Vielu fizikālās īpašības

Jau sadaļā par temperatūru un termometriem tika minēts, ka dabā pastāv temperatūras zemākā robeža, kas ir vienāda ar -273,15 oC jeb 0 K (1. att.). No otras puses, temperatūra nav ierobežota, līdz ar to dažādos procesos tā var sasniegt ļoti augstas vērtības, piemēram, lielu un masīvu zvaigžņu dzīves pēdējā stadijā temperatūra to dzīlēs var sasniegt 3 000 000 000 K (1. att.). Salīdzinot ar šādām temperatūrām, dabiskais temperatūras diapazons, kas ir novērojams uz Zemes, ir ļoti šaurs, tikai no aptuveni 184 K līdz 330 K (-89 oC līdz +57 oC), tomēr tas nav liedzis cilvēkiem mākslīgi sasniegt temperatūras, kas tikpat kā sasniedz absolūto nulli vai arī kas krietni pārsniedz temperatūru, kāda sastopama Saules dzīlēs (1. att.). 

1.att. Dažādas temperatūras vērtības uz Zemes un ārpus tās 

Laika gaitā cilvēki atklāja, ka zemās temperatūrās materiāliem sāk parādīties interesantas un noderīgas īpašības, piemēram, ir materiāli, kuriem absolūtās nulles temperatūras tuvumā iestājas supravadošs stāvoklis jeb to elektriskā pretestība praktiski kļūst vienāda ar nulli. Savukārt ja kādā eksperimentā ar detektoru ir jāuztver ļoti vāji signāli infrasarkanajā diapazonā, tad to var traucēt paša detektora siltumstarojums. Tādēļ šādos eksperimentos detektoru var dzesēt, piemēram, ar šķidro slāpekli (2. att.), lai izslēgtu daļu no trokšņiem signālā.

2.att. Dzesēšana ar šķidro slāpekli

Sašķidrinātas gāzes var lietot arī ikdienas mērķiem. Piemēram, balonos iepildītu sašķidrinātu propānu var lietot ēdiena gatavošanai (3. att. a). Uz Latvijas ceļiem var manīt arī automašīnas, kuru dzinējus darbina nevis benzīns vai dīzelis, bet tieši gāze. Šādas automašīnas ir aprīkotas ar speciālu balonu (3. att. b), kurā gāze glabājas sašķidrinātā stāvoklī.

3.att. Sašķidrinātās gāzes lietošana  

Dažādos tehnoloģiskajos procesos ir nepieciešams sasniegt augstas un ļoti augstas temperatūras. Metālu ražošanas uzņēmumos, piemēram, „Liepājas metalurgā” ražošanas procesā ir jāsasniedz metālu kušanas temperatūras, kas var būt pat 1 500 K. Šādas temperatūras tiek iegūtas metālu kausēšanas krāsnīs, kuru apsildei izmanto, piemēram, ogles. Ar augstas temperatūras avotiem mēs nereti sastopamies arī dabiskos apstākļos. Piemēram, negaisa laikā zibens bultas temperatūra var sasniegt 28 000 K. 

4.att. Zibens

Mūsu ikdienas sildītājas Saules (5. att.) virsmas temperatūra sasniedz ap 5 800 K temperatūru, kas, salīdzinot ar zibens bultas temperatūras, šķiet maza, tomēr jāatceras, ka zibens uzplaiksnījums ilgst tikai īsu brīdi, bet Saule spīd visu laiku, turklāt Saules centrā temperatūra sasniedz pat 16 000 000 K, un tur veiksmīgi norisinās kodolreakcijas. Šobrīd zinātnē ir aktuāls jautājums par kodolreaktoru būvi, kuros notiktu līdzīgas kodolreakcijas kā Saulē, līdz ar to varētu rēķināties, ka sasniedzamās temperatūras arī būtu tādā pašā līmenī.

5.att. Saule

Kāda ir zemākā dabiskā temperatūra, kas novērota uz Zemes?

- 100,2 Celsija grādi
- 89,2 Celsija grādi
- 273,2 Celsija grādi
- 373,2 Celsija grādi

Lai iegūtu sašķidrinātu gāzi, bija nepieciešams attīstīt zemu temperatūru iegūšanas metodes, jo pirmais nosacījums, lai gāzi varētu sašķidrināt, ir tāds, ka tā ir jāatdzesē zem kritiskās temperatūras (1. att.), citādi to nav iespējams pārvērst šķidrā stāvoklī. Gāzu sašķidrināšanai plaši izmanto divas metodes. Viena metode ir saistīta ar to, ka gāze, strauji izplešoties, atdziest. Otrā metodē izmanto faktu, ka gāze atdziest, ja tā adiabātiski veic darbu.

1.att. Dažādas kritiskās temperatūras

Kamēr cilvēkiem uz Zemes ir „jāmokās”, lai iegūtu sašķidrinātu gāzi, tikmēr citās vietās Saules sistēmā apstākļi ir citādi. Piemēram, pastāv iespēja, ka Saturna pavadonim Titānam uz virsmas ir šķidra metāna ezeri un upes, jo temperatūra uz šī debess objekta ir aptuveni -180 oC, kas ir pietiekami, lai metāns pastāvētu šķidrā formā. Uz Zemes dabīgā pavadoņa Mēness (2. att.) šādu apstākļu gan nav, jo, salīdzinot ar Titānu, Mēnesim nav atmosfēras, līdz ar to temperatūra uz tā ļoti krasi mainās diennakts laikā (-170 oC līdz +130 oC).

2.att. Zemes dabīgais pavadonis Mēness

To, ka uz Titāna ir vidēji zemāka temperatūra nekā uz Mēness, nosaka arī tas, ka Mēness ir krietni tuvāk Saulei (3. att.), līdz ar to saņem no tās lielāku enerģijas daudzumu. Iepriekš tika pieminētas divas ar Sauli saistītas temperatūras – tās virsmas temperatūra, kas ir aptuveni 6 000 K, un temperatūras Saules centrā, kas ir ap 16 000 000 K. Tomēr Saulei ir ļoti sarežģīta uzbūve (3. att.) – dažādiem Saules uzbūves elementiem katram ir sava raksturīgā temperatūra vai to diapazons.

3.att. Dažādas ar Sauli saistītas temperatūras 

Saules centrā ir ne tikai liela temperatūra, bet arī liels spiediens, ko nodrošina lielais gravitācijas spēks, kas satur Sauli kopā. Spiediena aptuveno vērtību var novērtēt, ja pieņem, ka spiedienu Saules centrā veido divu Saules pusložu pievilkšanās Saules rādiusa RSattālumā (1. att.). Abas puslodes pievelkas ar spēku F = G · 0,5m · 0,5m : RS2 ≈ 1,5 · 1032 N, kur m ir katras puslodes masa, G ir gravitācijas konstante. Šis spēks ir vienāds ar tādu smaguma spēku, ko uz Zemi radītu ķermenis, kura masa pielīdzināma 25 miljoniem Zemes masu. Spiedienu iegūst no formula p = F : S, kur S ir Saules šķērsgriezuma laukums, kas izsakāms kā S = πRS2. Gala rezultātā iegūst izteiksmi p = Gm2 : (4πRS4) un ja ievieto nepieciešamās vērtības p≈1014 Pa.

1.att. Saule kā divas puslodes, kas pievelkas

Viens gāzes sašķidrināšanas mehānisms redzams 2. attēlā. Vispirms gāze (1) tiek ievadīta kompresorā (2), kur tā tiek saspiesta. Tālāk punktā (3) tā sadalās divos atzaros. Viena daļa aiziet uz kameru ar virzuli (4) un, pārvietojot šo virzuli, veic darbu un atdziest. Otra gāzes daļa iziet caur spirālveida cauruli un caurules beigās (5) izspurdz caur sprauslu, tādā veidā arī atdziestot. Tālāk atdzesētā gāze nonāk atpakaļ kompresorā (2) un tiek pakļauta tālākam atdzesēšanas procesam vai arī, ja tā sasniegusi sašķidrināšanās temperatūru, tad tiek uzkrāta sašķidrinātās gāzes rezervuārā.

2.att. Gāzes sašķidrināšanas shēma

Runājot par vēl citiem zemu temperatūru iegūšanas veidiem, jāpiemin sadaļā par temperatūru un termometriem minēto gāzes atdzesēšanas metodi, kad gāzes daļiņas no visām pusēm tiek apšaudītas ar lāzera starojumu (3. att.), tādā veidā samazinot to siltumkustību. Šādā veidā iegūst temperatūras, kas ir krietni zem 1K.

3.att. Viens no gāzes atdzesēšanas veidiem