Zjawiska fizyczne i chemiczne w materii niskich temperatur

Materia, w zależności od temperatury, zachowuje się inaczej. Wszyscy wiemy, że w stanie stałym materia posiada określoną objętość i kształt, w stanie płynnym objętość mamy ustaloną, ale kształt płynu zależy od naczynia, w którym się znajduje, a w stanie gazowym chwilowy kształt i objętość zależy od ciśnienia i temperatury. Ale co dzieje się, kiedy materia trafia do skrajnie niskich temperatur? W artykule tym postaramy się przybliżyć Wam zjawiska fizyczne i chemiczne, które dzieją się w materii niskich temperatur.

Co to jest niska temperatura?

Przyjrzyjmy się najpierw, co to tak właściwie jest niska temperatura. Najprościej mówiąc, to temperatura, poniżej której materia zaczyna wykazywać zachowania nadzwyczajne. Jest to jednak pojęcie względne, i zależy od rodzaju materii. Dla jednych będzie to już temperatura pokojowa, dla innych dopiero bliska zera bezwzględnego.

Zera bezwzględnego to właśnie charakterystyczna temperatura, poniżej której wszystkie ciała przestają się poruszać, a cząsteczki ustawiają się w sztywne struktury. Dla większości ciał wynosi ona −273,15°C. Jednakże, w laboratoriach udaje się uzyskać temperatury jeszcze niższe.

Co dzieje się z materią w niskich temperaturach?

Przy temperaturach bliskich zera bezwzględnego materia traci swoje standardowe właściwości, staje się materiałem nadprzewodzącym, nadciekłym i ferromagnetycznym. Co to oznacza w praktyce?

• Nadprzewodnictwo to zjawisko, w którym materia staje się przewodnikiem o zerowej oporności elektrycznej, co oznacza, że prąd może poruszać się przez nią bez żadnych strat energii.
• Nadciekłość to zjawisko, w której płyn materiału nie posiada lepkości, co oznacza, że prędkość cieczy może być nawet większa niż dźwięk.
• Ferromagnetyzm to zjawisko, w którym materiał staje się magnetyczny w obecności zewnętrznego pola magnetycznego.

Ciśnienie i temperatura a zachowanie materii

Badania naukowe pokazują, że wraz ze zmniejszaniem temperatury ciśnienie na materię również wpływa na jej zachowanie. W temperaturach niskich, ciało stałe np. srebro, staje się mniej giętkie, a zwiększenie ciśnienia również powoduje zwiększenie oporności materii. W przypadku ciał płynnych np. rtęci, zwiększenie ciśnienia powoduje wzrost temperatury końcowej, przy której materia nadal jest w stanie płynnym. Ma to związek z punktem krzyżowania się krzywych, łączących temperaturę i ciśnienie, nazywanym linią koexistence.

Sprężystość i odporność materii w niskich temperaturach

Kolejnym interesującym zjawiskiem, które mamy szansę zaobserwować w materii niskich temperatur, jest zmniejszenie odporności materiału. W laboratoriach udaje się uzyskać temperatury bliskie zera absolutnego, w których odporność materiałów również jest znikoma, wynosi ona tyle, ile wynosi opór wewnętrzny przewodnika - 0,00001 omów. Zmniejszenie odporności materiału przy tak niskiej temperaturze pozwala na zastosowanie materiałów superprzewodnikowych w produkcji wielu urządzeń, które generują pole elektromagnetyczne.

Ponadto, w niskich temperaturach możemy obserwować dużą sprężystość materiałów. Przykładowo, jedno z badań pokazało, że diamenty ulegają deformacji pod wpływem zginania, jednakże na skutek powrotu do pierwotnego kształtu, po usunięciu obciążenia, pojawia się efekt sprężystości.

Podsumowanie

Materia w niskich temperaturach zaczyna zachowywać się w sposób wyjątkowy, co daje nam szansę na poznanie zjawisk fizycznych i chemicznych, które w normalnych warunkach są dla nas nie do zobaczenia. Nadprzewodnictwo, nadciekłość, ferromagnetyzm, sprężystość i zmniejszenie odporności materiałów to tylko niektóre z nich. Dlatego też, badania w niskich temperaturach odgrywają ważną rolę w dziedzinie nauki i przemysłu, pozwalając nam rozwijać nowe technologie i odkrywać świat na nowo.