يتم شرح ما هو الصفر المطلق أو صفر كلفن في ضوء قوانين الغازات. و خصائص المادة عند درجات الحرارة المنخفضة أو فيزياء درجات الحرارة المنخفضة.
عند رسم علاقة بين الحجم – درجة الحرارة و (الضغط – درجة الحرارة) للغاز المثالي تظهر خطوط مستقيمة كما بالشكل. هذا التناسب الطردي بين الضغط أو الحجم مع درجة الحرارة بين أن الغازات تتمدد خطيًا مع درجة الحرارة المقاسة على مقياس سيلزيوس. و نستنتج من هذا الشكل أن
- أي الزيادات المتساوية في درجة الحرارة تؤدي إلى زيادات متساوية في الحجم (قانون شارل)
- الزيادات المتساوية في درجة الحرارة تؤدي إلى زيادات متساوية في الضغط (قانون جاي لوساك)
- تقطع الخطوط المحور الرأسي محددة الحجوم أ الضغوط عند درجة صفر سليزيوس.
- لو قمنا بمد الخط فإننا سنتقاطع مع المحور الأفقي أي عند درجة الحرارة التي ينعدم عندها الضغط و الحجم.
تعريف الصفر المطلق
درجة الحرارة التي ينعدم عندها ضغط و حجم غاز مثالي نظرياً. و تساوي 273- درجة مئوية (أو سليزية). و تسمى درجة الحرارة هذه الصفر المطلق لأننا نعتقد أنها أقل درجة حرارة ممكنة.
لذلك تم عمل مقياس جديد للحرارة يبدأ من هذه الدرجة و سمي مقياس كلفن.
مقياس كلفن
هو مقياس لقياس درجة الحرارة ابتكره اللورد كلفن. و يتميز بأن
- جميع درجات الحرارة على هذا المقياس موجبة.
- العلاقة بينه و بين مقياس سيلزيوس تكتب كالأتي
- تعد درجة الحرارة الكلفنية هي وحدة درجة الحرارة في النظام العالمي.
و هناك كم من الظواهر تصاحب الصفر المطلق أو الصفر كلفن أو تحديا تحدث للمادة عندما تقترب من الصفر كلفن. هذه الظواهر تعبر عن فيزياء تسمى فيزياء درجات الحرارة المنخفضة. هذه الظواهر مثل
- على حسب نظرية الحركة للغازات عند درجة صفر كلفن تتوقف عندها الجزيئات عن الحركة.
- تنعدم لزوجة الهليوم عندما تقترب درجة الحرارة من صفر كلفن. أي ينساب دون أي احتكاك. حتى أنه لا يمكن الاحتفاظ به في وعاء مفتوح لأنه يتدفق من الداخل للخارج.
- تصبح بعض المعادن والمركبات موصلات فائقة التوصيل (أي مقاومتها الكهربية منعدمة) حيث يتدفق فيها التيار إلى الأبد.
- ظاهرة مايسنر و هي ظاهرة تعلق مغناطيس في الهواء فوق مادة فائقة التوصيل.
تستخلص أن
درجة الحرارة ترتبط ارتباط وثيق بالعالم المجهري (حركة الجزيئات) و من ثم خواص المادة. فمثلا عندما يسخن الغاز وترتفع درجة حرارته فهذا يعني مجهريا زيادة متوسط سرعة جزيئاته.
- فإذا كان حجم الغاز ثابتًا فيزداد ضغطه لزيادة معدل تصادم الجزيئات مع جدران الإناء الحاوي على الغاز.
- فإذا كان ضغط الغاز ثابتًا فإن الحجم يجب أن يزداد محافظا على ثبات معدل تصادم الجزيئات مع الجدران.