Температура в космосе вакуума: О космическом тепле и холоде

О космическом тепле и холоде

В жаркие летние дни самое время поговорить о жаре и холоде космоса. Благодаря научно-фантастическим фильмам, научно- и не очень научно-популярным передачам, у многих закрепилось убеждение, что космос — это невообразимо холодное место, в котором самое главное — найти как согреться. Но на самом деле все гораздо сложнее.

Фото космонавта Павла Виноградова

Чтобы разобраться тепло или холодно в космосе, надо сначала вернуться к азам физики. Итак, что такое тепло? Понятие температуры применимо к телам, чьи молекулы находятся в постоянном движении. При получении дополнительной энергии, молекулы начинают двигаться активнее, а при потере энергии — медленнее.

Из этого факта следует три вывода:
1) у вакуума температуры нет;
2) в вакууме есть только один способ теплопередачи – излучение;
3) объект в космосе, фактически группу движущихся молекул, можно охладить, если обеспечить контакт с группой медленно движущихся молекул или нагреть, обеспечив контакт с быстро движущейся группой.

Первый принцип используется в термосе, где вакуумные стенки удерживают температуру горячего чая и кофе. Точно так же перевозят сжиженный природный газ в танкерах. Второй принцип определяет так называемые условия внешнего теплообмена, то есть взаимодействие Солнца (и/или других источников излучения) и космического аппарата. Третий принцип используется при проектировании внутренней конструкции космических аппаратов.

Когда говорят о температуре космоса, то могут подразумевать две разные температуры: температуру рассеянного в пространстве газа или температуру тела, находящегося в космосе. Как все знают, в космосе вакуум, но это не совсем так. Почти все пространство там, по крайней мере внутри галактик, наполнено газом, просто он настолько сильно разрежен, что не оказывает почти никакого теплового воздействия на помещенное в него тело.

В разреженном космическом газе молекулы встречаются крайне редко, и воздействие их на макро тела, такие как спутники или космонавты, незначительно. Такой газ может быть разогрет до экстремальных температур, но из-за редкости молекул, космические путешественники его не почувствуют. Т.е. для большинства обычных космических аппаратов и кораблей совсем не важно какая температура у межпланетной и межзвездной среды: хоть 3 Кельвина, хоть 10000 градусов Цельсия.

Важно другое: что из себя представляет наше космическое тело, какой оно температуры, и какие источники излучения есть поблизости.

Главный источник теплового излучения в нашей Солнечной системе — это Солнце. И Земля довольно близко к нему, поэтому, на околоземных орбитах очень важно настроить «взаимоотношения» космического аппарата и Солнца.

Чаще всего рукотворные объекты в космосе стараются укутать в многослойное одеяло, не дающее теплу спутника уходить в космос и не позволяющее лучам Солнца поджаривать нежные внутренности аппарата. Многослойное одеяло называется ЭВТИ — экранно-вакуумная теплоизоляция, «золотая фольга», которая на самом деле не золотая и не фольга, а покрытая специальным сплавом полимерная пленка, похожая на ту, в которую заворачивают цветы.

Впрочем, в некоторых случаях и у некоторых производителей, ЭВТИ не похожа на фольгу, но выполняет ту же изолирующую функцию.

Иногда некоторые поверхности спутника специально оставляют открытыми для того, чтобы они или поглощали солнечное излучение, или отводили в космос тепло изнутри. Обычно в первом случае поверхности покрывают черной эмалью, сильно поглощающей излучение Солнца, а во втором – белой эмалью, хорошо отражающей лучи.

Бывают случаи, когда на борту космического аппарата приборы должны работать при очень низкой температуре. Например, обсерватории «Миллиметрон» и JWST будут наблюдать тепловое излучение Вселенной и для этого и зеркалам их бортовых телескопов, и приёмникам излучения нужно быть очень холодными. На JWST главное зеркало планируется охлаждать до — 173 градусов Цельсия, а на «Миллиметроне» — ещё ниже, до — 269 градусов Цельсия. Для того, чтобы Солнце не нагревало космические обсерватории, они укрываются так называемым радиационным экраном: своеобразным многослойным солнечным зонтиком, похожим на ЭВТИ.

Кстати, как раз для таких «холодных» спутников важным становится небольшой нагрев от разреженного космического газа и даже от заполняющих всю Вселенную фотонов реликтового излучения. Отчасти поэтому, что «Миллиметрон», что JWST отправляют подальше от теплой Земли в точку Лагранжа, за 1,5 млн км. Кроме солнечных зонтиков на этих научных спутниках будет сложная система с радиаторами и многоступенчатыми холодильниками.

На других, менее сложных аппаратах сброс тепла в космосе тоже осуществляется через излучение с радиаторов. Обычно их как раз и покрывают белой эмалью и стараются разместить либо параллельно солнечному свету, либо в тени. На метеоспутнике «Электро-Л» требовалось охладить матрицу инфракрасного сканера до -60 градусов Цельсия. Это было достигнуто при помощи радиатора, который постоянно держали в тени, а каждые полгода спутник разворачивали на 180 градусов, чтобы наклон земной оси не приводил к попаданию радиатора под солнечные лучи. В дни равноденствий спутник приходилось держать немного под углом, отчего на снимках появлялись артефакты у полюсов Земли.

Перегрев является одним из препятствий в создании космического аппарата с мощным ядерным источником энергии. Электричество на борту получается из теплоты с КПД гораздо меньше 100%, поэтому излишек тепла приходится сбрасывать в космос. Традиционные, используемые сейчас радиаторы были бы слишком большими и тяжелыми, поэтому сейчас в нашей стране проводятся работы по созданию капельных холодильников-излучателей, в которых теплоноситель в виде капелек пролетает через открытый космос и отдает ему тепло изучением.

Главный источник излучения в Солнечной системе – это Солнце, но планеты, их спутники, кометы и астероиды, вносят свой весомый вклад в тепловое состояние космического аппарата, который пролетает около них. Все эти небесные тела обладают своей температурой и являются источниками теплового излучения, которое, к тому же, взаимодействует со внешними поверхностями аппарата иначе, чем более «горячее» излучение Солнца. А ведь планеты еще и отражают солнечное излучение, причем планеты с плотной атмосферой отражают диффузно, безатмосферные небесные тела – по особому закону, а планеты с разреженной атмосферой типа Марса – ещё совершенно иначе.

При создании космических аппаратов требуется учитывать не только «взаимоотношения» аппарата и космоса, но и всех приборов и устройств внутри, а также и ориентацию спутников относительно источников излучения. Для того чтобы одни не нагревали других, а третьи не замерзали, и чтобы поддерживалась рабочая температура на борту, разрабатывается отдельная служебная система. Она называется «Система обеспечения теплового режима» или СОТР. В нее могут входить нагреватели и холодильники, радиаторы и тепловоды, датчики температуры и даже специальные компьютеры. Могут использоваться активные системы или пассивные, когда роль обогревателей выполняют работающие приборы, а радиатора — корпус аппарата. Именно такая простая и надежная система создана для частного российского спутника «Даурии Аэроспейс».

Более сложные активные системы задействуют циркулирующий теплоноситель или тепловые трубы, подобные тем, что часто используются для отвода тепла от центрального процессора к радиатору в компьютерах и ноутбуках.

Соблюдение теплового режима, зачастую, оказывается решающим фактором работоспособности аппарата. Например, чуткий к перепадам температуры «Луноход-2» погиб из-за какой-то смехотворной горсти черного реголита на своей крыше. Солнечное излучение, которое уже не отражалось теплоизоляцией, привело к перегреву оборудования и выходу из строя «лунного трактора».

В создании космических аппаратов и кораблей, соблюдением теплового режима занимаются отдельные инженерные специалисты по СОТР. Один из них — Александр Шаенко из «Даурии Аэроспейс», занимался спутником DX1, и он помог в создании данного материала. Сейчас Александр занялся чтением лекций о космонавтике и созданием собственного спутника, который послужит популяризации космоса, став самым ярким объектом в небе после Солнца и Луны.

Поэтому нам в «Даурии» нужен новый специалист по СОТР. Если у вас есть такой знакомый, пусть напишет в наш сколковский офис.

И если вам интересно исследование космоса, вы можете подписаться на мой блог.
zelenyikot

Tags: esa, nasa, Даурия, НПО Лавочкина, Роскосмос, краудфандинг, спутники, частный космос

Технология термостатирования для космических полетов

Вселенная бесконечна и беспощадна. Это уже ощущают спутники, вращающиеся вокруг Земли. Прежде всего, экстремальные перепады температур между солнечной и теневой сторонами Земли представляют собой реальную проблему для спутников на орбите. Поскольку техническое обслуживание и ремонт невозможны, все материалы и детали, а также сам спутник должны проходить интенсивные испытания, в которых решающее значение имеют устойчивость к воздействию температуры и вакуума.

Спутники и условия, в которых они должны работать

Связь и интернет, прогнозы погоды, телепрограммы — современный человек в своей повседневной жизни уже не обходится без работы спутников. Они обеспечивают основу для создания глобальных сетей. На околоземной орбите находятся более 2000 хорошо функционирующих спутников  и Международная космическая станция (МКС).

Вакуум и экстремальные температуры предъявляют огромные требования к материалам и технике. Например, во время длительной солнечной фазы на Луне преобладают температуры до +120 °C, в то время как в теневой фазе температура опускается до -130 °C.  Для технических устройств в космосе добавляется внутренне генерируемая температура, например от электроники управления. Поэтому сложность разработки спутников заключается в защите чувствительных компонентов техники как от перегрева, так и от отказа, вызванного холодом. 

Вакуум не облегчает эту задачу: В то время как на земле для компенсации температуры отведение тепла может осуществляться путем конвекции, в вакууме это невозможно. Температуры выше -270 °C генерируются в космосе, главным образом, прямым солнечным излучением. Следовательно, их образование также зависит от того, насколько сильно излучение поглощается облучаемым материалом. Кроме того, вакуум влияет на агрегатное состояние жидких сред: смазочные материалы, например, испаряются из-за отсутствия давления воздуха.  

Управление температурой в космосе

Для предотвращения перегрева под воздействием солнца используются наружные материалы, которые отражают большую часть лучистой энергии. Некоторые спутники также вращаются вокруг собственной оси для равномерного распределения прямого солнечного излучения. Для обеспечения рабочей температуры внутри спутника частично устанавливаются дополнительные нагреватели, которые, в отличие от прямых солнечных лучей, поддерживают определенную температуру. Кроме того, компоненты можно укрыть изолирующим материалом. 

В процессе разработки спутника сначала используются тепловые модели, с помощью которых рассчитываются изменения температуры в спутнике. Затем эти модели проходят испытания на испытательном стенде в максимально реальных условиях, в частности, при низком давлении, экстремальных температурах, а также резкой смене температур. 

В большинстве отраслей изделия проходят интенсивные испытания только на стадии разработки. После этого для обеспечения качества достаточно регулярных выборочных проверок. В космической отрасли все совершенно по-другому: Каждый спутник проходит полный цикл индивидуальных испытаний, который может занять несколько недель. Это обусловлено не только огромными усилиями и затратами на каждый запуск в космос, но и тем, что техническое обслуживание и ремонт в космосе невозможны. Кроме того, необходимо обеспечить, чтобы спутник при запуске не подвергал риску ракету-носитель.

Использование термальной вакуумной камеры

Все эксплуатационные и нагрузочные испытания спутников, а также их отдельных компонентов проводятся в так называемых термальных вакуумных камерах, в которых можно точно регулировать как давление, так и температуру. В зависимости от размера испытываемого образца термальная вакуумная камера должна иметь значительные размеры. Однако большинство спутников сегодня очень компактны: малые спутники, называемые кубсатами, имеют размер с обувную коробку. Небольшой размер не только удешевляет транспортировку на орбиту, но и снижает вероятность повреждения от космического мусора и метеоритов. Другим преимуществом является то, что они могут быть испытаны в значительно меньших термальных вакуумных камерах, которые также дешевле в приобретении и эксплуатации. 

Температура внутри камер обеспечивается высокопроизводительными системами термостатирования. Термостатическая среда циркулирует по замкнутому контуру в термостатирующей стенке, называемой кожухом, которая в форме цилиндра окружает испытуемый образец. При использовании, к примеру, в качестве рабочей среды теплопроводящего масла можно обеспечить интервал температур от -80 °C до +180 °C. Это теплопроводящее масло охлаждается с помощью хладагента или нагревается электрически, в зависимости от потребности. Более низких температур можно достичь, например, с помощью азота в кожухе. В дополнение к этой температуре, которая передается отражением от кожуха, в зоне испытания может быть установлена термическая пластина, на которой располагается образец для испытания. Таким образом можно смоделировать также управляемую теплопередачу. 

Метод испытаний

В дополнение к датчикам спутника устанавливается множество других датчиков, в т. ч. для тщательного контроля за изменением температуры. Помимо предоставления всех результатов измерений они также обеспечивают необходимую безопасность испытуемого образца. При угрозе повреждения компонентов в результате перегрева температура внутри камеры немедленно снижается. 

При тестировании теплового баланса, в частности, определяется распределение температуры внутри спутника и сравнивается с расчетами тепловой модели. В случае отклонения результатов измерений можно, например, удалить отражающие элементы с поверхности спутника, установить дополнительные нагревательные элементы или оптимизировать изоляцию отдельных компонентов. Испытание на цикличность термостатирования проверяет работоспособность испытуемого образца через определенное количество циклов с различными уровнями температуры. Кроме того, испытания под нагрузкой и стресс-тесты предоставляют информацию о воздействии экстремальных условий на образец испытания.

Заключение

Спутники незаменимы для существования мира, связанного всемирной паутиной. Для обеспечения своей рентабельности они должны работать надежно и без технического обслуживания в течение нескольких лет в экстремальных условиях. Высокопроизводительные системы термостатирования, такие как серия PRESTO от JULABO, обеспечивают в термальных вакуумных камерах огромные температуры, с помощью которых можно надежно и воспроизводимо проверять спутники и все предназначенные для космоса системы и компоненты. Устройства PRESTO просты в эксплуатации и, благодаря продуманному набору дополнительных модулей, чрезвычайно гибки и могут быть адаптированы к конкретным требованиям. Наши эксперты в области аэрокосмической промышленности всегда готовы ответить на ваши вопросы.

Технология термостатирования для космических полетов

Russian
PDF — 799. 05 КБ

Какая температура у вакуума? | Примечания и вопросы

Температура вакуума | Физика Фургон

Категория
Выберите категориюО фургоне физикиЭлектричество и магнитыВсе остальноеСвет и звукДвижение вещейНовая и захватывающая физикаСостояния вещества и энергииКосмосПод водой и в воздухе

Подкатегория

Поиск

Задайте вопрос

Последний ответ: 22.10.2007

Q:

Что такое вакуум в физике? Есть ли у него температура?
— Anonymous

A:

Ну, наше представление о вакууме — это кусочек пространства, в котором ничего нет. Мы не знаем ни одного примера идеального вакуума, но знаем некоторые участки пространства, которые подходят довольно близко. Пространство за пределами земной атмосферы — неплохое приближение к вакууму, но оно заполнено частицами солнечного ветра, солнечным светом, космическими лучами и космическим микроволновым фоновым излучением. Вероятно, он также заполнен темной материей, которая не взаимодействует с другими веществами (кроме гравитации и, возможно, только посредством слабого слабого взаимодействия), а также нейтрино.

Если вам удастся выкачать весь воздух из стальной банки, например, у вас будет вакуум, но будут фотоны, постоянно излучаемые стенками и повторно поглощаемые ими. Этот суп фотонов будет находиться в тепловом равновесии со стенками и, следовательно, будет иметь определенную «температуру». На самом деле, даже самая глубокая часть глубокого космоса (например, за пределами галактики) находится в радиационной ванне с температурой 3К, оставшейся после Большого взрыва. Могут быть и другие вещества, такие как нейтрино, например, которые не находятся в тепловом равновесии с 3K-излучением, потому что не взаимодействуют с ним, и поэтому пространство может иметь две или более «температуры».

Но мы сказали, что вакуум — это область пространства, в которой ничего нет, и это означает, что эти фотоны должны исчезнуть. Охлаждение стенок как можно ближе к абсолютному нулю (и предел здесь в том, что фотоны энергии, которые будут излучаться стеной с низкой температурой, будут иметь длину волны больше, чем размер банки — это будет позволит вам заморозить все фотоны) даст вам вакуум. Вы также должны защитить его от внешних источников энергии. Вы мало что можете сделать с нейтрино и темной материей — они проникают в обычную материю, но также не взаимодействуют с ней, так что в хорошем приближении ими можно пренебречь.

Том

шт. Так что ответ действительно зависит от того, что вы подразумеваете под вакуумом. Если вы имеете в виду то, что останется, когда все атомы и т. д. будут откачаны, да, у него все еще есть температура электромагнитного излучения. Однако, если вы хотите, вы можете назвать это вакуумом только в том случае, если температура равна нулю. Между прочим, третий закон термодинамики гласит, что ничто никогда не может достичь нулевой температуры, поэтому по этому определению не может быть никакого вакуума.

Майк В.

(опубликовано 22.10.2007)

Дополнение №1: температура в вакууме

В:

почему температура в вакууме повышается?
— jbeauty (25 лет)
сингапур

A:

Мы не говорили, что температура должна повышаться в вакууме. Мы только что сказали, что обычный вакуум может иметь температуру из-за электромагнитных волн в нем. Эта температура станет такой же, как температура материала, окружающего вакуум.

Майк В.

Ли Х

(опубликовано 22.10.2007)

Дополнение №2: температура вакуума

Вопрос:

Какая температура в вакууме? Или вообще есть тепло?
— Олле (12 лет)
Швеция

A:

Привет, Олле. Кажется, в нашей поисковой системе произошел сбой, поэтому термины «температура вакуума» не могут найти наш предыдущий ответ на этот вопрос. Поэтому я публикую ваш вопрос в качестве продолжения. См. ответы выше.

Майк В.

(опубликовано 20.01.2011)

Дополнение №3: ИК-видение в вакууме

В:

Итак, если вы возьмете инфракрасную камеру в вакуум, будет ли она отображаться как температура в комнате или как?
— Райан (13 лет)

A:

Что увидит ИК-камера? Его следует держать в холоде, чтобы он легче воспринимал тепловое ИК-излучение. ИК-излучение, попадающее на него, будет в значительной степени поглощено. Время, необходимое для получения изображения, очень велико по сравнению со временем, которое требуется свету, чтобы достичь камеры от противоположной стены. Таким образом, изображение будет зависеть не от тепловой равновесной плотности ИК-излучения (которая зависит только от температуры), а от ИК-излучения стены. Они зависят как от температуры стен, так и от их излучательной/поглощающей способности, т. е. склонны ли они поглощать или отражать ИК-излучение. Чем больше поглощающих, тем больше они появятся.

Mike W.

(опубликовано 18.05.2011)

Дополнение №4: ощущение температуры вакуума

Q:

Извините, позвольте мне перефразировать мой вопрос. Меня больше интересовало, как это будет ощущаться. Скажем так, гипотетически, что я мог бы просунуть руку в вакуум. На что это похоже, потому что я просто не могу осознать отсутствие температуры.
— Райан (13 лет)
Канада

A:

Думаю, будет не очень жарко или холодно. Скажем, вы засовываете руку в вакуумную комнату при какой-то нормальной температуре, скажем, 22°C. Внутренняя температура вашей руки составляет около 37 °C, температура на поверхности несколько ниже, но все же значительно превышает 22 °C. Таким образом, из вашей руки в комнату идет чистый поток лучистого тепла. Если бы в комнате был воздух, то было бы и некоторое конвективное охлаждение вашей руки воздухом. Таким образом, отсутствие воздуха вокруг должно заставить вашу руку чувствовать себя немного теплее, чем в противном случае. Тем не менее, даже без какого-либо охлаждения за счет испарения пота, тепло покидает вашу руку, поэтому вы будете чувствовать себя примерно так же, как в комнате, где температура выше 22°C, но ниже 37°C.

Если вы немного вспотели, то он должен легко испариться (относительная влажность равна нулю), поэтому вам должно быть прохладнее, чем наша недавняя душная погода здесь, с очень высокой относительной влажностью и температурой около 34°C.

Конечно, отсутствие давления вакуума будет странным. Я не уверен, что это лопнет кровеносные сосуды или что-то в этом роде. Но это другой вопрос.

Майк В.

(опубликовано 05.06.2011)

Дополнение №5: температура вакуума

Q:

Я все еще хочу спросить, какова температура вакуума? Настоящая, в которой ничего нет. Никаких элементов, никакого излучения, никаких магнитных или других полей. Я понимаю, что очень сложно достать, но какая температура у НИЧЕГО (вакуума в нашем случае)?
— Сергей
Израиль

A:

Если бы не было электромагнитного излучения, то температура была бы абсолютным нулем. Третий закон термодинамики говорит, что это недостижимо. Так что вакуум, который вы описываете, не «настоящий», а недостижимый идеальный. Однако справедливо будет сказать, что по мере того, как плотность теплового излучения приближается к нулю, температура (при условии, что излучение может быть описано тепловым спектром) приближается к 0 К9.0104

Майк В.

(опубликовано 23.07.2011)

Дополнение № 6: слишком малы для частиц?

Q:

Я знаю, что есть предел тому, насколько мал объем, на который мы можем ссылаться, но все же, если я посмотрю на очень маленький объем, меньший, чем размер известных нам частиц, не будет ли этот объем считать вакуумом, «идеальным», о котором вы говорили?
И другое беспокоит меня, когда мы рассматриваем положение материи как функцию вероятности пространства, мы обнаруживаем, что частица разбросана повсюду, так в каком же смысле стенки вакуумной камеры не заполняют ее собой?
— Джо (27 лет)
Израиль

A:

Многие из наших частиц (электроны, мюоны, нейтрино, кварки. ..) не имеют известного размера. Это означает, что их волновые функции могут сжиматься все больше и больше, по крайней мере, до тех пор, пока не начнут происходить вещи, выходящие за рамки наших нынешних законов физики. Это были бы такие вещи, как образование крошечных черных дыр, для которых понадобилась бы еще не разработанная квантовая теория гравитации. Это не то событие, которое можно было бы назвать «ничего». Так что я не знаю, как можно описать кусок пространства настолько маленький, что он должен быть пустым. Некоторые книги по теории струн могут быть хорошим источником для изучения того, что люди пытаются сделать с физикой малых масштабов.

Стенки ящика действительно имеют некоторое квантовое распространение, как и все остальное. Однако величина квантовой волны обычно падает экспоненциально с характерным масштабом расстояния менее ангстрема, так что у вас фактически ничего нет в объеме коробки.

Mike W.

(опубликовано 28.07.2011)

Дополнение №7: определение температуры вакуума или энергия (просто космическая ткань): я узнал, что температура чего-либо представляет собой среднюю кинетическую энергию его частиц, то есть общую кинетическую энергию, деленную на число частиц.

Разве по этому определению не будет ли температура вакуума равной 0/0 и, следовательно, неопределенной?
— Дэвид (17 лет)
Калифорния

A:

То, что вы узнали, неверно. Есть некоторые знакомые частные случаи, когда определение абсолютной температуры «энергия на частицу» не так уж плохо. Например, для идеального одноатомного газа средняя тепловая энергия на частицу составляет (3/2)kT, где k — постоянная Больцмана. Однако в целом это определение не соответствует действительности. В вакууме, если вы решите назвать фотоны частицами, само число частиц зависит от температуры, действуя как T ³ . (Средняя энергия на фотон по-прежнему равна T.) Поскольку количество фотонов достигает 0 только тогда, когда T -> 0, если нет частиц любого типа, тогда T = 0.

Майк В.

шт. Во многих других случаях, например. для кристаллических твердых тел формулировка T как энергии на частицу не работает совершенно по-разному. При низкой T тепловая энергия в куске алмаза равна T ⁴ , а не T. Тогда тепловая энергия на частицу намного меньше kT при низкой T

(опубликовано 03.08.2011)

Дополнение №8: точная температура вакуума?

Q:

какая точная температура
вакуум?
— sabin duwal
nepal

A:

Если вы хотите настаивать на том, что в вакууме нет электромагнитного излучения, то его температура равна 0 К. Однако такой вещи не существует. Если вам нужен вакуум, по крайней мере свободный от более обычных частиц, то его температура должна быть значительно ниже той, которая необходима для возбуждения пар частица-дырка. Чтобы быть свободным от электрон-позитронных пар, это означает, что T будет намного меньше, чем 5×10 ⁹ K. Чтобы быть свободным от нейтрино в равновесии, потребовалась бы более низкая температура. Поскольку массы нейтрино неизвестны, я не могу дать четких цифр. В принципе, некоторые нейтрино могут находиться в равновесии при комнатной температуре. Однако нейтрино так медленно взаимодействуют с обычным веществом, что не смогут достичь равновесия в течение очень долгого времени.

Майк В.

(опубликовано 08.09.2011)

Дополнение №9: измерение температуры в вакууме

Q:

к первому ответу, я не согласен, что вакуум может иметь температуру. например, скажем, в замкнутом вакууме можно измерить только температуру самого измерительного зонда, вызванную окружающим излучением. когда мы измеряем температуру чего-то существующего, например человеческого тела, мы снова пытаемся измерить температуру измерительного зонда, температура которого, однако, находится в тепловом равновесии с нашим телом.

Поэтому я думаю, что бессмысленно говорить «температура вакуума», хотя электромагнитные волны могут проходить через него, но это не значит, что вакуум действительно имеет температуру.
— Лоуренс (25 лет)
Сингапур

A:

Определение T состоит в том, что 1/T= dS/dU | _V , где S — энтропия, а U — внутренняя энергия. У теплового излучения есть U и S. Когда у него есть тепловой спектр, у него есть определенная Т. Мы измеряем эту Т разными способами, но, пожалуй, наиболее очевидным является измерение спектра. Температура дальнего космоса, например, 2,7255 +/- 0,0006 К.

Не понимаю, в чем проблема.

Майк В.

(опубликовано 13.04.2012)

Дополнение №10: температура вакуума

Вопрос:

Можно ли присвоить вакууму определенную Т?
— Шарлин (16 лет)
Филиппины

A:

Иногда может. Если распределение различных частот излучения в вакууме имеет правильную форму, то есть температура. Если она имеет другую форму, то если вы посмотрите на один диапазон частот, вы получите одну температуру, а если вы посмотрите на другой диапазон частот, вы получите другую температуру. Например, вдали от звезды микроволновое излучение в космосе выглядит так, как будто оно имеет температуру 2,72548 К. Однако, если вы посмотрите в видимом диапазоне, небольшое количество света уложится в
гораздо более высокая температура.

Mike W.

(опубликовано 10.12.2012)

Дополнение №11: нагрев в вакууме

Вопрос:

камера по сравнению с температурой окружающей среды превосходит вакуум? Также тепло от лампочки, это конвекция и теплопроводность или это тепловое излучение?
— Майк (25 лет)
США

A:

Конечно, в вакуумных камерах может быть очень жарко. Это обычно делается в системах термического испарения, например, для изготовления металлических пленок.

Энергия лампы накаливания проявляется как в виде электромагнитного излучения, так и в виде нагрева окружающего воздуха. Излучение похоже на тепловое излучение, но не обязательно с точно тепловым спектром. Воздух возле колбы нагревается в основном за счет теплопроводности через стекло. Как только воздух становится горячим, тепло, вероятно, распространяется в большей степени за счет конвекции, чем за счет простой теплопроводности.

Майк В.

(опубликовано 02. 01.2013)

Дополнение №12: абсолютный ноль и CMB

Q:

Вы сказали, что ничто не может достичь абсолютного нуля, потому что пространство пронизано фоновым излучением, оставшимся после Большого взрыва. Уменьшается ли фоновое излучение по мере старения Вселенной? Достигнет ли он когда-нибудь максимального нуля?
— Шейн (22 года)
Линден, Нью-Джерси, США

A:

На самом деле, аргумент о том, что нельзя довести вещи до абсолютного нуля, восходит к основам термодинамики, задолго до того, как кто-либо узнал о космическом микроволновом фоне. Грубо говоря, эффективность тепловых насосов как охладителей падает до нуля, когда температура падает до нуля. Таким образом, при любой утечке тепла, какой бы малой она ни была, потребуется бесконечное количество работы, чтобы охладить что-либо до абсолютного нуля.

По вашему основному вопросу да, фоновая температура продолжает падать по мере расширения Вселенной. В принципе, если ничего интересного не происходит, то бесконечность этого процесса даст Т=0. Возможно, что какой-то вакуумный фазовый переход прервет этот процесс. Мы не знаем достаточно, чтобы с уверенностью предсказывать очень долгосрочную перспективу.

Майк В.

(опубликовано 15.04.2013)

Дополнение №13: температура и поля в вакууме

Q:

Итак, когда я слышу «температура вакуума», это означает, сколько температуры имеет «каждое» поле (фотонное поле, нейтринное поле, глюонное поле и т.д.)? и пропорциональна ли эта «температура поля» тому, сколько энергии оно содержит в объеме? Могут ли физические понятия/измерения, такие как объем, давление, температура, использоваться для измерения свойств «вакуума» или «полей»? например, имеет ли вакуум или каждое поле «давление»? И, если вакуум или поле никогда не могут достичь нулевой температуры (нулевой энергии?), означает ли это, что вакуум/поле в основном состоянии (с минимально возможной энергией) всегда оказывает некоторое «давление», независимо от того, насколько холодно оно может стать? Еще одна загадочная вещь заключается в том, что когда фотон заключен между двумя очень близко расположенными стенками, внутри них может поместиться только очень короткая длина волны. но в реальных экспериментах, я думаю, вы не наблюдаете такие коротковолновые (высокоэнергетические) фотоны. Почему это? или они там существуют, но в неинтерактивной форме? (не могут существовать в наблюдаемой форме??)
— Anonymous

A:

Много вопросов, но на большинство из них можно ответить.

1.» Итак, когда я слышу «температура вакуума», это означает, сколько температуры имеет «каждое» поле (фотонное поле, нейтринное поле, глюонное поле и т.д.)?»

Это правильная идея, но, за исключением фотонов, глюонов и нейтрино, известные квантовые поля представляют собой кванты с такой большой массой покоя, что они действуют при Т=0 в вакууме при знакомых температурах. Нейтрино так слабо взаимодействуют со всем остальным, что не достигают теплового равновесия. Глюоны не образуются по непонятным мне причинам, связанным с тем, как работает хромодинамика. Так что на самом деле это просто фотоны, пока все не станет достаточно горячим, чтобы начать создавать пары электрон-позитрон и так далее.

2. «и пропорциональна ли эта «температура поля» количеству энергии, которое оно содержит на единицу объема?»

Нет, определенно нет. Еще до 1900 года считалось, что тепловая энергия в электромагнитном поле имеет вид T ⁴ .

3. «Можно ли использовать физические понятия/измерения, такие как объем, давление, температура, для измерения свойств «вакуума» или «полей»? Например, имеет ли вакуум или каждое поле «давление»?»

Да,

4. «И, если вакуум или поле никогда не могут достичь нулевой температуры (нулевой энергии?), означает ли это, что вакуум/поле в основном состоянии (с минимально возможной энергией) всегда оказывает некоторое «давление», независимо от того, насколько холодно может получиться?  Другая загадочная вещь заключается в том, что когда фотон заключен между двумя очень близко расположенными стенками, внутри них могут поместиться только очень короткие волны. но в реальных экспериментах, я думаю, вы не наблюдаете такие коротковолновые (высокоэнергетические) фотоны. Почему так? Или они там существуют, но в неинтерактивной форме? (не могут существовать в обозримой форме??)»

Влияние расстояния между, например, проводящими пластинами на фотонные моды при нулевой температуре оказывает влияние на пластины. Это называется эффектом Казимира, и его измеряют.

Майк В.

(опубликовано 14.06.2013)

Дополнение №14: фотоны и температура

Вопрос:

«Третий закон» подразумевает, что вакуума быть не может. Но разве это не означает, что всегда должна быть по крайней мере одна частица внутри произвольно определенного ящика? Может ли быть пустое место?

Разве температура не требует присутствия энергии? т.е. внутренняя энергия чего-либо. Разве температура не всегда является температурой (набора) частиц, а не самого пространства? Если нет частиц, то как может быть температура?
— Z (25 лет)
Швеция

A:

Если считать фотоны частицами (как мы обычно поступаем), то частицы действительно есть в любом идеальном вакууме. Это немного отличается от ситуации, которую вы можете себе представить, когда температура является свойством некоторого фиксированного набора частиц. Температура здесь объясняет существование частиц. Охлаждение вещей оставит в космосе меньше фотонов.

Майк В.

(опубликовано 21.11.2013)

Дополнение № 15: температура вакуума

Вопрос:

Если бы мне нужно было создать простой вакуум в банке с помощью вакуумного насоса, какова была бы температура? внутри вакуум быть? Будет ли она равна температуре окружающей среды (комнатной температуре) или будет меньше? И если бы я поместил воду в этот вакуум, она бы закипела или мне нужно было бы добавить немного больше тепла?
— Эмили (16 лет)
Глазго, Шотландия

A:

Банка может немного остыть, когда вы накачиваете ее, но после того, как вы постоите некоторое время, обмениваясь теплом с комнатой, она должна вернуться к комнатной температуре.

Вода начнет кипеть, когда давление станет достаточно низким. Это охладит воду до тех пор, пока кипение не прекратится. Если насос исправен, давление будет достаточно низким, чтобы оставшаяся вода замерзла до того, как кипение прекратится. Вода будет продолжать испаряться до тех пор, пока вся она не исчезнет, ​​а водяной пар будет высасываться насосом. Когда вся вода испарится, температура вернется к комнатной температуре.

Майк В.

(опубликовано 15.09.2014)

Дополнение №16: Охлаждение компьютера в вакууме

Вопрос:

Если бы я создал частичный вакуум (возможно, 20 торр) и поместил внутрь компьютер (следовательно, источник тепла) и оставил бы насос работающим, вакуум помочь охладить компьютер? Или температура будет повышаться так же, как при 1 атмосфере, возможно, даже быстрее из-за отсутствия конвекции?
— Дэниел Льюис (16 лет)
Йорк, Небраска, США

A:

Как вы предполагаете, охлаждать компьютер в частичном вакууме, вероятно, будет сложнее. В большинстве персональных компьютеров для охлаждения процессора используется вентилятор, а при меньшем количестве воздуха для отвода тепла вентилятор будет менее эффективным. Отдельная проблема заключается в том, что жесткие диски (с подвижным рычагом, а не твердотельные накопители) полагаются на давление воздуха, чтобы удерживать головку чтения/записи на несколько нанометров выше диска. Они не могут работать в вакууме.

Если вы хотите более эффективно охлаждать компьютер, воздух может сделать только это. Вы можете добиться большего успеха, используя что-то с более высокой теплоемкостью, например, жидкую воду. В компьютер с жидкостным охлаждением вода закачивается по трубкам, так что она проходит рядом с горячими компонентами компьютера. Затем горячая вода откачивается, охлаждается вентилятором и снова циркулирует.

Вы даже можете охладить компьютер, полностью погрузив его в охлаждающую жидкость. Вода является проводником, поэтому электроника закоротит и компьютер выйдет из строя, но минеральное масло обладает аналогичными охлаждающими свойствами и не проводит электричество. Очевидно, вы можете взять стандартный компьютер и  (хотя кажется, что это будет грязно, если вам нужно что-то починить).

Ребекка Холмс

(опубликовано 16.10.2014)

Дополнение №17: температура вакуума

Q:

если нет частиц, движение которых можно было бы измерить, то есть ли вообще температура? Я так не думаю, лично.
— Бо Фил (15 лет)
monteal, canada

A:

В школе иногда говорят, что «температура — это движение частиц». Иногда это довольно близко к хорошему определению, но в целом это не так. Общее определение температуры включает в себя то, сколько энергии требуется, чтобы перейти к скольким еще квантовым состояниям. Нулевая температура означает, что некоторая система находится в квантовом состоянии с минимально возможной энергией.

Как мы сказали выше, если вы определяете вакуум как не содержащий частиц вообще, включая частицы света, он может существовать только при нулевой температуре. Однако ничто реальное не может достигать нулевой температуры. Таким образом, наиболее распространенным определением вакуума является пространство, в котором нет таких частиц, как атомы и молекулы. Близок к этому космос вдали от галактик. В нем есть некоторое электромагнитное излучение при температуре около 2,7К.

Майк В.

опубликован без проверки, пока Ли не вернется из Серенгети

(опубликовано 06.11.2014)

Дополнение №18: падение температуры при вакуумировании банки

Вопрос:

Давайте возьмем стеклянный колпак и поместим под него термометр. Итак, перед началом вакуумирования давление под колпаком равно атмосферному, а термометр показывает текущую комнатную температуру. Когда мы сейчас начнем процесс откачки и закончим при очень хорошем вакууме, какую температуру покажет нам термометр? Снижается ли температура немного из-за потока воздуха из колпака или из-за падения температуры из-за вакуумирования, которое вызывает снижение давления? Надеюсь, вы можете помочь. Заранее спасибо!
— Саймон (22 года)
Германия

A:

Действительно ваши два объяснения звучат как одно и то же. Воздух выходит через трубку к насосу, потому что давление внутри больше, чем давление в насосе. Таким образом, воздух внутри совершает работу над воздухом, когда он выходит, потому что он прилагает силу в направлении движения. Энергия для выполнения работы исходит от теплового движения молекул воздуха, в результате чего они становятся немного холоднее.

В типичном лабораторном вакууме большая часть тепловой энергии, близкой к комнатной температуре, все равно будет находиться в нескольких оставшихся молекулах, а не в тепловом электромагнитном поле.

Майк В.

(опубликовано 06.07.2015)

Дополнение №19: температура космоса?

Q:

Итак, вы говорите, что внутри вакуума существует определенная температура. Так почему же в космосе не жарко из-за излучения солнечных лучей и температура ниже 0 градусов по Цельсию?
— Сукаванан (16 лет)
Ченнаи, Индия

A:

Мы говорим, что вакуум может иметь определенную температуру, но не все вакуумы имеют определенную температуру. Чтобы иметь определенную температуру, количество излучения на разных частотах должно следовать определенной схеме, известной как тепловой спектр черного тела. В широком диапазоне частот пространство вдали от звезд действительно следует такой схеме с температурой 2,725 К. Высокочастотная часть спектра, включая видимый свет, имеет гораздо больше энергии от звездного света, чем 2,725 теплового спектра, даже в регионах, далеких от звезд. Так что в космосе нет четко определенной температуры.

Вблизи Земли полная плотность энергии излучения соответствует температуре примерно 300К. Вот почему Земля имеет примерно такую ​​температуру. Спектральное распределение, однако, очень далеко от тепловой картины, со слишком большим количеством высокочастотных компонентов, недостаточным количеством низкочастотных компонентов и неравномерным распределением направлений. Так что здесь вакуум даже близко не имеет определенной температуры.

Майк В.

(опубликовано 29.07.2015)

Дополнение #20: частицы и температура вакуума частицы, такие как кварки и мюоны, которые проявляют волновую природу, а также природу частиц, поэтому в этом случае, что является мерой температуры в этом случае????? [поскольку масса этих частиц настолько мала, что мы можем ею пренебречь]

— Вайшнави Гупта (17 лет)
Нагпур Индия

A:

При тех температурах, с которыми мы обычно имеем дело, в вакууме, находящемся в тепловом равновесии, не будет значительного числа кварков и мюонов.