Температура в космосе вакуума: Почему космос такой холодный, если звезды такие горячие?

Почему космос такой холодный, если звезды такие горячие?

09.12.202111.04.2022

Казалось бы, простой и даже наивный вопрос: почему космос такой холодный, если звезды такие горячие? На деле ответ не так прост, как может показаться на первый взгляд. Мы объясним этот физический процесс понятным языком.

Почему космос не согревается звездами. Изображение: Unsplash

В отличие от нашей комфортной среды обитания на Земле, Солнечная система полна экстремальных температур. Солнце представляет собой раскаленный газовый шар с температурой поверхности 5500°C, а в ядре — до 1,5 млн градусов. Между тем, температура космоса, если удалиться на достаточное расстояние от Солнца, окажется чуть выше абсолютного нуля — примерно -270,6°C. Как такое может быть?

Теплопроводность на планетах

Тепло распространяется через космос в виде излучения — инфракрасной волны энергии, которая переходит от более горячих объектов к более холодным. Волны излучения возбуждают молекулы, с которыми они соприкасаются, вызывая их нагрев. Именно так тепло передается от Солнца к Земле. Но загвоздка в том, что излучение нагревает только те молекулы и материю, которые находятся прямо на его пути. Все остальное остается холодным.

Возьмем Меркурий. По данным NASA, ночная температура на этой планете может быть на 500°C ниже, чем на дневной стороне, подверженной радиационному воздействию. Сравните это с Землей, где воздух вокруг вас остается теплым, даже если вы находитесь в тени. Это потому, что тепло распространяется по нашей планете тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Когда солнечное излучение попадает и нагревает молекулы в нашей атмосфере, они передают эту дополнительную энергию молекулам вокруг себя. Затем эти молекулы сталкиваются со своими соседями и нагревают их. Этот перенос тепла от молекулы к молекуле называется теплопроводностью, и это цепная реакция, которая нагревает области за пределами пути солнечного излучения.

Передача тепла в космическом вакууме

Космическое пространство представляет собой вакуум. То есть, очень разреженная среда, практически полностью пустая. Космический вакуум не является действительно совершенным, и в межзвездном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Молекулы газа в космосе находятся далеко друг от друга, чтобы регулярно сталкиваться. Таким образом, даже когда солнце нагревает их инфракрасными волнами, передача тепла посредством теплопроводности невозможна. Точно так же конвекция — форма теплопередачи, которая происходит в присутствии силы тяжести — важна для рассеивания тепла по Земле, но в космосе не происходит из-за невесомости. Поэтому единственным способом передачи энергии от Солнца к Земле остается излучение.

Когда инженер-теплотехник проекта NASA DART Элизабет Абель разрабатывала солнечный зонд Parker, она лично столкнулась с проблемой нагрева космических аппаратов в космосе при непосредственной близости к Солнцу. Parker уже установил рекорды минимального сближения с нашим светилом, а также как самый быстрый объект, когда-либо созданный человеком. От разрушительной температуры Солнца аппарат спасает тепловой экран, который установлен лишь с одной стороны, и этого оказалось достаточно.

«Задача этого экрана — обеспечить защиту от перегрева экстремальной температурой солнечного излучения. В то время, когда защита раскаляется свыше 1000°C, остальная часть корпуса зонда, которая находится в тени, остается холодной и составляет -150 градусов», — объясняет Элизабет Абель.

Экстремальные перепады температур на сотни градусов могут показаться невероятными, но в космосе все обстоит именно так. Настоящая странность для космоса — это Земля: среди сильнейшего холода и жары наша атмосфера сохраняет удивительную мягкость, что позволяет поддерживать жизнь в комфортных для нее условиях.

Напомним, что ранее мы составляли список из ТОП-7 загадок Вселенной.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t. me/ustmagazine

загадки Звезды Космоc Солнечная система Солнце

Какая температура в космосе и за бортом МКС?

Фото: Getty Images

Наука

Четверг, 1 апреля 2021

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно выбрать правильную шкалу температуры, а также решить, где именно ее мерять — скажем, в глубоком космосе и рядом с МКС значения будут разными.

Чтобы ответить на главный вопрос, сначала нужно понять, что такое вообще температура.

Что такое температура?

Хотя понятие температуры возникло еще в древности, а первый термомент был создан в XVI веке, понятно, что к космосу наши представления о температуре мало применимы. В современной науке температуру определяют как среднюю броуновскую энергии частиц системы, в которой измеряется температура.

Температура измеряется не в джоулях — единицах энергии, а в градусах, причем градусы разных температурных шкал не равны друг другу, так сложилось исторически.

Для выяснения вопроса о температуре космоса удобнее всего оперировать шкалой Кельвина. Ноль по Кельвину (0К) обозначает состояние вещества, в котором прекращено всякое броуновское движение частиц. Размерность градуса по шкале Кельвина та же, что и у привычной нам шкалы Цельсия.  То есть, 0К= -273,15⁰С, 0⁰С=273,15К, 100⁰С=373,15К.

Какая температура в космосе?

Если бы в космосе царил абсолютный вакуум, то его температура была бы ровно 0К. Но даже в межгалактическом пространстве есть некоторое количество водорода, элементарные частицы, реликтовое излучение. Все это, взятое вместе, обеспечивает температуру глубокого космоса около 3К.

Но 3К — это  полнейшая космическая глушь. А чем ближе к галактикам, звездам, планетам, тем больше излучения, больше газа – и выше температура.

Естественно, температура космоса и температура каких-то предметов, которые в нем находятся, — например, спутников, космических станций, — это совсем разные вещи.

Так, сторона МКС, обращенная к Солнцу, может нагреваться до +260⁰С, а теневая сторона, в свою очередь, остывать до -100⁰С. На той высоте, где проходит орбита МКС, газ гораздо менее разрежен по сравнению с глубоким космосом, поэтому там существует конвекция — теплообмен за счет потоков вещества (пусть и разреженных). Именно поэтому теневая сторона МКС промерзает до — 100, хотя теоретически без конвекции ее расчетная температура составила бы +4°С.

Температура за бортом МКС — совсем другая. Измерения забортной температуры, проведенные со спутника TechEdSat, который вращался на аналогичной МКС орбите, колебались от -4°С до +45°С.

Интересные факты

В 2011 году астрономы NASA открыли звезды нового класса — «Y-карлики». Температура поверхности  самой холодной из них составила всего 26,6⁰С (299,75К), что ниже температуры человеческого тела. Для сравнения: температура поверхности Солнца около 6200К.

А еще в космосе идет глобальное потепление. Астрономы выяснили, что за последние восемь миллиардов лет температура глубокого космоса выросла втрое, с 1 до 3К.

Читайте также:

Факты о космосе

Вселенная нагревается: средняя температура газа в космосе выросла в 10 раз за 10 миллиардов лет

Загрузить еще

ЧИТАТЬ БОЛЬШЕ

#всеновости

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 материи 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 через слабое слабое взаимодействие), 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 называть 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: видение инфракрасного излучения в вакууме

В:

Итак, если вы возьмете инфракрасную камеру в вакуум, она покажет температуру 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, возможно, 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-то 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 действительно 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.