سيدعباس موسوي
گرما، انرژی، دما
گرما، انرژی، دماهمه می‌دانیم که بعضی چیزها گرم هستند و بعضی چیزها سرد اما راجع به دما چه چیز دیگری می‌دانیم؟ وقتی شیئی گرم به نظر می‌رسد، اتم‌های آن به سرعت در جهات مختلف به طور تصادفی در حال حرکت هستند و وقتی جسمی سرد به نظر می‌رسد حرکت آنها کندتر شده است. بنابراین وقتی چیزی را گرم می‌کنیم در حقیقت اتم‌های آن را وامی‌داریم سریع‌تر حرکت کنند. اگر آن چیز جامد باشد اتم‌هایش به سرعت به جلو و عقب ارتعاش می‌کنند و اگر گازی مثل هوا باشد، اتم‌هایش مثل توپ‌های کوچکی به اطراف پرواز می‌کنند.
در یک دسته از اتم‌ها، اتم‌هایی با سرعت‌های مختلف وجود دارند، به علاوه سرعت هر کدام از اتم‌ها ممکن است بر اثر برخورد با اتم‌های دیگر کم یا زیاد شود اما میانگین سرعت آنها ثابت باقی می‌ماند.
وقتی در یک روز سرد زمستانی از خانه خارج می‌شویم، احساس می‌کنیم سرما تا مغز استخوان‌هایمان نفوذ می‌کند اما این چیزی نیست که واقعا اتفاق می‌افتد. سرما حرکت نمی‌کند، این گرماست که حرکت می‌کند. وقتی دو شئ به هم نزدیک می‌شوند سعی می‌کنند به دمای برابر برسند یعنی در واقع گرما از بدن ما به سمت هوای سرد بیرون حرکت می‌کند تا آن را گرم کند. احساس سرما می‌کنیم چون بدن‌مان مقداری گرما از دست می‌دهد.
تا ۲۰۰ سال پیش دانشمندان فکر می‌کردند گرما از یک ماده به نام کالریک تشکیل شده که می‌تواند از جسمی به جسم دیگر منتقل شود و آن را گرم کند. هرچه مقدار کالریک بیشتری در یک جسم باشد، آن جسم داغ‌تر خواهد بود. از آنجا که مواد بویژه مایعات با گرم شدن دچار انبساط و افزایش حجم می‌شدند، دانشمندان اولیه تصور می‌کردند این افزایش حجم مربوط به مقدار کالریکی است که به ماده اضافه میشود و این موضوع را تاییدی بر وجود ماده‌ای به نام کالریک می‌دانستند. به علاوه چون کالریک ماده بود، ایجاد یا نابود نمی‌شد و بنابراین مقدار آن را در هر سیستمی ثابت فرض می‌کردند.
حدود۲۰۰ سال پیش دانشمندان کم‌کم پی بردند که نظریه کالریک صحیح نیست و گرما نوعی ماده قابل لمس نیست بلکه گرما یک خاصیت ماده است که وابسته به سرعت حرکت اتم‌ها در داخل ماده است. هر چه اتم‌ها سریع‌تر حرکت کنند، انرژی بیشتری دارند و این چیزی است که جسم را گرم‌تر می‌کند.
حتی پیش از اینکه دانشمندان بدانند مواد از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند، برایشان روشن شده بود که رابطه‌ای بین گرما و حرکت هست. حرکت می‌تواند گرما ایجاد کند و گرما می‌تواند حرکت ایجاد کند. این رابطه همان چیزی است که باعث میشود موتور بخار در قطارها کار کند. در ۱۸۴۰ جیمز ژول کشف کرد که مقدار ثابتی کار هر بار دقیقا مقداری ثابت و برابر با دفعات قبل گرما تولید می‌کند. ژول روی مقدار کار مکانیکی‌ای آزمایش می‌کرد که دمای مقدار مشخصی آب را یک درجه بالا ببرد.
همانطور که گفتیم زمانی که دانشمندان فکر می‌کردند گرما نوعی ماده است، از این فکر نتیجه می‌گرفتند که گرما پایسته است یعنی به وجود نمی‌آید و از بین نمی‌رود و مقدار آن در یک سیستم همیشه ثابت است، اما وقتی معلوم شد گرما به حرکت و حرکت به گرما قابل تبدیل است، ایده پایستگی گرما کنار گذاشته شد و این یک قدم کلیدی برای ساخت انواع سردکننده‌ها بود. به نظر می‌رسید اگر بتوان با وسیله‌ای گرمای یک جسم را به انواع دیگر انرژی مثل انرژی مکانیکی تبدیل کرد، می‌توان آن جسم را سرد و سردتر کرد.
این همان ایده‌ای است که یخچال با آن کار می‌کند. در یخچال یک مایع سرد کننده به گاز تبدیل میشود. تبدیل یک مایع به گاز به انرژی احتیاج دارد و این انرژی از گرمای اجسام داخل یخچال تامین میشود و آنها سرد می‌شوند.
یخچال
یخچال‌ها همه جا هستند و طوری به بخشی از زندگی روزمره ما تبدیل شده‌اند که خیلی سخت می‌توان باور کرد که تکنولوژی نسبتا جدیدی هستند. نخستین یخچال خانگی سال ۱۹۱۱ در آمریکا ساخته و تولید انبوه آن بعد از جنگ جهانی دوم آغاز شد. این وسیله خانگی عمر مفید خود را به چند قرن تلاش دانشمندان در فیزیک دماهای پایین مدیون است.
روشی که در یخچال‌ها برای سرد نگه داشتن غذاها استفاده میشود مبتنی بر درک دقیقی از روش‌های گرفتن گرما از مواد است. برای اینکه بفهمیم یخچال چطور کار می‌کند باید چیزهای زیادی در مورد دما بدانیم. اول، اگر دو محیط با دمای متفاوت کنار هم قرار بگیرند، گرما از محیط گرم‌تر به محیط سردتر منتقل میشود. یعنی محیط گرم، سردتر و محیط سرد، گرم‌تر خواهد شد. به این پدیده قانون دوم ترمودینامیک می‌گویند. دوم اینکه چیزهای دیگری هم هستند که می‌توانند باعث تغییر در دما شوند مثلا بخار شدن و فشرده شدن. شما احتمالا به اثر سرد کننده بخار شدن وقتی تازه از زیر دوش آب گرم بیرون آمده‌اید توجه کرده‌اید. آب از روی بدن شما بخار میشود و به هوا می‌رود و گرمای لازم برای این کار را از بدن شما می‌گیرد. در نتیجه شما احساس سرما می‌کنید. همین‌طور وقتی از اسپری‌های خوشبو کننده استفاده می‌کنید گازی که به پوست شما می‌رسد بسیار سرد است چرا که گاز از حالت فشرده شده در قوطی خارج میشود و گرما از دست می‌دهد.
یخچال با بخار کردن و فشرده کردن یک گاز خاص غذاها را سرد می‌کند. ابتدا این گاز که در یک مخزن قرار دارد با گذر از یک شیر انبساط، به شدت منبسط و سرد میشود. این گاز سرد در لوله‌های داخل یخچال جریان پیدا می‌کند و از مواد داخل یخچال گرما می‌گیرد و گرم میشود. حالا باید این گرما بیرون از محفظه یخچال به محیط منتقل شود اما مساله‌ای وجود دارد؛ گاز
سردکننده با وجود اینکه از مواد داخل یخچال گرم‌تر است هنوز از هوای بیرون سردتر است و نمی‌تواند گرمایش را به محیط منتقل کند، پس یخچال باید باز هم این گاز را گرم‌تر کند. برای این کار دستگاهی که به آن کمپرسور می‌گویند گاز را درست مثل اسپری داخل قوطی فشرده می‌کند و با این کار گاز گرم‌تر میشود، گرم‌تر از دمای محیط. حالا این گاز در لوله‌های پشت یخچال جریان پیدا می‌کند و در تماس با محیط گرما را از دست می‌دهد و سرد میشود. وقتی گاز سرد میشود به شکل مایع درمی‌آید و در مخزن چگالش جمع میشود و دوباره این چرخه را شروع می‌کند.
برودت‌شناسی
کریوژنیک یا برودت‌شناسی اصطلاحی عام است که به همه فناوری‌هایی که به دماهای خیلی پایین احتیاج دارند اطلاق میشود. فناوری‌های زیادی در این رده قرار می‌گیرند. فریز فوری سبزیجات،
ام. آر. آی، آنتن‌های شبکه تلفن همراه و ذخیره گاز طبیعی مایع فقط بعضی از آنها هستند.
سردترین دمایی که در کره زمین ثبت شده است -۸۹ درجه سانتیگراد و در قطب جنوب بوده است اما بیشتر این فناوری‌ها به دماهایی بسیار کمتر از این احتیاج دارند. برای رسیدن به دماهایی بسیار سردتر از دماهایی که در طبیعت موجودند این فناوری‌ها از تکنیک‌هایی که در طول قرن گذشته برای مایع کردن بعضی از گازها مثل هیدروژن، هلیوم، نیتروژن و اکسیژن ایجاد شده‌اند استفاده می‌کنند. همه این عناصر در دمای معمولی گاز هستند و در اوایل قرن بیستم دانشمندان روش‌هایی برای مایع کردن آنها پیدا کرده‌اند که آنها را به دماهای بسیار پایین می‌رساند و این مایعات بسیار سرد هستند که فناوری‌های کریوژنیک را ممکن می‌کنند. هلیوم مایع ابررساناهای دستگاه
ام. آر. ای را سرد نگه می‌دارد و نیتروژن مایع برای انجماد فوری سبزیجات و نمونه‌های پزشکی به کار می‌رود.
تلاش برای رسیدن به صفر مطلق
در ابتدای قرن ۱۸ گوییلام آمونتوس به این نتیجه رسید که حدی برای سرد کردن اجسام وجود دارد چرا که به نظرش می‌رسید مقدار گرمایی که می‌توان از یک جسم گرفت محدود است. البته آمونتوس نمی‌دانست این حد کجاست، چرا که در آن زمان هیچ‌کس دقیقا نمی‌دانست چه چیزی در مواد گرما ایجاد می‌کند. امروز ما می‌دانیم که گرما چیزی نیست جز حرکت اتم‌های مواد. حرکت سریع‌تر اتم‌ها یعنی ماده گرم‌تر و حرکت کندتر آنها یعنی ماده سردتر، بنابراین سردترین چیزی که ممکن است وجود داشته باشد ماده‌ای است که همه اتم‌های آن از حرکت باز ایستاده باشند. این نقطه‌ای است که به آن «صفر مطلق» می‌گویند و امروز می‌دانیم که سردترین دمای ممکن -۲۷۳/۱۵ درجه سانتیگراد است.
در واقعیت اتم‌ها هرگز کاملا از حرکت باز نمی‌ایستند پس هیچ ماده‌ای در هیچ شرایطی نمی‌تواند دمایی دقیقا برابر صفر مطلق داشته باشد، اما این نکته باعث نمی‌شود که محققان برای دستیابی به دماهای هر چه نزدیک‌تر به صفر مطلق تلاش نکنند. در نخستین سال‌هایی که تحقیقات مربوط به فیزیک سرما آغاز شد یعنی اوایل قرن ۱۹، دانشمندان توانستند با مایع کردن گازهایی مثل هیدروژن و نیتروژن به دماهای خیلی پایینی دست پیدا کنند و در سال ۱۹۰۸ به مرز ۵ درجه بالاتر از صفر مطلق رسیدند.
در دهه ۱۹۲۰ فیزیکدانی به نام بوز مشغول کار روی چیزی بود که ما امروزه به آن مکانیک کوانتومی می‌گوییم. نظریه‌ای راجع به نور بیان کرد. این نظریه با کمک اینشتین چاپ شد. اینشتین سعی کرد همان نظریه را درباره اتم‌ها به کار ببندد و نتیجه محاسبات این شد که اگر اتم‌های یک ماده را بسیار سرد کنیم اتفاقات عجیبی می‌افتد. در دمای معمولی اتم‌ها مثل افرادی متفاوت هستند که در خیابان هر کدام به طرفی حرکت می‌کنند، اما محاسبات نشان می‌داد اگر اتم‌ها را خیلی سرد کنیم شبیه افراد یک‌دسته مرتب نظامی می‌شوند و در هماهنگی کامل با هم حرکت می‌کنند. نام این دسته از اتم‌ها را چگالش بوز- اینشتین گذاشتند اما در روزگار اینشتین دمای لازم برای مشاهده این پدیده هنوز خیلی دور از دسترس بود. پس فیزیکدانها هدف تازه‌ای پیدا کردند؛ رسیدن به دمای لازم برای مشاهده چگالش بوز- اینشتین.
این کار اصلا ساده نبود. روش‌های معمول سرد کردن کافی نبودند. دانشمندان یاد گرفتند چطور با استفاده از لیزر سرعت اتم‌ها را کم کنند. به‌خاطر بیاورید که یک اتم وقتی «سرد» میشود که سرعت آن کم شود پس اگر به شکلی بتوانیم آن را در جایی ثابت نگه داریم آن را فوق‌العاده سرد کرده‌ایم. بالاخره در ۱۹۹۵ سه دانشمند موفق شدند تعداد کافی اتم را به اندازه کافی یعنی ۱۷۰ میلیاردم درجه بالای صفر مطلق سرد کنند. در این دما چیزی که بوز و اینشتین پیش‌بینی کرده بودند درست از کار درآمد. همه اتم‌ها با هم یک ابراتم واحد تشکیل دادند و چگالش بوز- اینشتین به عنوان حالتی جدید برای ماده در کنار گاز، مایع و جامد پذیرفته شد.
ساختن چگالش بوز-اینشتین در حقیقت کاری بیشتر و جالب‌تر از مشاهده یک حالت جدید ماده برای اولین‌بار بود. این مشاهده راه را برای بررسی بیشتر رفتار ذرات در حالت‌های مختلف باز کرد. بویژه بررسی این موضوع که چطور مواد سرد الکتریسیته را خیلی بهتر از فلزات معمولی انتقال می‌دهند. به علاوه امیدهایی وجود دارد که بتوان با استفاده از چگالش بوز- اینشتین ساختارهای بسیار ریزی به صورت اتم به اتم ساخت که ممکن است کاربردهای زیادی در صنایع الکترونیک یا نانوتکنولوژی یا بیوتکنولوژی داشته باشند. تقریبا 3 قرن طول کشیده است تا دانشمندان به نزدیکی صفر مطلق رسیده‌اند، اما جست‌وجو هنوز تمام نشده است. در حقیقت فیزیکدانها هنوز در شروع تحقیقات در مورد صفر مطلق هستند.
ابررسانایی
ابررسانایی بر این حقیقت استوار است که هر چه یک فلز سردتر باشد، الکتریسیته راحت‌تر در آن جریان پیدا می‌کند. برای بیشتر فلزات این حقیقت تا دمای مشخصی درست است و هر چه پایین‌تر از آن دما مقداری مقاومت در برابر جریان همچنان باقی می‌ماند. اما تعداد محدودی فلز وجود دارند که مقاومت‌شان در برابر جریان الکتریکی در دمای مشخصی ناگهان دقیقا صفر میشود. با مقاومت صفر دیگر اختلاف پتانسیلی برای برقرار نگه داشتن جریان لازم نیست و این یعنی ابررساناها می‌توانند بسیار بهتر از سیم‌های معمولی جریان الکتریسیته را انتقال دهند.
اونز، فیزیکدان دانمارکی که در ۱۹۰۸ توانست هلیم را به دمای ۵ درجه بالای صفر مطلق برساند، تصمیم گرفت رفتار فلزات را در دماهای پایین بررسی کند. در آن زمان تئوری‌های مختلفی در این زمینه وجود داشت. کسانی مثل لرد کلوین معتقد بودند در دماهای پایین جریان الکتریسیته در فلزات کاملا متوقف میشود اما اونز معتقد بود در دماهای پایین مقاومت کاهش پیدا خواهد کرد.
اونز یک سیم از جنس جیوه را بررسی کرد و جریان الکتریسیته را در دماهای مختلف اندازه‌گیری کرد. در ابتدا هیچ تغییر خاصی در جریان دیده نشد اما همین که دما به ۴/۵ درجه بالای صفر مطلق رسید ناگهان مقاومت سیم به کلی ناپدید شد. درست مثل اینکه شیئی را روی سطحی بدون اصطکاک هل دهید. شئ تا ابد بدون هل دادن دوباره حرکت خواهد کرد. اونز نام این حالت را ابررسانایی گذاشت.
چند سالی طول کشید تا دانشمندان خاصیت عجیب دیگر ابررساناها را کشف کردند. ابررساناها به وسیله میدان‌های مغناطیسی دفع می‌شوند. دو آهن‌ربای معمولی یکدیگر را به حرکت وا‌می‌دارند. اما ابررساناها یک اثر پایدار مغناطیسی تولید می‌کنند. یک آهن‌ربای میله‌ای به راحتی و به صورت پایداری بالای یک ابررسانا در هوا شناور میشود، چیزی که به آن اثر میسنر می‌گوییم.
نخستین ابررساناها برای رسیدن به حالت ابررسانایی باید بسیار سرد می‌شدند و بنابراین امکان استفاده صنعتی و تکنولوژیک از آنها وجود نداشت. در ۱۹۸۰ دانشمندان ابررساناهایی پیدا کردند که در دماهای بالاتری، حدود ۷۷ درجه بالای صفر مطلق، کار می‌کردند. این مواد را می‌توان به وسیله نیتروژن مایع سرد نگه داشت که روشی نسبتا ارزان و ساده است. امروزه از ابررساناها در دستگاه‌های
ام. آر. ای در بیمارستان‌ها و در قطارهای سریع‌السیر که با ریل تماس ندارند و در بسیاری مصارف صنعتی دیگر استفاده می‌کنند.
اخترشناسی
ماشین‌های زیادی وجود دارند که اگر در دماهای نزدیک به صفر مطلق نگه داشته شوند بهتر کار می‌کنند. بعضی از این ماشین‌ها در اخترشناسی کاربرد دارند. وسایلی در تلسکوپ‌هایی مثل تلسکوپ هابل هست که برای درست کار کردن باید در دماهای خیلی پایین نگه داشته شود.
غیر از بزرگنمایی تصویر، استفاده از تلسکوپ‌ها دلیل دیگری هم دارد؛ تلسکوپ‌ها می‌توانند نورهایی را ببینند که چشم ما نمی‌بیند. نوری که ما می‌بینیم فقط یکی از انواع مختلف تابش‌هایی است که در عالم وجود دارد، اما تلسکوپ‌ها می‌توانند طوری ساخته شوند که تابش‌های دیگری مثل تابش فروسرخ را ببینند. ما تابش فروسرخ را به شکل گرما حس می‌کنیم اما این تابش هم در حقیقت نوعی نور است و دیدن آن می‌تواند کمک بزرگی برای اخترشناسان باشد چرا که معمولا ستارگان و دیگر اهداف اخترشناسان گرم هستند و تابش‌های فروسرخ دارند.
اما برای دیدن گرمایی که از ستارگان دور تابش میشود، نمی‌توانیم گیرنده‌مان را در اتاقی بگذاریم که گرما در همه اطراف آن وجود دارد و تولید میشود. این کار مثل این می‌ماند که وقتی به آسمان خیره شده‌اید تا ستاره کوچکی را ببینید کسی در چشم شما فلش بزند. بنابراین همانطور که برای دیدن ستارگان به جاهای تاریک می‌رویم برای دیدن تابش‌های گرمایی هم باید گیرنده‌مان را بسیار سرد نگه داریم و برای ساختن تجهیزاتی در این دما به فناوری‌های کریوژنیک نیاز داریم.
پروازهای فضایی
یکی دیگر از فناوری‌هایی که به دماهای خیلی پایین نیاز دارد راکتهایی هستند که در پروازهای فضایی به کار گرفته می‌شوند. در ساده‌ترین بیان، طرز کار راکت به این شکل است؛ راکت گازی را به عقب پرتاب می‌کند و خود را به جلو می‌راند. برای اینکه راکت بتواند به سرعت لازم برای غلبه بر جاذبه زمین دست پیدا کند لازم است انفجاری کنترل شده انجام شود. سوختی که راکت‌ها برای این انفجار استفاده می‌کنند هیدروژن مایع و اکسیژن مایع است. این گازهای مایع که دمای نزدیک صفر مطلق دارند مثالی از تکنولوژی کریوژنیک هستند. نگه داشتن گازها در حالت مایع فضای بسیار کمتری را از حالت گاز اشغال می‌کند و این در مورد پروازهای فضایی که در آنها جا اهمیت زیادی دارد نکته بسیار مهمی است، مثلا راکتهایی که شاتل‌های فضایی را حمل می‌کنند هیدروژن و اکسیژن را در دو منبع خارجی که به راکت متصل است حمل می‌کنند. یکی از این منبع‌ها ۱/۵ میلیون لیتر اکسیژن و دیگری نیم‌میلیون لیتر اکسیژن حمل می‌کند. وزن دو منبع روی هم حدود ۷۱۹ تن است. این دو گاز در موتور راکت با هم می‌سوزند و نتیجه این سوختن با سرعت 10 هزار کیلومتر بر ساعت از راکت خارج میشود و آن را به جلو می‌راند.