Механика

Что такое холод

Состояние и свойства вещества зависят от его температуры. Например, вода при температуре ниже 0°С - это твердое тело, при 100° С и нормальном атмосферном давлении она превращается в пар, а при десятках тысяч градусов Цельсия - в плазму.

Температура определяется скоростью теплового движения молекул и атомов. Чем быстрее они двигаются, тем выше температура вещества. Когда тепловое движение частиц затихает, вещество охлаждается. Если же тепловое движение совсем прекратится, дальнейшее понижение температуры станет, очевидно, невозможным. Такую наинизшую температуру называют абсолютным нулем и принимают ее за начало отсчета в термодинамической шкале температур. Термодинамическая температура по этой шкале определяется в единицах, носящих имя английского физика У. Кельвина (см. ст. "Всему миру - одну меру"). По размеру градус термодинамической шкалы - кельвин (К) и градус Цельсия (°С) между собой равны. Соотношение между температурой в Кельвинах (Т) л температурой в градусах Цельсия (t) следующее: Т= t+273,15. Температура таяния льда равна 273,15 К, или 0°С, а температура кипения воды (при атмосферном давлении) 373,15 К, или 100°С (рис. 1); комнатной температуре 20° С соответствует 293,15 К.

Повседневный опыт убеждает нас в том, что при контакте двух тел с разной температурой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому и температуры обоих тел постепенно выравниваются. Передача тепла от менее нагретого тела к телу с более высокой температурой никогда не происходит самопроизвольно. Чтобы осуществить такую передачу, надо затратить энергию - механическую, электрическую, химическую или еще какую-нибудь другую. Чем ниже температура охлажденного тела, тем больше нужно затратить энергии для ее дальнейшего снижения. Особенно велика затрата энергии на охлаждение вблизи абсолютного нуля (0 К). Чтобы охладить тело на температурном уровне 3 К (-270° С), нужно выполнить в 1000 раз больше работы, чем для такого же охлаждения его при температуре 270 К (-3°С). При абсолютном же нуле затрата энергии для дальнейшего охлаждения тела должна быть равна бесконечности. Это, кстати, показывает, что охладить тело точно до О К вообще невозможно.

Свойства многих тел при понижении температуры меняются. Мягкая и упругая резина при температуре около -200° С становится жесткой и от удара молотком раскалывается; как стекло. Так же ведут себя многие металлы: железо, сталь, свинец становятся хрупкими. Свинцовый колокольчик, охлажденный в жидком азоте, издает мелодичный звон. Но есть металлы и сплавы, хрупкость которых не увеличивается с понижением температуры. Таковы, например, медь и ее сплавы, алюминий. Из этих металлов и изготовляют аппаратуру, работающую при очень низких температурах.