Zero absolut

Zero kelvin (−273.15 °C) es definix com el zero absolut.

El zero absolut és la temperatura més baixa possible. A esta temperatura el nivell d'energia interna del sistema és el més baix possible, per lo que les molècules, segons la mecànica clàssica, carixen de moviment; no obstant, segons la mecànica quàntica, el zero absolut deu tindre una energia residual, cridada energia de punt zero, per a poder aixina complir el principi de indeterminación de Heisenberg. El zero absolut servix de punt de partida tant per a l'escala de Kelvin com per a l'escala de Rankine. Aixina, 0 K (o lo que és lo mateix, 0 R) corresponen, per definició segons acort internacional, a la temperatura de −273.15 °C o −459.67 °F.

Segons el tercer principi de la termodinàmica, el zero absolut és un llímit inalcançable. En setembre de 2014, els científics de la colaboració CUORE en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Itàlia varen gelar un recipient de coure en un volum d'un metro cúbic a 0.006 K (−273.144 °C) durant 15 dies, establint un récort per a la temperatura més baixa registrada en l'univers conegut sobre un volum contigu tan gran. La dificultat per a aplegar a una temperatura tan baixa en una cambra de refredat és el fet de que les molècules de la cambra, en aplegar a eixa temperatura, no tenen energia suficient per a fer que esta descendixca encara més.

l'entropía d'un cristal ideal pur i perfecte seria zero. Si els àtoms que ho componen no formen un cristal perfecte, la seua entropía deu ser major que zero, per lo que la temperatura sempre serà superior al zero absolut i el cristal sempre tindrà imperfeccions induïdes pel moviment dels seus àtoms, necessitant un moviment que ho compense i, per lo tant, tenint sempre una imperfecció residual.

cal mencionar que a 0 K absolutament totes les substàncies conegudes es solidificarían i que segons l'actual model de la calor, les molècules perdrien tota capacitat de moure's, vibrar o rotar.

Gràfics de pressió en funció de la temperatura per a tres mostres de gas diferents en el mateix volum extrapolado al zero absolut

Fins ara la temperatura més propenca al zero absolut ha segut obtinguda en laboratori per científics del Institut Tecnològic de Massachusetts en juny del 2015. Es va obtindre gelant un gas en un camp magnètic fins a 500 nK (5 × 10⁻⁷ K) per damunt del zero absolut.

Fenomens prop del zero absolut

Condensado de Bose-Einstein en un àtom de rubidi. El color roig indica una velocitat elevada, i el blanc-blavenc una baixa velocitat. L'image de la dreta és la mostra més freda de les tres.

En aproximar-se al zero absolut es poden produir en alguns materials certs fenomens, com el condensado de Bose-Einstein, o alguns superfluits com el heli II.

En 1924, Albert Einstein i el físic indi Satyendranath Bose varen predir l'existència d'un fenomen denominat condensado de Bose-Einstein. En dit estat, els bosones s'agrupen en el mateix estat quàntic d'energia. Este fenomen es va confirmar en 1995, i des de llavors s'han investigat moltes de les seues propietats.

A temperatures molt pròximes al zero absolut es poden formar superfluits, o inclús fràgils molècules que no existixen a majors temperatures per al seu estudi, entre atres fenomens.

En l'actualitat es pot trobar una aplicació pràctica en l'accelerador de partícules LHC del CERN. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) alcança una temperatura d'1.9 K. Els experiments que es portaran a terme en este accelerador de partícules requerixen la criogenización de certs circuits per a conseguir superconductores. Açò és possible gràcies a la combinació de compressors d'heli alimentats en nitrogen líquit, el qual entra als circuits aproximadament a 80 K (−193.15 °C) per a anar baixant de temperatura en el seu transcurs pel circuit dels tres compressors. La temperatura més baixa alcançada en el LHC és d'1.8 K.

Temperatures negatives

Artícul principal → Temperatura negativa.

Les temperatures que s'expressen com a números negatius en les conegudes escales Celsius o Fahrenheit són simplement més fredes que els punts zero de dites escales. Certs sistemes poden alcançar temperatures verdaderament negatives; és dir, el seu Temperatura termodinàmica (expressada en kelvins) pot ser d'una cantitat negativa. Un sistema en una temperatura realment negativa no és més fret que el zero absolut. Més be, un sistema en una temperatura negativa és més calenta que qualsevol sistema en una temperatura positiva, en el sentit de que si un sistema de temperatura negativa i un sistema de temperatura positiva entren en contacte, la calor fluïx del sistema negatiu al sistema de temperatura positiva.

La majoria dels sistemes coneguts no poden alcançar temperatures negatives perque l'adició d'energia sempre aumenta la seua entropía. No obstant, alguns sistemes tenen una cantitat màxima d'energia que poden mantindre, i a mida que s'acosten a eixa energia màxima la seua entropía comença a disminuir. Degut a que la temperatura es definix per la relació entre l'energia i la entropía, la temperatura d'un sistema d'este tipo es torna negativa, a pesar de que s'està afegint energia. Com a resultat, el factor de Boltzmann per als estats dels sistemes a temperatura negativa aumenta en lloc de disminuir en l'aument de l'energia de l'estat. Per lo tant, cap sistema complet, és dir, incloent els modos electromagnètics, pot tindre temperatures negatives, ya que no existix l'estat de major energia,^{cita requerida} de modo que la suma de les provabilitats dels estats divergiria per a temperatures negatives. No obstant, per a sistemes de cuasi-equilibri (per eixemple, espin fòra d'equilibri en el camp electromagnètic) este argument no s'aplica, i les temperatures efectives negatives són alcanzables.

El 3 de giner de 2013, els físics varen anunciar que per primera volta havien creat un gas quàntic format per àtoms de potassi en una temperatura negativa en graus de llibertat de moviment.