Zéro absolu - Absolute zero

Le zéro kelvin (-273,15 °C) est défini comme le zéro absolu.

Le zéro absolu est la limite la plus basse de l' échelle de température thermodynamique , un état auquel l' enthalpie et l' entropie d'un gaz parfait refroidi atteignent leur valeur minimale, considérée comme zéro kelvin . Les particules fondamentales de la nature ont un mouvement vibratoire minimal, ne conservant que le mouvement des particules induit par l' énergie du point zéro mécanique quantique . La température théorique est déterminée par extrapolation de la loi des gaz parfaits ; par accord international, le zéro absolu est pris comme -273,15 degrés sur l' échelle Celsius ( International System of Units ), ce qui équivaut à -459,67 degrés sur l' échelle Fahrenheitéchelle ( unités coutumières des États-Unis ou unités impériales ). Les échelles de température Kelvin et Rankine correspondantes fixent leur point zéro au zéro absolu par définition.

Il est communément considéré comme la température la plus basse possible, mais ce n'est pas l' état d' enthalpie le plus bas possible, car toutes les substances réelles commencent à s'écarter du gaz parfait lorsqu'elles sont refroidies à l'approche du changement d'état en liquide, puis en solide; et la somme de l' enthalpie de vaporisation (gaz vers liquide) et de l' enthalpie de fusion (liquide vers solide) dépasse le changement d'enthalpie du gaz idéal au zéro absolu. Dans la description de la mécanique quantique , la matière (solide) au zéro absolu est dans son état fondamental , le point d' énergie interne la plus basse .

Les lois de la thermodynamique indiquent que le zéro absolu ne peut pas être atteint en utilisant uniquement des moyens thermodynamiques, car la température de la substance refroidie s'approche asymptotiquement de la température de l'agent de refroidissement , et un système au zéro absolu possède toujours une énergie de point zéro mécanique quantique , l'énergie de son état fondamental au zéro absolu. L' énergie cinétique de l'état fondamental ne peut pas être supprimée.

Les scientifiques et les technologues atteignent régulièrement des températures proches du zéro absolu, où la matière présente des effets quantiques tels que le condensat de Bose-Einstein , la supraconductivité et la superfluidité .

Thermodynamique proche du zéro absolu

À des températures proches de 0 K (-273,15 °C; -459,67 °F), presque tout mouvement moléculaire cesse et Δ S  = 0 pour tout processus adiabatique , où S est l' entropie . Dans une telle circonstance, les substances pures peuvent (idéalement) former des cristaux parfaits comme T → 0. La forme forte de Max Planck de la troisième loi de la thermodynamique indique que l' entropie d'un cristal parfait disparaît au zéro absolu. Le théorème de la chaleur de Nernst original fait l'affirmation la plus faible et la moins controversée selon laquelle le changement d'entropie pour tout processus isotherme approche de zéro lorsque T → 0 :

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

Le postulat de Nernst identifie l' isotherme T = 0 comme coïncidant avec l' adiabate S = 0, bien que d'autres isothermes et adiabatiques soient distincts. Comme il n'y a pas deux adiabatiques qui se croisent, aucune autre adiabatique ne peut croiser l'isotherme T = 0. Par conséquent, aucun processus adiabatique initié à température non nulle ne peut conduire à une température nulle. (≈ Callen, p. 189–190)

Un cristal parfait est un cristal dans lequel la structure interne du réseau s'étend sans interruption dans toutes les directions. L'ordre parfait peut être représenté par une symétrie de translation le long de trois axes (pas généralement orthogonaux ) . Chaque élément du réseau de la structure est à sa place, qu'il s'agisse d'un seul atome ou d'un groupement moléculaire. Pour les substances qui existent sous deux (ou plus) formes cristallines stables, comme le diamant et le graphite pour le carbone , il existe une sorte de dégénérescence chimique . La question reste de savoir si les deux peuvent avoir une entropie nulle à T  = 0 même si chacun est parfaitement ordonné.

Les cristaux parfaits ne se produisent jamais dans la pratique ; les imperfections, et même des inclusions entières de matériau amorphe, peuvent et deviennent "gelées" à basse température, de sorte que les transitions vers des états plus stables ne se produisent pas.

En utilisant le modèle de Debye , la chaleur spécifique et l' entropie d' un cristal pur sont proportionnelles à T  3 , tandis que l' enthalpie et le potentiel chimique sont proportionnels à T  4 . (Guggenheim, p. 111) Ces quantités chutent vers leurs  valeurs limites T = 0 et s'approchent avec des pentes nulles . Pour les chaleurs spécifiques au moins, la valeur limite elle-même est définitivement nulle, comme le confirment des expériences en dessous de 10 K. Même le modèle d'Einstein moins détaillé montre cette curieuse baisse des chaleurs spécifiques. En fait, toutes les chaleurs spécifiques disparaissent au zéro absolu, pas seulement celles des cristaux. De même pour le coefficient de dilatation thermique . Les relations de Maxwell montrent que diverses autres quantités disparaissent également. Ces phénomènes étaient imprévus.

Puisque la relation entre les changements dans l'énergie libre de Gibbs ( G ), l'enthalpie ( H ) et l'entropie est

ainsi, lorsque T diminue, Δ G et Δ H se rapprochent (tant que Δ S est borné). Expérimentalement, on constate que tous les processus spontanés (y compris les réactions chimiques ) entraînent une diminution de G à mesure qu'ils progressent vers l' équilibre . Si S et/ou T sont petits, la condition G  < 0 peut impliquer que H  < 0, ce qui indiquerait une réaction exothermique . Cependant, ce n'est pas requis; endothermique réactions peuvent procéder spontanément si le T Δ S terme est assez grand.

De plus, les pentes des dérivées de G et H convergent et sont égales à zéro à T  = 0. Cela garantit que Δ G et H sont à peu près les mêmes sur une gamme considérable de températures et justifie le principe empirique approximatif de Thomsen et Berthelot, qui affirme que l'état d'équilibre auquel un système procède est celui qui dégage la plus grande quantité de chaleur , c'est-à-dire qu'un processus réel est le plus exothermique . (Callen, p. 186-187)

Un modèle qui estime les propriétés d'un gaz d' électrons au zéro absolu dans les métaux est le gaz de Fermi . Les électrons, étant des Fermions , doivent être dans des états quantiques différents, ce qui conduit les électrons à obtenir des vitesses typiques très élevées , même au zéro absolu. L'énergie maximale que les électrons peuvent avoir 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 d'électrons typiques trouvées dans les métaux. Pour 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 19ème siècle.

Relation avec le condensat de Bose-Einstein

Données de distribution de vitesse d'un gaz d' atomes de rubidium à une température de quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. A gauche : juste avant l'apparition d'un condensat Bose-Einstein. Au centre : juste après l'apparition du condensat. A droite : après une nouvelle évaporation, laissant un échantillon de condensat presque pur.

Un condensat de Bose-Einstein (BEC) est un état de la matière d'un gaz dilué de bosons à interaction faible confiné dans un potentiel externe et refroidi à des températures très proches du zéro absolu. Dans de telles conditions, une grande partie des bosons occupent l' état quantique le plus bas du potentiel externe, auquel point les effets quantiques deviennent apparents à une échelle macroscopique .

Cet état de la matière a été prédit pour la première fois par Satyendra Nath Bose et Albert Einstein en 1924-1925. Bose a d'abord envoyé un article à Einstein sur les statistiques quantiques des quanta de lumière (maintenant appelés photons ). Einstein a été impressionné, a traduit l'article de l'anglais vers l'allemand et l'a soumis pour Bose au Zeitschrift für Physik , qui l'a publié. Einstein a ensuite étendu les idées de Bose aux particules matérielles (ou matière) dans deux autres articles.

Soixante-dix ans plus tard, en 1995, le premier condensat gazeux a été produit par Eric Cornell et Carl Wieman à l' Université du Colorado à Boulder NIST - laboratoire JILA , en utilisant un gaz d' atomes de rubidium refroidi à 170  nanokelvins (nK) (1,7 × 10 −7  K ).

Une température froide record de 450 ± 80 picokelvins (pK) (4,5 × 10 −10  K ) dans un BEC d'atomes de sodium a été obtenu en 2003 par des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT). La longueur d'onde associée du corps noir (émissivité maximale) de 6 400 kilomètres correspond à peu près au rayon de la Terre.

Échelles de température absolue

La température absolue, ou thermodynamique , est classiquement mesurée en kelvins ( incréments à l' échelle Celsius ) et à l' échelle de Rankine ( incréments à l' échelle Fahrenheit ) avec une rareté croissante. La mesure de la température absolue est déterminée de manière unique par une constante multiplicative qui spécifie la taille du degré , de sorte que les rapports de deux températures absolues, T 2 / T 1 , sont les mêmes dans toutes les échelles. La définition la plus transparente de cette norme vient de la distribution de Maxwell-Boltzmann . Il peut également être trouvé dans les statistiques de Fermi-Dirac (pour les particules de spin demi-entier ) et les statistiques de Bose-Einstein (pour les particules de spin entier). Tous définissent les nombres relatifs de particules dans un système comme des fonctions exponentielles décroissantes de l'énergie (au niveau des particules) sur kT , avec k représentant la constante de Boltzmann et T représentant la température observée au niveau macroscopique .

Températures négatives

Les températures exprimées sous forme de nombres négatifs sur les échelles familières Celsius ou Fahrenheit sont simplement plus froides que les points zéro de ces échelles. Certains systèmes peuvent atteindre des températures vraiment négatives ; c'est-à-dire que leur température thermodynamique (exprimée en kelvins) peut être une quantité négative . Un système avec une température vraiment négative n'est pas plus froid que le zéro absolu. Au contraire, un système avec une température négative est plus chaud que n'importe quel système avec une température positive, en ce sens que si un système à température négative et un système à température positive entrent en contact, la chaleur circule du négatif vers le système à température positive.

La plupart des systèmes familiers ne peuvent pas atteindre des températures négatives car l'ajout d'énergie augmente toujours leur entropie . Cependant, certains systèmes ont une quantité maximale d'énergie qu'ils peuvent contenir, et à mesure qu'ils approchent de cette énergie maximale, leur entropie commence en fait à diminuer. Parce que la température est définie par la relation entre l'énergie et l'entropie, la température d'un tel système devient négative, même si de l'énergie est ajoutée. En conséquence, le facteur de Boltzmann pour les états des systèmes à température négative augmente plutôt que diminue avec l'augmentation de l'énergie de l'état. Par conséquent, aucun système complet, c'est-à-dire incluant les modes électromagnétiques, ne peut avoir des températures négatives, puisqu'il n'y a pas d'état d'énergie le plus élevé, de sorte que la somme des probabilités des états divergerait pour des températures négatives. Cependant, pour les systèmes de quasi-équilibre (par exemple les spins hors d'équilibre avec le champ électromagnétique), cet argument ne s'applique pas et des températures effectives négatives sont réalisables.

Le 3 janvier 2013, des physiciens ont annoncé avoir créé pour la première fois un gaz quantique composé d'atomes de potassium à température négative en degrés de liberté en mouvement.

Histoire

Robert Boyle a lancé l'idée d'un zéro absolu

L'un des premiers à discuter de la possibilité d'une température minimale absolue était Robert Boyle . Ses 1665 Nouvelles expériences et observations touchant le froid , articulaient le différend connu sous le nom de primum frigidum . Le concept était bien connu des naturalistes de l'époque. Certains ont soutenu qu'une température minimale absolue se produisait dans la terre (comme l'un des quatre éléments classiques ), d'autres dans l'eau, d'autres dans l'air et certains plus récemment dans le nitre . Mais tous semblaient convenir qu'« il y a un corps ou un autre qui est de sa propre nature suprêmement froid et par la participation duquel tous les autres corps obtiennent cette qualité.

Limiter au "degré de froid"

La question de savoir s'il existe une limite au degré de froid possible et, dans l'affirmative, où le zéro doit être placé, a été abordée pour la première fois par le physicien français Guillaume Amontons en 1702, dans le cadre de ses améliorations du thermomètre à air . Son instrument indiquait les températures par la hauteur à laquelle une certaine masse d'air soutenait une colonne de mercure - le volume, ou "source" de l'air variant avec la température. Amontons a donc soutenu que le zéro de son thermomètre serait cette température à laquelle le ressort de l'air a été réduit à rien. Il a utilisé une échelle qui marquait le point d'ébullition de l'eau à +73 et le point de fusion de la glace à +51+12 , de sorte que le zéro était équivalent à environ -240 sur l'échelle Celsius. Amontons a soutenu que le zéro absolu ne peut pas être atteint, donc n'a jamais tenté de le calculer explicitement. La valeur de −240 °C, ou « 431 divisions [dans le thermomètre de Fahrenheit] sous le froid de l'eau glacée » 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 -270 °C (-454,00 °F; 3,15 K) pourrait être considéré comme froid absolu.

Des valeurs de cet ordre pour le zéro absolu n'étaient cependant pas universellement acceptées à propos de cette période. Pierre-Simon Laplace et Antoine Lavoisier , dans leur traité de 1780 sur la chaleur, sont arrivés à des valeurs allant de 1 500 à 3 000 au-dessous du point de congélation de l'eau, et pensaient qu'en tout cas il devait être au moins 600 au-dessous. John Dalton dans sa philosophie chimique a donné dix calculs de cette valeur et a finalement adopté -3 000 °C comme zéro naturel de la température.

Le travail de Lord Kelvin

Après que James Prescott Joule eut déterminé l'équivalent mécanique de la chaleur, Lord Kelvin aborda la question d'un point de vue entièrement différent, et en 1848 conçut une échelle de température absolue qui était indépendante des propriétés d'une substance particulière et était basée sur Carnot ' s théorie de la puissance motrice de la chaleur et données publiées par Henri Victor Regnault . Il découlait des principes sur lesquels cette échelle a été construite que son zéro a été placé à -273 °C, presque exactement au même point que le zéro du thermomètre à air. Cette valeur n'a pas été immédiatement acceptée ; des valeurs allant de -271,1 °C (-455,98 °F) à -274,5 °C (-462,10 °F), dérivées de mesures de laboratoire et d'observations de la réfraction astronomique , sont restées en usage au début du 20e siècle.

La course au zéro absolu

Plaque commémorative à Leyde

Avec une meilleure compréhension théorique du zéro absolu, les scientifiques étaient impatients d'atteindre cette température en laboratoire. En 1845, Michael Faraday avait réussi à liquéfier la plupart des gaz alors connus et a atteint un nouveau record pour les températures les plus basses en atteignant -130 °C (-202 °F; 143 K). Faraday croyait que certains gaz, tels que l'oxygène, l'azote et l' hydrogène , étaient des gaz permanents et ne pouvaient pas être liquéfiés. Des décennies plus tard, en 1873, le théoricien néerlandais Johannes Diderik van der Waals démontra que ces gaz pouvaient être liquéfiés, mais uniquement dans des conditions de très haute pression et de très basse température. En 1877, Louis Paul Cailletet en France et Raoul Pictet en Suisse ont réussi à produire les premières gouttelettes d' air liquide −195 °C (−319.0 °F; 78,1 K). Cela a été suivi en 1883 par la production d'oxygène liquide -218 °C (-360,4 °F; 55,1 K) par les professeurs polonais Zygmunt Wróblewski et Karol Olszewski .

Le chimiste et physicien écossais James Dewar et le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes ont relevé le défi de liquéfier les gaz restants, l'hydrogène et l' hélium . En 1898, après 20 ans d'efforts, Dewar fut le premier à liquéfier l'hydrogène, atteignant un nouveau record à basse température de -252 °C (-421,6 °F; 21,1 K). Cependant, Kamerlingh Onnes, son rival, fut le premier à liquéfier l'hélium, en 1908, en utilisant plusieurs étages de prérefroidissement et le cycle Hampson-Linde . Il a abaissé la température jusqu'au point d'ébullition de l'hélium -269 °C (-452,20 °F; 4,15 K). En réduisant la pression de l'hélium liquide, il atteignit une température encore plus basse, proche de 1,5 K. Ce sont les températures les plus froides atteintes sur Terre à l'époque et son exploit lui vaut le prix Nobel en 1913. Kamerlingh Onnes continuera à étudier les propriétés de matériaux à des températures proches du zéro absolu, décrivant pour la première fois la supraconductivité et les superfluides .

Températures très basses

L'expansion rapide des gaz quittant la nébuleuse du Boomerang , une nébuleuse bipolaire, filamenteuse, probablement proto-planétaire du Centaure, a une température de 1 K, la plus basse observée en dehors d'un laboratoire.

La température moyenne de l'univers aujourd'hui est d'environ 2,73 kelvins (-270,42 °C ; -454,76 °F), sur la base des mesures du rayonnement de fond cosmique micro-ondes .

Le zéro absolu ne peut pas être atteint, bien qu'il soit possible d'atteindre des températures proches grâce à l'utilisation de cryoréfrigérateurs , de réfrigérateurs à dilution et de démagnétisation adiabatique nucléaire . L'utilisation du refroidissement par laser a produit des températures inférieures à un milliardième de kelvin. À des températures très basses au voisinage du zéro absolu, la matière présente de nombreuses propriétés inhabituelles, notamment la supraconductivité , la superfluidité et la condensation de Bose-Einstein . Pour étudier de tels phénomènes , les scientifiques ont travaillé pour obtenir des températures encore plus basses.

  • En novembre 2000, des températures de spin nucléaire inférieures à 100 pK ont été signalées pour une expérience au laboratoire à basse température de l'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, il a été observé que la nébuleuse du Boomerang avait libéré des gaz à une vitesse de 500 000 km/h (310 000 mph) au cours des 1 500 dernières années. Cela l'a refroidie à environ 1 K, comme déduit par l'observation astronomique, qui est la température naturelle la plus basse jamais enregistrée.
  • En mai 2005, l' Agence spatiale européenne a proposé des recherches dans l'espace pour atteindre des températures 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 de Munich en Allemagne a rapporté avoir atteint des températures formellement inférieures au zéro absolu (« température négative ») dans les gaz. Le gaz est artificiellement forcé hors de l'équilibre dans un état d'énergie potentielle élevée, qui est cependant froid. Lorsqu'il émet alors un rayonnement, il approche de l'équilibre et peut continuer à émettre malgré l'atteinte du zéro absolu formel ; ainsi, la température est 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 0,006 kelvins (-273,144 °C ; -459,659 °F) pendant 15 jours, établissant un record pour la température la plus basse de l'univers connu sur un si grand volume contigu.
  • En juin 2015, des physiciens expérimentaux du MIT ont refroidi des molécules dans un gaz de sodium et de potassium à une température de 500 nanokelvins, et il devrait présenter un état exotique de la matière en refroidissant un peu plus ces molécules.
  • En 2017, Cold Atom Laboratory (CAL), un instrument expérimental a été développé pour être lancé vers la Station spatiale internationale (ISS) en 2018. L'instrument a créé des conditions extrêmement froides dans l' environnement de microgravité de l'ISS conduisant à la formation de Bose-Einstein. condensats . Dans ce laboratoire spatial, des températures aussi basses que 1 picokelvin ( K) devraient être atteintes, et cela pourrait approfondir l'exploration de phénomènes de mécanique quantique inconnus et tester certaines des lois les plus fondamentales de la physique .
  • Le record mondial actuel des températures effectives a été établi en 2021 à 38 picokelvins (pK), ou 0,000000000038 d'un kelvin, grâce à la lentille à ondes de matière des condensats de rubidium Bose-Einstein .

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes