Flere læsere vil gerne vide noget om ekstreme temperaturer.
Bl.a. Brian Hansen, som spørger:
Der findes et absolut nulpunkt på 0 Kelvin (-273,15 grader Celcius). Findes der så også et absolut maksimum?
E. F. Falbe-Hansen spørger:
Hvordan måler man ekstreme temperaturer som f.eks. metallers smeltepunkt eller vulkansk lava?
Hvorfor er -273,15 grader Celsius et absolut nulpunkt og den lavest mulige temperatur, som kan måles/fremstilles?
Og endelig spørger David Westergaard:
Findes der en absolut positiv temperatur? Jeg har i nogen tid undret mig over, om den findes en maksimal temperatur, ligesom der findes et absolut nulpunkt. Og, hvis der findes sådan en temperatur, hvad vil der så reelt ske med elementarpartikler, kvarker, ved denne temperatur?
Spørgsmålet er måske lidt vagt, thi en maksimal temperatur er relativ, for på et eller andet tidspunkt vil partiklen, der bliver udsat for temperaturen vel dekomponere til dens byggesten?
Malte Olsen, fysiker og redaktør af brevkassen 'Spørg Malte' på Niels Bohr Institutet, svarer:
Lad os begynde med de lave temperaturer, før vi vender os mod spørgsmålet om, hvorvidt der findes en max-temperatur.
Den laveste temperatur, der kan opnås, er en anelse over -273,15 ͦC. Den temperatur kaldes det absolutte nulpunkt, og denne temperatur kan principielt ikke nås, men kun tilnærmes.
Den temperatur, der derfor ligger tættest på, fås i første omgang ved ekstrapolation af f.eks. lufttermometre med idealgas til trykket 0 (uden at gassen fortættes, men samme temperatur fremkommer også nogenlunde ved elektrisk modstand osv.).
Den giver grundlag for en ny temperaturskala, Kelvin-skalaen, hvor denne temperatur er 0 K (ingen gradstegn). Gradernes længde i Kelvin-skalaen er den samme som i Celsius-skalaen.
Når dette er den absolut laveste temperatur, skyldes det, at atomerne (molekylerne) også adlyder de kvantemekaniske love, som giver anledning til et krav om en nulpunktsenergi. Partiklerne ligger altså ikke helt stille. Hvor tæt man kan komme på dette punkt, afhænger i nogen grad af, hvor meget teknik og opfindsomhed, man sætter ind på projektet.
Der er principielt flere kølemetoder. Problemet ved dem alle er, at stort set alle egenskaber, man kender, ændres mindre og mindre, des nærmere man kommer 0 K, og det betyder, at det både bliver sværere og sværere at køle og at måle.
Generelt køler man nær 0 K i de fleste tilfælde ud fra flydende helium, som koger ved 105 Pa ved 4,22 K.
Hvis man pumper gassen væk, falder temperaturen, så man når 2,1678 K, hvilket kaldes for Lambda-punktet. Her kommer den i en ny tilstand, man kalder superflydende, og der holder kogningen op. I stedet udvider væsken sig, og det fortsætter så nedad. I de fleste tilfælde kan man kun nå under 1 K, hvor helium i øvrigt igen ændrer adfærd i forhold til området imellem lambda-punktet og 1 K.
Lidt lavere temperaturer kan opnås med helium-isotop 3. Skal man endnu lavere, kan man bruge en blandingskryostat, hvor Helium-3 og Helium-4 blandes ved lave temperaturer. Man kan nå ned i området omkring 10 mK.
Den anden hovedlinje går på, at man foretager en såkaldt adiabatisk demagnetisering af passende stoffer, som er kølet ned. Her kan man nå under 100 pK, men der er så kun tale om temperaturen af kernespin.
En tredje metode er laser-køling, hvor man har enkeltatomer i en magneto-optisk fælde og nedsætter deres termiske bevægelser ved brug af laser. Her kan man nå under 100 pK.
Hvad angår ekstremt høje temperaturer, er der ingen kendt grænse for, hvad man kan nå. Der er teorier, der giver forslag (f.eks. Strengteorien), men disse teorier er i dag ikke eksperimentelt eftervist, fordi vi ikke råder over tilstrækkelige energier i Cern til at lave de nødvendige forsøg.
Kosmologien forudsiger en mulig højeste temperatur, som kaldes Planck- temperaturen, og som er 1,416785*10^32 K, en temperatur som Big Bang antageligt var over i et antal sekunder ifølge en række teorier.
Efter Big Bang er universet ekspanderet, hvilket bevirker afkøling, og gennemsnitstemperaturen i rummet målt ud fra mikrobølgebaggrunden er 2,73 K, i overensstemmelse med teorien.
I rummet er en af de laveste temperaturer, der er målt, Boomerang-tågen, som er målt til -272 ͦC. Den højeste temperatur, man har målt i rummet, er Red Spider Nebula, som viser en temperatur på 300.000 K. Gassen omkring en Quasar kan teoretisk nå 80*106 K.
Det varmeste sted i universet er imidlertid tættere på. Large Hadron Collider (LHC) på Cern har ved sammenstød af guldpartikler nået en temperatur på 4 trillioner K. Så høje temperaturer er kun set kortvarigt under Big Bang og er højere end en supernovaeksplosions kernetemperaturer.
Selve målingen af temperaturerne kan udføres med mange instrumenter. Ved lave temperaturer kan man bruge gastermometre ved lavt tryk meget langt ned. Man kan desuden bruge platin-modstandstermometre eller halvleder-modstandstermometre (ofte Ge), som man kalibrerer under nedkølingen ved heliums kogepunkt og lambda-punktet. Disse punkter kan suppleres med en række overgangstemperaturer af superledere.
Man bruger tilsvarende magnetiske egenskaber, Curies lov, på salte, f.eks. ceriummagnesiumnitrat og andre tilsvarende salte, og man kan anvende pulset kernespin resonans på f.eks. platinpulver, hvor indsvingningstider giver temperaturen. Ved laserkøling måles temperaturen ved den gennemsnitlige kinetiske energi, altså principielt hastigheden.
I området over de meget lave temperaturer, og op til mange hundrede graders celsius, måles ofte med platintermometre, dvs. en modstandsmåling. Men her er målemetoderne i øvrigt mange og antageligt velkendte.
Temperaturer fra det dagligdags temperaturområde kan også måles med termoelementer i et ret stort område. Området fra lave negative temperaturer og opefter måles også ved strålingstermometer, dvs. ved at måle i det infrarøde område, og så måle planckstrålingen. Disse er kommercielt tilgængelige.
Ved temperaturer fra højovnstemperaturer og opefter er det næsten udelukkende strålingstemperaturer, der måles, dvs. man måler principielt en Planckkurve og finder toppunktet og bruger derefter Wiens forskydningslov, som giver bølgelængden for toppunktet som λmax = konstant/T, hvor λ er bølgelængden, og T den absolutte temperatur. Konstanten afhænger af enhederne 2,8977729(17)×10^−3 m⋅K.
Astronomerne gør principielt det samme ved at måle farveindeks af stjernerne, dvs. intensiteten i to bestemte farver, og derfra beregne temperaturen. I dag gør hospitalerne det også med øretermometre.
I 'det normale område' findes desuden utallige metoder, bimetaltermometre kviksølv- eller alkoholtermometre osv., som jeg antager, er velbekendte.
Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til fagfolket.
