Brrrrr!

Blog 93, Brrrrr!

 

Is 40 graden Celsius tweemaal zo hoog als 20 graden Celsius? Het antwoord is nee. In dit geval is 2 x 20 gelijk aan 313. 
Dat heeft te maken met het feit dat de temperatuurschaal van Celsius niet bij het echte nulpunt van de temperatuur begint. De wetenschapper Celsius maakte een gradenverdeling op grond van het smeltpunt en kookpunt van water. Hij stak een thermometer, waarop nog geen graden stonden, in smeltend ijs en zette een 0 naast het punt waar het lijntje kwik eindigde. Daarna stak hij de thermometer in kokend water en zette 100 naast het punt waar het kwik nu stond. Door er streepjes tussen te zetten kon hij nu de temperatuur meten.

Om te begrijpen hoe het zit met die rare berekening hierboven maken we een kort uitstapje naar de beweging van de moleculen. Alle stoffen bestaan uit hele kleine deeltje, de moleculen. Die moleculen bewegen, dat kan een beweging van de ene kant van de kamer naar de andere kant van de kamer zijn of een trilling. Als de temperatuur hoger wordt, gaan de moleculen gemiddeld sneller bewegen en als de temperatuur lager wordt, vertraagt alles. Dat is interessant, want dat roept de vraag op bij welke temperatuur de moleculen stil staan. Dat blijkt bij -273,15 graden Celsius te zijn. Dat wordt het absolute nulpunt genoemd. Kouder dan dat kan het niet worden, want stiller dan stil staan kan niet.

Misschien heb je wel eens gedacht dat het in het heelal op sommige plekken superkoud is, wel duizenden graden onder nul. Dat kan dus niet!

De temperatuurschaal die gebaseerd is op het absolute nulpunt, waarbij de afstand tussen de streepjes nog steeds overeenkomt met die van Celsius, is de temperatuurschaal van Kelvin. Hierin komt 0 graden Celsius overeen met, afgerond, 273 Kelvin. (Bovenstaand sommetje: 20 graden Celsius komt overeen met 293 K; 2 x 293 =  586; 586 Kelvin komt overeen met 586 - 273 = 313 graden Celsius)

In Leiden staat het Kamerlingh Onnes Laboratorium, genoemd naar de Nederlandse natuurkundige die in 1913 de Nobelprijs voor natuurkunde ontving. Het laboratorium werd jaren lang het "koudste plekje op aarde" genoemd. Maar hoe kun je dergelijke lage temperaturen bereiken?

Wij kunnen het kouder maken met ijs. Door iets in smeltend ijs te houden, zakt de temperatuur tot 0 graden Celsius. Als je bij dat smeltende ijs wat zout gooit, kun je zelfs een temperatuur van -14 graden Celsius bereiken.
Je hebt vast wel eens gemerkt dat als je een vluchtige vloeistof, zoals aceton, op je huid krijgt, dat dat heel koud aanvoelt, op die manier kun je ook koelen. Hetzelfde gebeurt door samengeperste gassen in een grote ruimte vrij te laten, denk maar aan een butagastankje waar het gas uitstroomt, daar komt het ijs op te staan. Door met steeds lagere temperaturen weer nog lagere temperaturen te veroorzaken, nader je het absolute nulpunt. Zo heeft vloeibare stikstof, het goedje dat de dokter gebruikt om wratten te bevriezen, een temperatuur van 77 Kelvin (-196 graden Celsius). Dit kan dan gebruikt worden om samengeperst Helium, dat gas waar je een hoge stem van krijgt, te koelen en als je dat dan in een grote ruimte laat ontsnappen, ontstaat vloeibaar Helium met een temperatuur van 4 Kelvin (-269 graden Celsius). Met behulp van lasers kunnen de moleculen nagenoeg worden stilgezet, zodat de temperatuur daalt tot 0,000000001 Kelvin.

Wat heb je eraan?

Ten eerste wordt de nieuwsgierigheid van mensen, in bijzonder de wetenschapper, bevredigd. Het is als bij de ruimtevaart, uiteindelijk worden er allerlei nieuwe technieken ontwikkeld die doorsijpelen naar toepassingen in de 'echte' wereld. In het ondermaanse van de zeer lage temperaturen, de cryogene wereld, worden zeer lage temperaturen onder andere toegepast om gassen op te slaan en te transporteren, om stoffen, zoals medicijnen, in te vriezen zodat ze bijna onbeperkt houdbaar zijn en om metalen supergeleidend te maken, zodat er zeer sterke magneten kunnen worden gemaakt, die bijvoorbeeld in zwevende magneettreinen worden toegepast.

"Door meten tot weten", Kamerlingh Onnes (1882)