при наближенні температури до абсолютного нуля ентропія будь-якої рівноважної системи при ізотермічних процесах перестає залежати від термодинамічних параметрів стану і при Т - > 0 набуває ту саму сталу для всіх систем, яку можна вважати такою, що дорівнює нулю. М. Планк припустив, що поблизу абсолютного нуля має місце не тільки незмінність ентропії в довільному ізотермічному процесі, а й що сама ентропія перетворюється в нуль при абсолютному нулі температур,тобто

lim S = 0 Т - > 0

При цьому М.Планк поширив це твердження з випадку кондинсованих систем, які тільки і розглядав В.-Г.Нернст, на довільні системи. Вказана формула - це найбільш загальне вираження третього закону термодинаміки.З третьго закону термодинаміки випливає безпосередньо положення про недосяжність абсолютного нуля температур.Це положення випливає з того факту, що всі фізичні методи одержання наднизьких температур грунтується на застосуванні адіабатних процесів, які приводять до охолодження систем, що виконують ці процеси. Проте при наближенні до абсолютного нуля відмінність між діабатними й ізотермічними процесами дедалі зменшується і в точці абсолютного нуля зовсім зникає. Таким чином, з наближенням до абсолютного нуля ефект адіабатного охолодження стає все нижчим, поки зовсім не зникає. Отже, можна тільки асимпотично наближатися до абсолютного нуля, ніколи його не досягаючи.

Застосування низької температури в біології.

Низькі температури в біології застосовуються зокрема при вивченні будови клітин та їх органел, а саме в електронній мікроскопії під час так званого відколювання.

Фрагмент тканини швидко заморожують при дуже низькій температурі ( близько -100 С0 ) , потім розморожується , після цього за допомогою надзвичайно тонкого леза тканина розколюється впродовж слабо з’єднаних частин, якими часто являються клітинні мембрани. Препарат витримують вхолоді в умовах високого розрідження ( вакуумі ) ; в цих умовах лід відганяється залишаючи сколоту поверхню.

Репліку цієї поверхні створюють шляхом осадження на неї шару вуглецю. На цю репліку з вуглецю напиляється важкий метал , а тканини під реплікою руйнуються, як правило дією сильних кислот при нормальному атмосферному тиску. Цей метод е дуже зручним при вивченні структури мембрани клітин . Його зручність полягає в тому , що живі тканини швидко відмерають , не піддаючись хімічній обробці, що може пошкодити її структуру. Дуже можливо, що такі клітини зберігають свою попередню ( прижиттєву форму ) тим самим підтверджуючи дані, отримані за допомогою загальновживаних гістологічних методик.

Низькі температури в електроніці.

Було досліджено, що деякі характерні неметали за певних умов можуть проявляти металічні властивості. А саме при наднизькій температурі та високому тиску, наприклад , червоний фосфор набуває металічних властивостей. Не менш цікаві результати були отримані для кремнія та вуглецю. Якщо ці неметали піддати високому тиску ,( близько 10000 МРа ) то вони обидва переходять до металічного стану.

Особливо цікавими є припущення про металічні властивості водню. Як відомо, за нормальних умов водень - газ, при температурі -2530 він зріджується, а при 2590 переходитьдо твердого стану .Проте у всих трьох станах водень - явний неметал. Проте, згідно з сучасною теорією твердого тіла, при достатньо високому тиску та низькій температурі всі речовини переходять до металічного стану. Відомі також умови при яких повинен відбутись такий перехід у водню: тиск (біля 200000МРа ) і температура - 2600. Ще зовсім недавно такі умови були за межею експерементальних можливостей. За цих умов водень є надпровідником (йогоелектричний опір рівний нулеві). Якби надпровідність можна було зберегти при нормальних умовах , то надпровідники можна було б використовувати для передачі енергії без втрат, що безперечно призвило б до революційних змін в електроніці.

Використана література:

Молекулярна біологія клітини Р.Грін Н.Стаут О. Тейлор

Загальна Фізика В.Дущенко М.Кучерук