Z??ro absolu

Le z??ro absolu est le plus bas possible la temp??rature o?? rien ne pourrait ??tre plus froid, et aucune chaleur ??nerg??tique reste dans une substance. Le z??ro absolu est le point ?? laquelle les mol??cules ne bougent pas (par rapport au reste du corps) plus que ce qu'ils sont tenus de par une m??canique quantique appel?? effet ??nergie du point z??ro. Il existe une limite th??orique et ne peut pas ??tre atteint.

Par un accord international, le z??ro absolu est d??fini comme pr??cis??ment 0 K sur le Kelvin ??chelle, ce qui est un (absolu) temp??rature thermodynamique ??chelle et -273,15 ?? C sur le Celsius ??chelle (centigrades). Le z??ro absolu est aussi pr??cis??ment ??quivalent ?? 0 ?? R sur le ??chelle Rankine (aussi une ??chelle de temp??rature thermodynamique), et -459,67 ?? F sur le ??chelle Fahrenheit. Bien qu'il ne est pas possible de refroidir toute substance ?? 0 K, les scientifiques ont fait de grands progr??s dans la r??alisation des temp??ratures proches du z??ro absolu, o?? la mati??re expositions effets quantiques tels que la supraconductivit?? et superfluidit??. En fait, en 2000, le Universit?? de technologie d'Helsinki rapport?? atteindre des temp??ratures de 100 pK (1 ?? 10 ^-10 K).

Histoire

Un des premiers ?? discuter de la possibilit?? d'un "froid absolue" d'une telle ampleur ??tait Robert Boyle qui, dans ses 1665 nouvelles exp??riences et observations touchant froide, a d??clar?? le diff??rend qui est le frigidum primum est tr??s bien connu parmi les naturalistes, certains disputant la terre, d'autres pour l'eau, d'autres pour l'air, et certains des modernes pour nitre, mais tout semblait convenir que:

Limiter au ??degr?? de froid '

La question de savoir si il ya une limite au degr?? de froid possible, et, si oui, o?? le z??ro doit ??tre plac??, a d'abord ??t?? attaqu?? par le physicien fran??ais Guillaume Amontons en 1702, dans le cadre de ses am??liorations dans le thermom??tre de l'air et de ses temp??ratures de l'instrument ont ??t?? indiqu??es par la hauteur ?? laquelle une colonne de mercure a ??t?? soutenue par une certaine masse d'air, le volume ou "printemps" qui bien s??r vari?? avec la chaleur ?? laquelle il a ??t?? expos??. Amontons donc fait valoir que le z??ro de son thermom??tre serait que la temp??rature ?? laquelle le ressort de l'air dans il a ??t?? r??duit ?? n??ant. Sur l'??chelle qu'il a utilis??, le point d'??bullition de l'eau a ??t?? marqu??e au 73 et du point de fusion de la glace ?? 51, de sorte que le z??ro de son ??chelle ??tait ??quivalente ?? environ -240 sur l'??chelle Celsius.

Cette approximation remarquablement proche de la valeur moderne de -273,15 ?? C pour le z??ro du thermom??tre ?? air a ??t?? encore am??lior?? par Johann Heinrich Lambert, qui a donn?? la valeur -270 ?? C et a observ?? que cette temp??rature peut ??tre consid??r??e comme froide absolue.

Les valeurs de cet ordre pour le z??ro absolu ne ont pas ??t??, cependant, universellement accept??es sur cette p??riode. Pierre-Simon Laplace et Antoine Lavoisier , 1780 dans leur trait?? sur la chaleur, sont arriv??s ?? des valeurs allant de 1500 ?? 3000 en dessous du point de cong??lation de l'eau, et pense que dans tous les cas, il doit ??tre au moins 600 ci-dessous. John Dalton dans sa Philosophie chimique donne dix calculs de cette valeur, et finalement adopt?? -3000 ?? C, selon le z??ro naturel de la temp??rature.

Etant donn?? que la temp??rature est la mesure de l'??nergie cin??tique moyenne dans un syst??me, il est possible que certaines mol??cules atteindre un ??tat d'aucune ??nergie cin??tique tandis que d'autres ont une ??nergie cin??tique plus que l'??nergie mesur??e. Depuis la moyenne entre les mesures inf??rieures et sup??rieures nous donner la temp??rature nous lisons, ce est tout ?? fait possible pour certaines mol??cules pour atteindre z??ro Kelvin.

Le travail de Lord Kelvin

Apr??s JP Joule avait d??termin?? l'??quivalent m??canique de la chaleur, Lord Kelvin a abord?? la question d'un point de vue tout ?? fait diff??rent, et en 1848 a con??u une ??chelle de temp??rature absolue qui ??tait ind??pendant des propri??t??s d'une substance particuli??re et a ??t?? fond??e uniquement sur la fondamentale lois de la thermodynamique. Il a suivi des principes sur lesquels cette ??chelle a ??t?? construit que son z??ro a ??t?? plac?? ?? -273,150 ?? C, presque exactement au m??me point que le z??ro du thermom??tre ?? air.

Informations Compl??mentaires

Il peut ??tre d??montr?? par les lois de la thermodynamique que z??ro absolu ne peut jamais ??tre atteint artificiellement, mais il est possible d'atteindre des temp??ratures pr??s d'elle par l'utilisation de cryor??frig??rateurs. Ce est le principe m??me qui assure aucun la machine peut ??tre efficace ?? 100%.

Aux tr??s basses temp??ratures voisines du z??ro absolu, pr??sente de nombreuses propri??t??s inhabituelles mati??re dont la supraconductivit?? , superfluidit?? et Condensation de Bose-Einstein. Afin d'??tudier cette ph??nom??nes, les scientifiques ont travaill?? pour obtenir des temp??ratures toujours plus bas.

• En 1994, des chercheurs de NIST atteint une temp??rature froide puis-record de 700 nK (milliardi??mes de kelvin).
• En Novembre 2000, les temp??ratures de spin nucl??aire inf??rieures ?? 100 pK ont ??t?? signal??s pour une exp??rience ?? la Helsinki University of basse temp??rature Lab Technology. Cependant, ce ??tait la temp??rature d'un degr?? particulier de la libert??-une propri??t?? quantique appel?? spin-pas la temp??rature thermodynamique moyenne globale nucl??aire ?? tous les degr??s de libert?? possibles.
• En F??vrier 2003, le Boomerang N??buleuse se est r??v??l??e ??tre -272,15 ?? C; 1 K, l'endroit le plus froid connu en dehors d'un laboratoire. Le n??buleuse est 5000 ann??es-lumi??re de la Terre et est dans la constellation Centaurus.

Thermodynamique pr??s du z??ro absolu

?? des temp??ratures proches de 0 K, mouvement presque tous mol??culaire cesse et S = 0 pour tout processus adiabatique. Les substances pures peuvent (id??alement) forme parfaite cristaux que T 0. Max Planck forme forte de l 'de la troisi??me loi de la thermodynamique affirme l' entropie d'un cristal parfait dispara??t au z??ro absolu. Toutefois, cela peut ne pas ??tre vrai si l'??tat de plus basse ??nergie est d??g??n??r??, ou plus d'un microscopique. L'original Nernst th??or??me de chaleur rend la demande plus faible et moins controvers??e que le changement d'entropie pour tout processus isotherme proche de z??ro que T 0

L'implication est que l'entropie d'un cristal parfait approche simplement une valeur constante.

Le postulat de Nernst identifie le isotherme T = 0 comme co??ncidant avec le adiabatique S = 0, bien que d'autres isothermes et adiabatiques sont distincts. En l'absence de deux adiabatiques croisent, aucun autre adiabatique peut couper le T = 0 isotherme. Par cons??quent aucun processus adiabatique initi??e ?? la temp??rature de z??ro peut conduire ?? temp??rature nulle. (≈ Callen, pp. 189-190)

Une affirmation encore plus fort, ce est qu'il est impossible par une proc??dure pour r??duire la temp??rature d'un syst??me ?? z??ro dans un nombre fini d'op??rations. (≈ Guggenheim, p. 157)

Un cristal parfait est celui dans lequel l'int??rieur la structure en treillis se ??tend sans interruption dans toutes les directions. L'ordre parfait peut ??tre repr??sent?? par translation sym??trie le long de trois (g??n??ralement pas orthogonale) axes . Chaque ??l??ment de la structure en treillis est ?? sa place, que ce soit un atome ou un groupement mol??culaire. Pour des substances ayant deux (ou plusieurs) des formes cristallines stables, tels que le diamant et graphite de carbone , il est une sorte de "d??g??n??rescence chimique". La question reste ?? savoir si les deux peuvent avoir entropie nulle ?? T = 0, m??me si chacun est parfaitement ordonn??.

Cristaux parfaits ne se produisent jamais dans la pratique; imperfections, et les mat??riaux amorphes m??me ensemble, tout simplement se "fig??s dans" ?? basse temp??rature, de sorte que les transitions ?? plus ??tats stables ne se produisent pas.

En utilisant le Mod??le Debye, le la chaleur et l'entropie d'un cristal pur sp??cifiques sont proportionnelles ?? T ^3, tandis que l' enthalpie et potentiel chimique sont proportionnelles ?? T ^4. (Guggenheim, p. 111) Ces quantit??s tomber vers leurs T = 0 les valeurs et l'approche de limitation avec z??ro pentes. Pour les chaleurs sp??cifiques au moins, la valeur limite se est certainement z??ro, comme en t??moignent les exp??riences en dessous de 10 K. M??me le moins d??taill?? Einstein mod??le montre cette baisse curieux chaleurs sp??cifiques. En fait, tous les chaleurs sp??cifiques disparaissent au z??ro absolu, et pas seulement celles des cristaux. De m??me pour le coefficient de dilatation thermique. Les relations de Maxwell montrent que divers autres quantit??s disparaissent ??galement. Ces ph??nom??nes ??taient impr??vue.

Depuis la relation entre les changements dans la ??nergie de Gibbs , l'enthalpie et l'entropie est

Ainsi, comme le T diminue, Δ Δ G et H se rapprochent les uns des autres (dans la mesure o?? Δ S est d??limit??e). Exp??rimentalement, on constate que tous les processus spontan??s (y compris les r??actions chimiques ) se traduisent par une diminution de G ?? mesure qu'ils avancent vers EQuilbrium. Si Δ S et / ou T sont de petite taille, la condition Δ G <0 peut impliquer que Δ H <0, ce qui indiquerait une r??action exothermique qui d??gage de la chaleur. Toutefois, cela ne est pas n??cessaire; r??actions endothermiques peuvent proc??der spontan??ment si le terme T Δ S est assez grand.

Plus que cela, les pentes des d??riv??s de temp??rature Δ G et Δ H convergent et sont ??gaux ?? z??ro ?? T = 0, ce qui garantit que Δ G et Δ H sont presque les m??mes sur une gamme consid??rable de temp??ratures, justifiant la approximative empiriques Principe de Thomsen et Berthelot, qui dit que l'??tat d'??quilibre ?? laquelle un syst??me passe est celui qui ??volue le plus grand quantit?? de chaleur, ce est ?? dire, un processus r??el est la plus exothermique. (Callen, pp. 186-187)

Relation avec Bose Einstein condensats

Un Condensat de Bose-Einstein est une substance qui se comporte tr??s inhabituellement mais seulement ?? des temp??ratures extr??mement basses, peut-??tre quelques milliardi??mes dessus du z??ro absolu. Ce est ?? ce point, le lois de la thermodynamique deviennent tr??s importantes.

??chelles de temp??rature absolue

Absolue ou temp??rature thermodynamique est traditionnellement mesur?? kelvins ( Celsius -scaled incr??ments), et plus rarement dans le ??chelle Rankine ( Incr??ments Fahrenheit-??chelle). Temp??rature absolue est d??termin??e de fa??on unique ?? une constante multiplicatif qui sp??cifie la taille du ??degr????, de sorte que les rapports de deux temp??ratures absolues, T ₂ / T _1, sont les m??mes dans toutes les ??chelles. La d??finition la plus transparente vient du classique Distribution sur les ??nergies, ou des analogues quantiques Maxwell-Boltzmann: Statistique de Fermi-Dirac (particules de demi-entier spin) et La statistique de Bose-Einstein (particules de spin entier), qui tous donnent les nombres relatifs de particules (diminution) des fonctions exponentielles d'??nergie plus kT. Sur un niveau macroscopique, une d??finition peut ??tre donn??e en termes de l'efficacit?? de ??r??versible?? moteurs thermiques fonctionnant entre r??servoirs thermiques chaudes et froides.

Les temp??ratures n??gatives

Certains syst??mes semi-isol??, comme un syst??me de non-interacting spins dans un champ magn??tique, peut atteindre des temp??ratures n??gatives; cependant, ils ne sont pas en fait plus froid que z??ro absolu. Ils peuvent cependant ??tre consid??r??s comme "plus chaud que T = ∞", que l'??nergie se ??coule d'un syst??me de temp??rature n??gatif ?? tout autre syst??me avec temp??rature positive lors d'un contact.