Worldlex Wiki Le zéro absolu est la température théoriquement la plus basse , un état auquel l'énergie interne d'un système , et dans le cas idéal son entropie , atteignent leurs valeurs minimales. L' échelle Kelvin est définie de sorte que le zéro absolu soit 0 K, ce qui équivaut à −273,15 °C sur l' échelle Celsius [ et à −459,67 °F sur l' échelle Fahrenheit . Les échelles de température Kelvin et Rankine ont, par définition leur zéro absolu . Cette limite peut être estimée en extrapolant la loi des gaz parfaits à la température à laquelle le volume ou la pression d'un gaz classique s'annule.
Bien que le zéro absolu puisse être approché, il ne peut être atteint. Certains processus isentropiques , comme la détente adiabatique , peuvent abaisser la température d'un système sans recourir à un milieu plus froid. Néanmoins, le troisième principe de la thermodynamique implique qu'aucun processus physique ne peut atteindre le zéro absolu en un nombre fini d'étapes. À mesure qu'un système s'approche de cette limite, toute réduction supplémentaire de température devient de plus en plus difficile, quelle que soit la méthode de refroidissement utilisée. En 2018, des scientifiques de l' Université de Brême ont atteint des températures aussi basses que 38 picokelvins (pK), soit 38 billionièmes de degré au-dessus du zéro absolu. À ces très basses températures, la matière présente des phénomènes quantiques exotiques tels que la supraconductivité , la superfluidité et la condensation de Bose-Einstein . Les particules conservent un mouvement d'énergie de point zéro , conformément au principe d'incertitude de Heisenberg et, pour un système de fermions, au principe d'exclusion de Pauli .
Pour un gaz parfait , la pression à volume constant diminue linéairement avec la température, et le volume à pression constante diminue également linéairement avec la température. Lorsque ces relations sont exprimées en degrés Celsius , la pression et le volume tendent vers zéro à environ −273,15 °C. Ceci implique l'existence d'une limite inférieure de température, au-delà de laquelle le gaz aurait une pression ou un volume négatif – un résultat non physique.
Pour résoudre ce problème, on introduit le concept de température absolue, le zéro absolu étant défini comme le point auquel la pression ou le volume d'un gaz parfait s'annule. Cette température correspond à −273,15 °C et est appelée zéro absolu. La loi des gaz parfaits est donc formulée en termes de température absolue afin de rester cohérente avec le comportement observé des gaz et leurs limites physiques.
Échelles de température absolue
La température absolue est généralement mesurée sur l' échelle Kelvin (avec des incréments en degrés Celsius ) et, plus rarement, sur l' échelle Rankine (avec des incréments en degrés Fahrenheit ). La mesure de la température absolue est déterminée de manière unique par une constante multiplicative qui spécifie la valeur du degré ; ainsi, le rapport de deux températures absolues, T₂ / T₁ , est identique quelle que soit l'échelle .
La température absolue apparaît également naturellement en mécanique statistique . Dans les distributions de Maxwell-Boltzmann , de Fermi-Dirac et de Bose-Einstein , elle figure dans le facteur exponentiel qui détermine la répartition des particules selon les états d'énergie. Plus précisément, le nombre relatif de particules à une énergie E donnée dépend exponentiellement de E/kT , où k est la constante de Boltzmann et T la température absolue.
Il existe plusieurs autres formulations de la troisième loi de la thermodynamique. Le théorème de Nernst stipule que la variation d'entropie de tout processus à température constante tend vers zéro lorsque la température se rapproche du zéro absolu. Il en résulte que le zéro absolu est inatteignable, car l'évacuation de la chaleur devient de moins en moins efficace et les variations d'entropie s'annulent. Ce principe d'inatteignabilité implique qu'aucun processus physique ne peut refroidir un système jusqu'au zéro absolu en un nombre fini d'étapes ou en un temps fini.
propriétés thermiques à basses températures
D'après le modèle de Debye , la chaleur spécifique et l'entropie d'un cristal pur sont proportionnelles à T³ , tandis que l' enthalpie et le potentiel chimique sont proportionnels à T⁴ (Guggenheim, p. 111 ). Ces grandeurs tendent vers leurs valeurs limites à T = 0 et leur pente est nulle . Pour les chaleurs spécifiques, la valeur limite est effectivement nulle, comme le confirment les expériences réalisées en dessous de 10 K. Même le modèle d'Einstein, moins détaillé, met en évidence cette chute surprenante des chaleurs spécifiques. En réalité, toutes les chaleurs spécifiques s'annulent au zéro absolu, et pas seulement celles des cristaux. Il en va de même pour le coefficient de dilatation thermique . Les relations de Maxwell montrent que diverses autres grandeurs s'annulent également. Ces phénomènes étaient inattendus.
Un modèle permettant d'estimer les propriétés d'un gaz d'électrons au zéro absolu dans les métaux est celui du gaz de Fermi . Les électrons, étant des fermions , occupent différents états quantiques , ce qui leur confère des vitesses typiques très élevées , même au zéro absolu. L'énergie maximale que peuvent avoir les électrons au zéro absolu est appelée énergie de Fermi . La température de Fermi est définie comme cette énergie maximale divisée par la constante de Boltzmann et est de l'ordre de 80 000 K pour les densités électroniques typiques rencontrées dans les métaux. À des températures nettement inférieures à la température de Fermi, les électrons se comportent presque de la même manière qu'au zéro absolu. Ceci explique l'échec du théorème d'équipartition classique pour les métaux, qui a échappé aux physiciens classiques à la fin du XIXe siècle.
Énergie libre de Gibbs
Étant donné que la relation entre les variations d' énergie libre de Gibbs ( G ), l'enthalpie ( H ) et l'entropie est
Ainsi, lorsque T diminue, ΔG et ΔH se rapprochent (tant que ΔS est borné). Expérimentalement, on constate que tous les processus spontanés (y compris les réactions chimiques ) entraînent une diminution de G à mesure qu'ils tendent vers l'équilibre . Si ΔS et /ou T sont faibles, la condition ΔG < 0 peut impliquer ΔH < 0 , ce qui indiquerait une réaction exothermique . Cependant, cette condition n'est pas nécessaire ; les réactions endothermiques peuvent se produire spontanément si le terme TΔS est suffisamment grand.
De plus, les pentes des dérivées de ΔG et ΔH convergent et sont égales à zéro à T = 0. Ceci garantit que ΔG et ΔH sont presque identiques sur une plage de températures considérable et justifie le principe empirique approximatif de Thomsen et Berthelot, qui stipule que l'état d'équilibre vers lequel tend un système est celui qui dégage la plus grande quantité de chaleur , c'est-à-dire qu'un processus réel est le plus exothermique (Callen, pp. 186–187).
Énergie du point zéro
Même au zéro absolu, un système quantique conserve une quantité minimale d'énergie en raison du principe d'incertitude de Heisenberg , qui empêche les particules d'avoir simultanément une position et une quantité de mouvement parfaitement définies. Cette énergie résiduelle est appelée énergie du point zéro . Dans le cas de l' oscillateur harmonique quantique , un modèle standard des vibrations des atomes et des molécules, l'incertitude sur la quantité de mouvement d'une particule implique qu'elle conserve une certaine énergie cinétique , tandis que l'incertitude sur sa position contribue à l'énergie potentielle . Par conséquent, un tel système possède une énergie non nulle au zéro absolu.
L'énergie du point zéro permet d'expliquer certains phénomènes physiques. Par exemple, l'hélium liquide ne se solidifie pas à pression normale, même à des températures proches du zéro absolu. L'important mouvement du point zéro des atomes d'hélium, dû à leur faible masse et à la faiblesse des forces interatomiques, les empêche de se stabiliser en une structure solide. Ce n'est que sous haute pression que l'hélium se solidifie, lorsque les atomes sont comprimés et que les forces interatomiques deviennent plus fortes.
Histoire
Robert Boyle fut l'un des premiers à évoquer la possibilité d'une température minimale absolue. Son ouvrage de 1665, « Nouvelles expériences et observations sur le froid » , exposait le débat connu sous le nom de « primum frigidum » . Ce concept était bien connu des naturalistes de l'époque. Certains soutenaient qu'une température minimale absolue existait au sein de la terre (en tant qu'élément parmi les quatre éléments classiques ), d'autres au sein de l'eau, d'autres encore au sein de l'air, et plus récemment au sein du nitre . Mais tous semblaient s'accorder sur le fait qu'« il existe un corps ou un autre qui est par nature extrêmement froid et par lequel tous les autres corps acquièrent cette qualité »
Limiter au «degré de froid»
La question de savoir s'il existe une limite au froid possible, et, le cas échéant, où doit se situer le zéro, a été abordée pour la première fois par le physicien français Guillaume Amontons en 1703, dans le cadre de ses améliorations apportées au thermomètre à air . Son instrument indiquait les températures par la hauteur à laquelle une certaine masse d'air soutenait une colonne de mercure – la pression, ou « ressort », de l'air variant avec la température. Amontons affirmait donc que le zéro de son thermomètre correspondait à la température à laquelle le ressort de l'air était nul. Il utilisa une échelle qui marquait le point d'ébullition de l'eau à +73 °C et le point de fusion de la glace à +51 °C.+1/2 , de sorte que le zéro équivalait à environ −240 sur l'échelle Celsius. Amontons soutenait que le zéro absolu ne pouvait être atteint et n'a donc jamais tenté de le calculer explicitement. ] La valeur de −240°C, soit « 431 divisions [sur l'échelle de Fahrenheit] en dessous du froid de l'eau glaciale » a été publiée par George Martine en 1740.
Cette approximation proche de la valeur moderne de −273,15 °C pour le zéro du thermomètre à air a été encore améliorée en 1779 par Johann Heinrich Lambert , qui a observé que Pierre-Simon Laplace et Antoine Lavoisier , dans leur traité sur la chaleur de 1780, aboutirent à des valeurs comprises entre 1 500 et 3 000 degrés en dessous du point de congélation de l'eau, et estimèrent qu'il devait en tout état de cause être d'au moins 600 degrés en dessous. John Dalton, dans sa Philosophie chimique, présenta dix calculs de cette valeur et adopta finalement −3 000 °C comme zéro naturel de la température.
La loi de Charles
De 1787 à 1802, Jacques Charles (non publié), Dalton [ et Joseph Louis Gay-Lussac ont déterminé qu'à pression constante, les gaz parfaits dilataient ou contractaient leur volume de manière linéaire ( loi de Charles ) d'environ 1/273 parties par degré Celsius de variation de température, entre 0° et 100° C. Cela suggérait que le volume d'un gaz refroidi à environ −273 °C atteindrait zéro.
L'œuvre de Lord Kelvin
Après que James Prescott Joule eut déterminé l'équivalent mécanique de la chaleur, Lord Kelvin aborda la question sous un angle entièrement différent et, en 1848, conçut une échelle de température absolue indépendante des propriétés de toute substance particulière et fondée sur la théorie de Carnot de la force motrice de la chaleur et sur les données publiées par Henri Victor Regnault . Il découlait des principes sur lesquels reposait cette échelle que son zéro était placé à −273 °C, quasiment au même point que le zéro du thermomètre à air, où le volume d'air serait nul. Cette valeur ne fut pas immédiatement acceptée ; des valeurs allant de réfraction astronomique , restèrent en usage au début du XXe siècle.
La thermométrie des gaz de haute précision des années 1930 a permis de préciser davantage cette valeur. En 1937, Masao Kinoshita et Jiro Oishi ont publié des mesures des coefficients de dilatation et de pression de l'azote, de l'hydrogène, de l'hélium et du néon, aboutissant à une température absolue de Grâce à une meilleure compréhension théorique du zéro absolu, les scientifiques étaient impatients d'atteindre cette température en laboratoire. En 1845, Michael Faraday était parvenu à liquéfier la plupart des gaz alors connus et avait établi un nouveau record de température en atteignant l'hydrogène , étaient des gaz permanents et ne pouvaient être liquéfiés. Des décennies plus tard, en 1873, le physicien théoricien néerlandais Johannes Diderik van der Waals démontra que ces gaz pouvaient être liquéfiés, mais seulement dans des conditions de très haute pression et de très basse température. En 1877, Louis Paul Cailletet, en France, et Raoul Pictet, en Suisse, réussirent à produire les premières gouttelettes d' air liquide à Zygmunt Wróblewski et Karol Olszewski . Le chimiste et physicien écossais James Dewar et le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes se lancèrent dans la liquéfaction des gaz restants, l'hydrogène et l'hélium . En 1898, après vingt ans d'efforts, Dewar fut le premier à liquéfier l'hydrogène, atteignant un nouveau record de basse température de cycle de Hampson-Linde . Il abaissa la température jusqu'au point d'ébullition de l'hélium, températures les plus froides atteintes sur Terre à l'époque et son exploit lui a valu le prix Nobel en 1913. Kamerlingh Onnes a continué à étudier les propriétés des matériaux à des températures proches du zéro absolu, décrivant pour la première fois la supraconductivité et les superfluides .
températures négatives
Les températures négatives ne peuvent apparaître que dans les systèmes dont l'énergie maximale est limitée. Dans ces cas, l'ajout d'énergie diminue l'entropie , inversant ainsi la relation habituelle entre énergie et température. Il en résulte une température thermodynamique négative. Cependant, de telles conditions ne se présentent que dans des systèmes spécialisés, quasi-à-l'équilibre, comme des ensembles de spins dans un champ magnétique. En revanche, les systèmes ordinaires présentant un mouvement de translation ou de vibration n'ont pas de limite supérieure d'énergie ; leur température est donc toujours positive.
températures très basses
La température moyenne de l'Univers aujourd'hui est d'environ de fond cosmologique . Les modèles standards de l' expansion future de l'Univers prévoient que sa température moyenne diminue avec le temps. Cette température est calculée comme la densité moyenne d'énergie dans l'espace ; il ne faut pas la confondre avec la température électronique moyenne (énergie totale divisée par le nombre de particules), qui a augmenté au cours du temps.
Le zéro absolu est impossible à atteindre, bien qu'il soit possible d'approcher les températures grâce au refroidissement par évaporation , aux cryorefroidisseurs , aux réfrigérateurs à dilution et à la désaimantation adiabatique nucléaire . Le refroidissement laser a permis d'atteindre des températures inférieures au milliardième de kelvin . À des températures extrêmement basses , proches du zéro absolu, la matière présente de nombreuses propriétés inhabituelles, telles que la supraconductivité , la superfluidité et la condensation de Bose-Einstein . Afin d'étudier ces phénomènes , les scientifiques s'efforcent d'atteindre des températures encore plus basses.
- En novembre 2000, des températures de spin nucléaire inférieures à Université de technologie d'Helsinki à Espoo , en Finlande. Cependant, il s'agissait de la température d'un degré de liberté particulier — une propriété quantique appelée spin nucléaire — et non de la température thermodynamique moyenne globale pour tous les degrés de liberté possibles.
- En février 2003, on a observé que la nébuleuse du Boomerang libérait des gaz à une vitesse de 90377 Sedna a été découvert et est l'un des objets les plus froids connus du système solaire, avec une température de surface moyenne de unités astronomiques .
- En mai 2005, l' Agence spatiale européenne a proposé des recherches dans l'espace pour atteindre des températures de l'ordre du femtokelvin .
- En mai 2006, l'Institut d'optique quantique de l' Université de Hanovre a donné des détails sur les technologies et les avantages de la recherche femtokelvin dans l'espace.
- En janvier 2013, le physicien Ulrich Schneider de l'université Ludwig Maximilian de Munich (LMU), en Allemagne, a annoncé avoir atteint des températures formellement inférieures au zéro absolu (« température négative ») dans un gaz. Le gaz est artificiellement forcé de sortir de son état d'équilibre pour atteindre un état de haute énergie potentielle, qui est cependant froid. Lorsqu'il émet ensuite un rayonnement, il se rapproche de l'équilibre et peut continuer à émettre malgré l'atteinte du zéro absolu ; la température est donc formellement négative.
- En septembre 2014, des scientifiques de la collaboration CUORE aux Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italie ont refroidi un récipient en cuivre d'un volume d'un mètre cube à MIT ont refroidi des molécules dans un gaz de sodium-potassium à une température de 500 nanokelvins, et on s'attend à ce qu'un état exotique de la matière soit observé en refroidissant encore un peu plus ces molécules.
- En 2017, le Cold Atom Laboratory (CAL), un instrument expérimental, a été développé en vue de son lancement vers la Station spatiale internationale (ISS) en 2018. Cet instrument a permis de créer des conditions de froid extrême dans l' environnement de microgravité de l'ISS, induisant la formation de condensats de Bose-Einstein . Dans ce laboratoire spatial, des températures aussi basses que quantiques encore inconnus et de tester certaines des lois fondamentales de la physique .
- Le record mondial actuel de températures effectives a été établi en 2021 à condensats de Bose-Einstein de rubidium .