10 fatti interessanti sulla temperatura

La temperatura è una delle misure fondamentali in fisica ed è assolutamente cruciale per tutti i tipi di vita. Ma alle temperature ultra-alte e ultra-basse, le cose possono diventare molto strane, come vedrai. Ecco una lista di dieci fatti interessanti su questo importante fattore nel nostro mondo:

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La temperatura più calda dell'uomo

La temperatura più calda prodotta dall'uomo mai registrata è di 7,2 trilioni di gradi fahrenheit, ovvero circa quattro miliardi di gradi centigradi. Dato che speriamo di ridurre al minimo l'uso di superlativi in ​​questa lista, diciamo semplicemente: è piuttosto caldo. In effetti, è circa 250.000 volte più caldo della temperatura al centro del sole. Le registrazioni estreme sono state fatte al Brookhaven Natural Laboratory di New York, nel loro Relativistic Heavy Ion Collider da 2,4 miglia. Gli scienziati avevano distrutto ioni d'oro insieme, nel tentativo di ricreare le condizioni del big-bang creando un plasma di quark-gluoni. In questo stato di plasma, le particelle che costituiscono il nucleo degli atomi - protoni e neutroni - si rompono e creano una "zuppa" dei loro quark costituenti.

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La luce fa cose fantastiche quando viene raffreddata

Abbiamo già fatto menzione del condensato di Bose-Einstein. È un fenomeno che si verifica per importare a una frazione di grado al di sopra dello zero assoluto. Sebbene in precedenza fossero state osservate solo a temperature estremamente fredde, gli scienziati sono stati in grado di ricreare l'effetto a temperatura ambiente, utilizzando la luce invece della materia.

Sono riusciti a farlo a causa della densità relativa della materia e della luce; uno degli scienziati coinvolti, Jan Klars, ha spiegato che "il nostro gas fotonico ha una densità miliardi di volte più alta e possiamo raggiungere la condensazione già a temperatura ambiente". Hanno forzato la luce a viaggiare attraverso due specchi con particelle di colorante tra loro. Mentre la luce rimbalzava avanti e indietro, perdeva un po 'di energia ogni volta che passava attraverso una tintura. E quando raggiunse la temperatura ambiente, la luce iniziò a comportarsi come un gas ultrafresco fatto di materia tradizionale. Questo risultato assume una rilevanza completamente nuova quando apprendiamo che potrebbe portare a nuovi tipi di laser, il che, dopo tutto, dovrebbe essere l'obiettivo finale di tutte le ricerche di fisica.

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Temperature estreme del sistema solare

Alcuni di voi potrebbero già avere familiarità con i seguenti confronti, ma prendetevi un momento per pensare a cosa significano realmente, in relazione alle normali temperature dell'esperienza umana. Il sole - prendere in prestito un eufemismo da una voce precedente - è piuttosto caldo. È al suo massimo nel centro, che raggiunge circa ventisette milioni di Fahrenheit (quindici milioni di Kelvin). In confronto, è in realtà meno di diecimila gradi Fahrenheit sulla sua superficie (circa 5.700 K).

Il centro della Terra si trova all'incirca alla stessa temperatura della superficie del sole. A parte il centro del sole, la parte più calda del nostro sistema solare è il nucleo di Giove, che, notevolmente, è cinque volte più caldo della superficie del Sole.

E il posto più freddo? Questo è in realtà sulla nostra stessa luna, dove le temperature nell'ombra di alcuni crateri sono solo trenta Kelvin sopra lo zero assoluto. Le temperature, misurate dal Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA, sono ancora più fredde di quelle su Plutone.

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Tripli punti

L'unità di temperatura SI è il Kelvin. Le temperature utilizzate per definire questo sono lo zero assoluto, il limite inferiore di temperatura e quello che è noto come il punto triplo dell'acqua. Un punto triplo è definito come la temperatura con cui i tre stati di materia tradizionali di una sostanza esistono in un equilibrio. A questo punto, la modifica più infinitamente piccola alla temperatura o alla pressione può essere utilizzata per alterarne lo stato in un modo o nell'altro.

Per definire un Kelvin, si prende la differenza di temperatura tra il punto triplo dell'acqua e lo zero assoluto e lo si divide per 273,16. Ci sono applicazioni pratiche limitate del punto triplo dell'acqua, ma la sua vicinanza al punto di fusione è la chiave per far sì che il cuscino acquoso sia necessario per consentire alle persone di pattinare sul ghiaccio.

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Gli scienziati l'hanno trascurato

Le regole della natura che governano la temperatura sono conosciute come le leggi della termodinamica. In origine c'era solo una prima, una seconda e una terza legge, ma poi gli scienziati hanno elaborato una quarta legge. La nuova legge affermava che "se due sistemi sono ciascuno in equilibrio termico con un terzo sistema, sono anche in equilibrio termico l'uno con l'altro".

Ciò significa fondamentalmente che se due oggetti non hanno uno scambio di calore netto con un terzo oggetto, non lo farebbero l'uno con l'altro - che è il modo in cui li definiamo alla stessa temperatura.

Gli scienziati hanno presto capito che questa legge è fondamentale per l'intero campo della termodinamica; hanno anche capito che avrebbe dovuto essere la prima regola che hanno formulato. Poiché la "prima legge" era già stata presa, gli hanno dato il dovuto rispetto chiamandola "legge zeroth". Era il 1935 quando fu coniata la legge, il che significa che gli scienziati non riuscirono a definire in modo formale quale fosse la temperatura fino a un paio di centinaia di anni nello sviluppo del campo.

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Temperature estreme dell'abitazione umana

Alcune persone hanno stabilito le loro case nei posti più improbabili. I più freddi luoghi abitati permanentemente nel mondo sono le città di Oymyakon e Verkhoyansk in Siberia, che abbiamo menzionato prima. Durante l'inverno, le temperature sono al di sotto di meno di cinquanta gradi Fahrenheit.

La città più fredda del mondo è anche in Siberia. Yakutsk, con una popolazione di 270.000 persone, non è molto più caldo in inverno dei suoi cugini più piccoli, spesso scendendo sotto i quaranta gradi Fahrenheit. Ma in piena estate, le temperature possono oscillare fino all'altra estremità della scala, fino a quasi novanta gradi Fahrenheit.

La temperatura media registrata più alta appartiene alla città abbandonata di Dallol, in Etiopia, che ha registrato una temperatura media di novantasei gradi negli anni '60. Il record per la città più calda è Bangkok, con temperature medie dell'aria superiori a novantatre gradi tra marzo e maggio.

Ma il record per il posto di lavoro più caldo probabilmente va alla miniera d'oro di Mponeng, in Sud Africa. A due miglia sotto la superficie, le temperature della roccia possono raggiungere i 150 gradi Fahrenheit. Il ghiaccio deve essere pompato nella miniera e le pareti sono coibentate con cemento per consentire alle persone di lavorare lì senza perire.

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Più fredda temperatura artificiale

Rendere le cose fredde ha prodotto molti risultati interessanti e importanti nella scienza. Gli esseri umani fanno le cose più fredde conosciute nell'universo, molti ordini di grandezza più fredda di qualsiasi cosa avvenga naturalmente. La refrigerazione consente di raggiungere temperature di pochi milliKelvin. La temperatura più fredda mai raggiunta è leggermente inferiore a cento picoKelvins o 0,0000000001 K. È necessario utilizzare un tipo di raffreddamento magnetico per raggiungere temperature così basse. Temperature simili possono essere raggiunte su piccola scala usando laser.

A queste temperature, la materia si comporta diversamente dal modo in cui funziona normalmente (si veda il condensato di Bose-Einstein qui sopra come esempio), un fatto che è la chiave per rivelare le molte stranezze della meccanica quantistica.

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L'universo sta diventando più freddo

Se dovessi portare un termometro nello spazio profondo e lasciarlo lì, lontano da qualsiasi fonte di radiazioni, leggerebbe 2,73 Kelvin, un po 'più basso di meno 454 gradi Fahrenheit. Questa è la temperatura più fredda presente nell'universo.

Lo spazio è mantenuto sopra lo zero assoluto dalla radiazione di fondo lasciata dal Big Bang. Sebbene lo spazio sia comunque molto freddo, è interessante notare che uno dei maggiori problemi incontrati dagli astronauti è in realtà il calore. Il metallo nudo su oggetti in orbita può raggiungere i cinquecento gradi Fahrenheit (260 ° C) a causa del calore senza sole del sole, e deve essere coperto con rivestimenti speciali per abbassare la temperatura di contatto a 250 Fahrenheit (120 ° C).

Lo spazio esterno in sé, tuttavia, si raffredda costantemente. La teoria lo ha predetto a lungo, e recenti misurazioni hanno confermato che l'universo si sta raffreddando di circa un grado ogni tre miliardi di anni.

Continuerà a dirigersi verso lo zero assoluto, anche se non lo raggiungerà mai abbastanza (un'impresa impossibile). Il calore di fondo dell'universo fa poca differenza per noi; l'effetto dei corpi celesti nel nostro sistema solare e la galassia lo sminuiscono. Quindi non ha intenzione di contrastare il riscaldamento globale, nel caso qualcuno abbia delle idee.

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Teoria calorica

Il calore è una proprietà meccanica della materia. In parole semplici: più una cosa è calda, più l'energia le sue particelle hanno mentre si muovono. Gli atomi di un solido incandescente vibrano più rapidamente degli atomi in un pezzo di materiale freddo. Allo stesso modo, quelli in un mago di liquido o gas circa con una velocità che dipende da quanto sono caldi. È roba piuttosto elementare, che probabilmente hai imparato al liceo, ma per centinaia di anni fino alla fine del diciannovesimo secolo, gli scienziati credevano che il calore stesso fosse in realtà una sostanza. Questo è noto come teoria calorica.

Il gas di "buon umore", secondo gli scienziati, evaporerebbe da una sostanza calda, raffreddandola. Passerebbe da un oggetto caldo a uno più fresco. Molte delle previsioni derivanti dalla teoria del calorico sono vere e molti progressi scientifici sono stati possibili nonostante questo fondamentale fraintendimento. La teoria del calorico aveva persino dei proponenti fino alla fine del diciannovesimo secolo, quando la teoria meccanica del calore fu stabilita oltre ogni disputa.

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La temperatura di Planck

Questa lista ha fatto molte menzioni di zero assoluto. Ne abbiamo già parlato prima su Listverse. Ma che dire dell'altra estremità della scala? Quanto possono essere calde le cose? La risposta breve è che non lo sappiamo per certo; ed è una questione in prima linea nella fisica fondamentale moderna.

La temperatura più calda comunemente menzionata nella scienza è conosciuta come la temperatura di Planck. È la temperatura più calda che si ritiene sia avvenuta nell'universo, una mera frazione di un momento dopo il Big Bang. Si tratta di 10 ^ 32 Kelvin. Per darti una prospettiva, sono circa dieci miliardi miliardi miliardi di volte più caldi della temperatura menzionata in precedenza, che era a sua volta 250.000 volte più calda del nucleo del sole. E hai pensato che l'acqua del tuo bagno fosse calda. La temperatura di Planck è la temperatura più alta possibile, secondo il modello standard. Qualsiasi più caldo, e le leggi convenzionali della fisica cominciano a crollare.

È possibile che la temperatura possa continuare ad aumentare anche dopo questo punto; e semplicemente non sappiamo cosa succederebbe se lo facesse. Qualunque cosa sia più eccitante di quella è fondamentalmente troppo calda per esistere nel nostro attuale modello di realtà.