هل يمكنك تحديد درجة حرارة الفراغ؟ تفكيك فيزياء الفضاء "الفارغ"

من الناحية التقنية، الفراغ المثالي ليس له درجة حرارة. درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات، والفراغ المثالي، بحكم تعريفه، لا يحتوي على جسيمات. ومع ذلك، فإن أي فراغ في العالم الحقيقي، بما في ذلك اتساع الفضاء الخارجي، ليس فارغًا تمامًا وهو مليء بالإشعاع الكهرومغناطيسي، والذي له درجة حرارة قابلة للقياس.

القضية الأساسية هي سوء فهم لماهية "درجة الحرارة". لا يمكننا قياس درجة حرارة العدم؛ يمكننا فقط قياس درجة حرارة الجسيمات أو المجالات الطاقية التي تشغل حيزًا معينًا.

ما هي درجة الحرارة بالضبط؟

لفهم سبب تقديم الفراغ تحديًا لهذا المفهوم، يجب علينا أولاً تعريف درجة الحرارة من منظور فيزيائي.

درجة الحرارة كحركة للجسيمات

درجة الحرارة خاصية ماكروسكوبية تنبثق من العالم المجهري. إنها تمثل متوسط الطاقة الحركية - الحركة - للذرات والجزيئات داخل النظام.

الجسيمات الأسرع حركة تعني متوسط طاقة حركية أعلى، وهو ما ندركه كدرجة حرارة أعلى. الجسيمات الأبطأ حركة تعني درجة حرارة أقل.

مشكلة الفراغ "المثالي"

الفراغ المثالي هو حيز نظري خالٍ تمامًا من المادة. إنه لا يحتوي على أي ذرات أو جزيئات.

إذا لم تكن هناك جسيمات، فلا يوجد متوسط لحركة الجسيمات. لذلك، فإن مفهوم درجة الحرارة كما نعرفه بشكل شائع لا ينطبق ببساطة. السؤال عن درجة حرارة الفراغ المثالي يشبه السؤال عن لون الرقم سبعة؛ السؤال نفسه مبني على فرضية خاطئة.

لماذا لا يزال للفضاء "الفارغ" درجة حرارة

في حين أن الفراغ المثالي ليس له درجة حرارة، فإن أي فراغ حقيقي ليس فارغًا حقًا. هذا صحيح بالنسبة للفراغات التي يتم إنشاؤها في المختبر وبالنسبة لاتساع الفضاء بين النجوم.

دور الإشعاع

أي حيز، مهما كان فارغًا من الجسيمات، يتخلله إشعاع كهرومغناطيسي (فوتونات). تنتقل هذه الفوتونات عبر الفراغ وتحمل الطاقة. الجسم الموضوع في هذا الفراغ "الفارغ" سوف يمتص ويصدر هذا الإشعاع.

في النهاية، سيصل الجسم إلى التوازن الحراري مع المجال الإشعاعي. درجة حرارة الجسم في تلك المرحلة هي فعليًا درجة حرارة الحيز الذي يشغله.

درجة حرارة الكون

الشكل السائد لهذا الإشعاع في كوننا هو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB). هذا هو الوهج الخافت المتبقي من الانفجار العظيم، وهو بحر من الفوتونات يملأ كل الفضاء.

من خلال قياس طيف طاقة CMB، حدد العلماء درجة حرارته بحوالي 2.7 كلفن (-270.45 درجة مئوية أو -454.81 درجة فهرنهايت). هذه هي درجة الحرارة الأساسية لجسم محمي من جميع مصادر الطاقة الأخرى في أعمق أجزاء الفضاء بين المجرات.

فهم المزالق

العلاقة بين الفراغ ودرجة الحرارة والحرارة غالبًا ما يساء فهمها. توضيح هذه المفاهيم أمر بالغ الأهمية لفهم صحيح.

الخلط بين درجة الحرارة والحرارة

درجة الحرارة هي مقياس لطاقة الجسيمات المتوسطة؛ الحرارة هي انتقال تلك الطاقة. الفراغ عازل استثنائي لأنه لا يحتوي تقريبًا على أي جسيمات لنقل الطاقة عن طريق التوصيل أو الحمل الحراري.

هذا هو السبب في أن الترمس يستخدم طبقة فراغ للحفاظ على السوائل ساخنة أو باردة. إنه يمنع انتقال الحرارة إلى الداخل أو الخارج.

الضغط مقابل درجة الحرارة

الضغط المنخفض لا يعني تلقائيًا درجة حرارة منخفضة. في غرفة تفريغ مختبرية، يمكن أن يكون لديك بلازما عالية الطاقة - غاز من الجسيمات المشحونة تم تسخينها إلى آلاف الدرجات - بينما يظل النظام عند ضغط منخفض للغاية.

هذا لأن درجة الحرارة تقيس سرعة الجسيمات الفردية، بينما يقيس الضغط القوة الجماعية التي تمارسها على جدران الحاوية. إذا كان لديك عدد قليل جدًا من الجسيمات (ضغط منخفض)، فقد تكون لا تزال تتحرك بسرعة كبيرة (درجة حرارة عالية).

"برودة" الفضاء

رائد فضاء في الفضاء سيتجمد حتى الموت ليس لأن الفضاء "بارد" بالمعنى التقليدي، ولكن لأن جسده، عند 37 درجة مئوية، يشع الحرارة بعيدًا في الفراغ شبه المثالي.

مع عدم وجود غلاف جوي لنقل الحرارة إليه مرة أخرى، يفقد جسمه الطاقة بمعدل أسرع بكثير مما يمكنه إنتاجه. إنه يبرد نفسه عن طريق إشعاع حرارته الخاصة في الفراغ.

اتخاذ الخيار الصحيح لهدفك

كيف تفكر في درجة حرارة الفراغ يعتمد كليًا على سياقك.

• إذا كان تركيزك الأساسي هو الفيزياء النظرية: يتم تعريف درجة حرارة الفضاء "الفارغ" من خلال إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وهو 2.7 كلفن.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو الهندسة الصناعية: يتم تعريف "درجة الحرارة" في نظام الفراغ الخاص بك من خلال درجة حرارة الجسيمات الغازية القليلة المتبقية أو، بشكل أكثر عملية، درجة حرارة جدران الحجرة.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو الفهم العام: الفراغ نفسه ليس له درجة حرارة، ولكن أي شيء داخله - سواء كان جسمًا أو مجالًا طاقيًا - له درجة حرارة.

في نهاية المطاف، درجة الحرارة هي خاصية للنظام، والفراغ المثالي هو غياب نظام للقياس.

جدول ملخص:

المفهوم	الوصف	الخلاصة الرئيسية
الفراغ المثالي	حيز نظري بدون جسيمات.	ليس له درجة حرارة، لأن درجة الحرارة تتطلب جسيمات.
الفراغ الحقيقي	يحتوي على آثار من الجسيمات والإشعاع.	يتم تعريف درجة الحرارة من خلال المجال الطاقي السائد (مثل CMB عند 2.7 كلفن).
الحرارة مقابل درجة الحرارة	تقيس درجة الحرارة طاقة الجسيمات؛ الحرارة هي انتقال الطاقة.	الفراغ عازل ممتاز، يمنع انتقال الحرارة عن طريق التوصيل/الحمل الحراري.

هل تحتاج إلى تحكم حراري دقيق لعمليات التفريغ لديك؟ تتخصص KINTEK في معدات المختبرات عالية الأداء، بما في ذلك أفران التفريغ وأنظمة التحكم في درجة الحرارة. تضمن حلولنا الدقة والموثوقية لتطبيقاتك الأكثر تطلبًا. اتصل بخبرائنا اليوم لمناقشة كيف يمكننا تحسين إمكانيات مختبرك.

دليل مرئي