Почему абсолютный ноль соответствует -273,15°с?

1.

Что такое температура?
Прежде чем затронуть более глубокий вопрос, стоит разобраться в таком простом понятии, как температура. Что это такое? Под температурой тела подразумевают степень его нагретости.

Согласно термодинамике, данная степень находится в тесной взаимосвязи со скоростью движения молекул тела. В зависимости от его состояния, молекулы либо хаотически движутся (газообразное, жидкое), либо упорядочены и заключены в решетки, но при этом колеблются (твердое). Хаотичное движение молекул еще называют броуновским движением.

Таким образом, нагрев тела лишь увеличивает его энтропию, то есть хаотичность и интенсивность движения частиц. Если твердому телу передать тепловую энергию, его молекулы из более упорядоченного состояния начнут переходить в состояние хаотичное. Материя станет плавиться и превратится в жидкость.

Молекулы данной жидкости будут разгоняться все быстрее, и после точки кипения состояние тела начнет переходить в газообразное. А что если провести обратный опыт? Молекулы охлаждаемого газа станут замедляться, в результате чего он начнет процесс конденсации.

Газ превратиться в жидкость, которая затем затвердеет и перейдет в состояние твердого тела. Его молекулы упорядочены, и каждая находится в узле кристаллической решетки, но при этом все же колеблется. Охлаждение твердого тела приведет к тому, что это колебание будет становиться все менее заметным.

А можно ли охладить тело настолько, чтобы молекулы и вовсе замерли на месте? Этот вопрос будет рассмотрен позже. А пока стоит остановиться еще раз на том, что такое понятие, как температура, независимо от способа ее измерения (шкала Цельсия, Фаренгейта или Кельвина) – это все лишь удобная физическая величина, помогающая передать информацию о кинетической энергии молекул того или иного тела.

Почему -273,15°С?
Существует несколько систем измерения температуры – это градусы по Цельсию и Фаренгейту, и Кельвины. Упоминая абсолютный нуль, физики имеют в виду именно последнюю шкалу, которая, по сути, является абсолютной. Потому что начальной точкой шкалы Кельвина является абсолютный нуль.

При этом в ней отсутствуют отрицательные значения. В физике при измерении температур используются Кельвины. По Фаренгейту это значение соответствует -459,67°F.

Отрицательные температуры

Температуры, которые выражаются отрицательными числами на знакомых шкалах Цельсия или Фаренгейта, просто холоднее, чем нулевые точки этих шкал. Определенный системы можно добиться действительно отрицательных температур; то есть их термодинамическая температура (выражается в кельвинах) может иметь отрицательный количество. Система с действительно отрицательной температурой не холоднее абсолютного нуля. Скорее система с отрицательной температурой горячее, чем любой Система с положительной температурой в том смысле, что если система с отрицательной температурой и система с положительной температурой вступают в контакт, тепло перетекает от системы с отрицательной температурой к системе с положительной температурой.

Большинство знакомых систем не могут достичь отрицательных температур, потому что добавление энергии всегда увеличивает их энтропия. Однако у некоторых систем есть максимальное количество энергии, которое они могут удерживать, и по мере приближения к этому максимуму их энтропия фактически начинает уменьшаться. Поскольку температура определяется соотношением между энергией и энтропией, температура такой системы становится отрицательной, даже если энергия добавляется. В результате фактор Больцмана для состояний системы при отрицательной температуре увеличивается, а не уменьшается с увеличением энергии состояния. Следовательно, никакая полная система, то есть включая электромагнитные моды, не может иметь отрицательные температуры, поскольку нет состояния с наивысшей энергией,[нужна цитата] так что сумма вероятностей состояний расходится при отрицательных температурах. Однако для квазиравновесных систем (например, спинов, выходящих из равновесия с электромагнитным полем) этот аргумент неприменим, и отрицательные эффективные температуры достижимы.

3 января 2013 года физики объявили, что они впервые создали квантовый газ, состоящий из атомов калия с отрицательной температурой в двигательных степенях свободы.

Когда останавливаются молекулы и атомы?

В классическом рассмотрении вопроса при абсолютном нуле останавливается все, но именно в этот момент из-за угла выглядывает страшная морда квантовой механики. Одним из предсказаний квантовой механики, которое попортило кровь немалому количеству физиков, является то, что вы никогда не можете измерить точное положение или импульс частицы с совершенной определенностью. Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга.

Если бы вы могли охладить герметичную комнату до абсолютного нуля, произошли бы странные вещи (об этом чуть позже). Давление воздуха упало бы практически до нуля, и поскольку давление воздуха обычно противостоит гравитации, воздух сколлапсирует в очень тонкий слой на полу.

Но даже в этом случае, если вы сможете измерить отдельные молекулы, вы обнаружите кое-что любопытное: они вибрируют и вращаются, совсем немного — квантовая неопределенность в работе. Чтобы поставить точки над i: если вы измерите вращение молекул углекислого газа при абсолютном нуле, вы обнаружите, что атомы кислорода облетают углерод со скоростью несколько километров в час — куда быстрее, чем вы предполагали.

Разговор заходит в тупик. Когда мы говорим о квантовом мире, движение теряет смысл. В таких масштабах все определяется неопределенностью, поэтому не то чтобы частицы были неподвижными, вы просто никогда не сможете измерить их так, словно они неподвижны.

ФИЗИКА

§ 3.7. Абсолютная температура

Не все в мире относительно. Так, существует абсолютный нуль температуры. Есть и абсолютная шкала температур. Сейчас вы узнаете об этом.

При увеличении температуры объем газа неограниченно возрастает. Не существует никакого предела для роста температуры(1). Напротив, низкие температуры имеют предел.

Согласно закону Гей-Люссака (3.6.4), при понижении температуры объем стремится к нулю. Так как объем не может быть отрицательным, то температура не может быть меньше определенного значения (отрицательного по шкале Цельсия).

Абсолютный нуль температуры

Предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры. Однако объем реальных газов при абсолютном нуле температуры обращаться в нуль не может. Имеет ли смысл тогда это предельное значение температуры?

Предельная температура, существование которой вытекает из закона Гей-Люссака, имеет смысл, так как практически можно приблизить свойства реального газа к свойствам идеального. Для этого надо брать все более разреженный газ, так чтобы его плотность стремилась к нулю. У такого газа действительно объем с понижением температуры будет стремиться к предельному, близкому к нулю.

Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Приравнивая объем Vb формуле (3.6.4) нулю и учитывая, что

получим

Отсюда абсолютный нуль температуры равен

t = -273°C(2).

Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.

Шкала Кельвина

Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой

На рисунке 3.11 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.

Рис. 3.11

Единица абсолютной температуры в СИ называется Кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.

Кельвин Уильям (Томсон У.) (1824— 1907) — выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.

Кельвин ввел абсолютную шкалу температур и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости. В связи с прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля Кельвин разработал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу для периода свободных колебаний в контуре. За научные заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина.

Таким образом, абсолютная температура по определению, даваемому формулой (3.7.6), является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения α. Однако она имеет фундаментальное значение.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При T = 0 К тепловое движение молекул прекращается. Подробнее об этом пойдет речь в главе 4.

Зависимость объема от абсолютной температуры

Применяя шкалу Кельвина, закон Гей-Люссака (3.6.4) можно записать в более простой форме. Так как

то

Объем газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.

Отсюда следует, что отношение объемов газа одной и той же массы в различных состояниях при одном и том же давлении равно отношению абсолютных температур:

Существует минимально возможная температура, при которой объем (и давление) идеального газа обращаются в нуль. Это абсолютный нуль температуры: -273 °С. Удобно отсчитывать температуру от абсолютного нуля. Так строится абсолютная шкала температур.

(1) Наибольшие температуры на Земле — сотни миллионов градусов — получены при взрывах термоядерных бомб. Еще более высокие температуры характерны для внутренних областей некоторых звезд.

(2) Более точное значение абсолютного нуля: -273,15 °С.

Важное недоразумение

Поскольку температура является мерой микроскопической энергии атомов (или молекул), она удваивается, если микроскопическая энергия удваивается. Тем не менее, переход от 10°C сегодня к 20°C завтра не удваивает температуру (хотя 20 дважды десять). Ученый сказал бы, что это 283 K, и вот где возникает проблема: удвоение 283 K составляет 566 K, что преобразуется в экстремальный 293°C. К счастью, 293°c при жизни людей не произойдет на Земле, но эта идея пропорционального изменения температуры привела к некоторой путанице с изменением климата.

Путаница в связи с изменением климата

Подавляющее большинство ученых согласны с тем, что изменение климата является одной из основных проблем, стоящих перед миром.

Большинство климатологов прогнозируют увеличение средней глобальной температуры на 1% к 2100 году. Это число звучит незначительно, если думать в градусах Цельсия, но изменение 1% означает, что должна использоваться шкала Кельвина. К сожалению, для того, чтобы сделать этот расчет, числа должны быть преобразованы в Кельвин и после выполнения надлежащих преобразований и расчетов увеличение на 1% по шкале Кельвина фактически приведет к средней глобальной температуре 17,4°C к 2100 году. Сейчас средняя нагретость Земли 14, 8 °C. Это может показаться не очень высоким, но увеличение 2.6°C довольно тревожно. При этом произойдет  повышение  уровня моря со всеми вытекающими последствиями для Земли.

Основные единицы

В таблице представлены все основные единицы СИ вместе с их определениями, российскими и международными обозначениями, физическими величинами, к которым они относятся, а также с кратким обоснованием их происхождения.

Основные единицы СИ
Единица Обозначение Величина Определение Историческое происхождение, обоснование
Секунда сs Время Величина секунды устанавливается фиксацией численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 К равным в точности 9 192 631 770, когда она выражена единицей СИ с−1, что эквивалентно Гц. Солнечные сутки разбиваются на 24 часа, каждый час разбивается на 60 минут, каждая минута разбивается на 60 секунд.Секунда — это 1(24 × 60 × 60) часть солнечных суток.Современное определение принято на XIII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в 1967 году.
Метр мm Длина Величина метра устанавливается фиксацией численного значения скорости света в вакууме равным в точности 299 792 458, когда она выражена единицей СИ м·с−1. 110 000 000 расстояния от экватора Земли до северного полюса на меридиане Парижа.Современное определение установлено XVII ГКМВ в 1983 г.
Килограмм кгkg Масса Величина килограмма устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка h равным в точности 6,626 070 15 × 10−34, когда она выражена в Дж⋅с. Масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря. В течение более чем двухсот лет эталоном килограмма служили материальные образцы — Архивный килограмм, затем Международный прототип килограмма.
Ампер АA Сила электрического тока Величина ампера устанавливается фиксацией численного значения элементарного заряда e равным 1,602 176 634 × 10−19, когда он выражен в кулонах. Предыдущее определение, восходящее к изначальному: ампер есть сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2⋅10−7ньютонов.
Кельвин КK Термодинамическая температура Величина кельвина устанавливается фиксацией численного значения постоянной Больцмана k равным в точности 1,380 649 × 10−23, когда она выражена в Дж/К. В 1967—2019 годах определялся как 1/273,16 части тройной точки воды. Шкала Кельвина использует тот же шаг, что и шкала Цельсия, но 0 кельвинов — это температура абсолютного нуля, а не температура плавления льда. Согласно современному определению ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15: T  = T  − 273,15.
Моль мольmol Количество вещества Один моль содержит ровно 6,022 140 76 × 1023 элементов. Это число — фиксированное значение постоянной Авогадро NA, выраженной в единицах моль−1, и называется числом Авогадро. Атомный вес или молекулярный вес, деленный на постоянную молярной массы, 1 г/моль. В 1971—2019 годах определялся как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 12 г.
Кандела кдcd Сила света Величина канделы устанавливается фиксацией численного значения световой эффективности монохроматического излучения частотой 540·1012 Гц равным в точности 683, когда она выражена единицей СИ м−2·кг−1·с3·кд·ср или кд·ср·Вт−1, что эквивалентно лм·Вт−1. Сила света (англ. Candlepower, устар. Британская единица силы света), испускаемая горящей свечой.Современное определение установлено XVI ГКМВ в 1979 г.

Наименования и обозначения основных единиц, так же как и всех других единиц СИ, пишутся маленькими буквами (например, метр и его обозначение м). У этого правила есть исключение: обозначения единиц, названных фамилиями учёных, пишутся с заглавной буквы (например, ампер обозначается символом А).

Абсолютная температурная шкала. Абсолютный нуль

Выбор в качестве основных точек температурной шкалы точек таяния льда и кипения воды совершенно произволен. Полученная таким образом температурная шкала оказалась неудобной для теоретических исследований.

Опираясь на законы термодинамики, Кельвину удалось построить так называемую абсолютную температурную шкалу (ее в настоящее время называют термодинамической шкалой температур или шкалой Кельвина), совершенно не зависящую ни от природы термометрического тела, ни от избранного термометрического параметра. Однако принцип построения такой шкалы выходит за пределы школьной программы.
Мы рассмотрим этот вопрос, используя другие соображения.

Из формулы (2) вытекают два возможных способа установления температурной шкалы: использование изменения давления определенного количества газа при постоянном объеме или изменение объема при постоянном давлении. Такую шкалу называют идеальной газовой шкалой температуры.

Температура, определяемая равенством (2), называется абсолютной температурой. Абсолютная температура Τ не может быть отрицательной, так как слева в равенстве (2) стоят заведомо положительные величины (точнее, она не может быть разных знаков, она может быть либо положительной, либо отрицательной. Это зависит от выбора знака постоянной k. Так как условились температуру тройной точки считать положительной, то абсолютная температура может быть только положительной). Следовательно, наименьшее возможное значение температуры Т = 0 есть температура, когда давление или объем равны нулю.

Предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю (т.е. газ как бы должен сжаться в «точку») при неизменном давлении, называется абсолютным нулем. Это самая низкая температура в природе.

Из равенства (3), учитывая, что \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac{m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i}{2}\) , вытекает физический смысл абсолютного нуля: абсолютный нуль — температура, при которой должно прекратиться тепловое поступательное движение молекул. Абсолютный нуль недостижим.

В Международной системе единиц (СИ) используют абсолютную термодинамическую шкалу температур. За нулевую температуру по этой шкале принят абсолютный нуль. В качестве второй опорной точки принята температура, при которой находятся в динамическом равновесии вода, лед и насыщенный пар, так называемая тройная точка (по шкале Цельсия температура тройной точки равна 0,01 °С). Каждая единица абсолютной температуры, называемая Кельвином (обозначается 1 К), равна градусу Цельсия.

Погружая колбу газового термометра в тающий лед, а затем в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, обнаружили, что давление газа во втором случае в 1,3661 раза больше, чем в первом. Учитывая это и пользуясь формулой (2), можно определить, что температура таяния льда T = 273,15 К.

Действительно, запишем уравнение (2) для температуры T таяния льда и температуры кипения воды (T + 100):

\(~\frac{p_1V}{N} = kT_0 ;\)

\(~\frac{p_2V}{N} = k(T_0 + 100) .\)

Разделим второе уравнение на первое, получим:

\(~\frac{p_2}{p_1} = \frac{T_0 + 100}{T_0} .\)

Отсюда

\(~T_0 = \frac{100}{\frac{p_2}{p_1} — 1} = \frac{100}{1,3661 — 1} = 273,15 K.\)

На рисунке 2 схематически показаны шкала Цельсия и термодинамическая шкала.

Рис. 2

Так как 1 К = 1 °С, то любое значение температуры Τ будет на 273,15 градуса выше соответствующей температуры t по Цельсию: Т = t + 273,15. Но изменение абсолютной температуры ΔΤ равно изменению температуры Δt по шкале Цельсия: Δt = ΔΤ.

Шаги

Метод 1 из 3:

Перевод градусов Цельсия в Кельвина

  1. 1

    Запишите температуру в градусах Цельсия. Перевод в Кельвины абсолютно прост: все, что вам нужно – это сделать простые добавления. Посмотрите на следующие 3 примера, которые будут использованы в дальнейшем:

    • 30℃
    • 0℃
    • 100℃
      X
      Источник информации

  2. 2

    Добавьте 273.15 к температуре Цельсия. Например, 30 плюс 273.15 равно 303.15. Это все, что вам нужно сделать, чтобы осуществить перевод. Просто добавьте 273.15, и все готово.

    • 30+273.15=303.15{\displaystyle 30+273.15=303.15}
    • +273.15=273.15{\displaystyle 0+273.15=273.15}
    • 100+273.15=373.15{\displaystyle 100+273.15=373.15}
      X
      Источник информации

  3. 3

    Замените ℃ простым K. Не используйте значок градусов, это будет неправильно. Как только вы произвели расчеты, просто добавьте K, и дело сделано.

    • 30+273.15={\displaystyle 30+273.15=}303.15K{\displaystyle 303.15K}
    • +273.15={\displaystyle 0+273.15=}273.15K{\displaystyle 273.15K}
    • 100+273.15={\displaystyle 100+273.15=}373.15K{\displaystyle 373.15K}
      X
      Источник информации

Метод 2 из 3:

Понимание шкалы Кельвина

  1. 1

    Никогда не используйте «градусы», когда речь идет шкале Кельвина. Чтобы правильно произнести «292 К», просто скажите: «двести девяносто два по Кельвину». В шкале Кельвина применяется «абсолютная температура», и градусы не используются.
    X
    Источник информации

    Каждая ступень просто называется «Кельвин». Не говорится, что стало на 2 градуса теплее. Правильно: на 2 Кельвина теплее.

  2. 2

    Вы должны знать, что 0 по Кельвину – это теоретическая точка, при которой газы не имеют объема. Абсолютный ноль, или 0 K, — это точка, при которой молекулы теоретически перестают двигаться. Это состояние «идеального» холода. И хотя нельзя достичь точки абсолютного нуля, ученые приблизились к этому довольно близко. Смысл шкалы Кельвина в том, что подсчеты вести легче, если начинать с абсолютного нуля.
    X
    Источник информации

  3. 3

    Используйте шкалу Кельвина при научных исследованиях.

    Кельвин также используется для измерения цветовой температуры. Так 3000K, 6000K и подобное установлено на фотокамерах, профессиональных осветительных приборах и в лампочках.
    X
    Источник информации

    В шкале Кельвина нет отрицательных цифр, так как 0 K – это самая низкая температура, возможная во Вселенной. С математической точки зрения так работать гораздо проще. Так вам будет легче сравнивать температуры, находить разность или усредненные значения, а также устанавливать взаимоотношения, когда вам нужно работать с положительными или отрицательными температурами.

  4. 4

    Изучите технические определения шкалы Кельвина для классов с углубленным изучением предметов. Под Кельвином понимается 1273.15{\displaystyle {\frac {1}{273.15}}} термодинамической температуры тройной точки воды. Соответственно число 273.15 часто используется для перевода температуры в Кельвины. Не волнуйтесь, если вам кажется, что это объяснение не имеет смысла. Оно рассчитана на химиков и физиков с высоким уровнем знаний.
    X
    Источник информации

Метод 3 из 3:

Перевод градусов Фаренгейта в Кельвины (по желанию)

  1. 1

    Прежде, чем переводить в Кельвины, конвертируйте Фаренгейты в градусы по Цельсию. Вы не сможете прямо перейти от Фаренгейтов к Кельвинам без изначальной конвертации в градусы Цельсия. Перевод из градусов Цельсия в Кельвины гораздо проще, чем из Фаренгейтов в градусы Цельсия. Почти наверняка для этого вам понадобится калькулятор.
    X
    Источник информации
    www.ajdesigner.com/phptemperature/temperature_equation_convert_c_k.php

    86℉

  2. 2

    Отнимите 32 от вашего значения по Фаренгейту. Например, 86 минус 32 равно 54. Интересное отступление: мы отнимаем 32 потому, что точка замерзания при градусах Цельсия именно на 32 меньше, чем по Фаренгейту.
    X
    Источник информации
    www.ajdesigner.com/phptemperature/temperature_equation_convert_c_k.php

    • 86−32=54{\displaystyle 86-32=54}
    • Умножьте только что полученное число на 59{\displaystyle {\frac {5}{9}}} или 0.5555. Например, 54 раза по 0.5555 будет 30. В некоторых формулах вам также могут советовать разделить на 1.8, что в результате равнозначно тому, если бы вы умножили на 0.5555. Таким образом, вы закончите перевод в градусы Цельсия.
    • 54∗.5555=30{\displaystyle 54*.5555=30}
    • 54∗59=30{\displaystyle 54*{\frac {5}{9}}=30}
  3. 3

    Добавьте 273.15, чтобы закончить перевод в Кельвины. Как только вы вычли 32 и умножили на 59{\displaystyle {\frac {5}{9}}}

    30+273.15={\displaystyle 30+273.15=}303.15K{\displaystyle 303.15K}

    , вы получили градусы Цельсия. Теперь добавьте 273.15, чтобы получить Кельвины, и дело сделано.

  • Калькулятор
  • Ручка
  • Листок
  • Температура в градусах Цельсия или по Фаренгейту

Термодинамика около абсолютного нуля

При температурах около 0 К (-273,15 ° C; -459,67 ° F) почти все молекулярные движения прекращаются и Δ S  = 0 для любого адиабатического процесса , где S — энтропия . В таких обстоятельствах чистые вещества могут (в идеале) образовывать идеальные кристаллы при T → 0. Сильная форма третьего закона термодинамики Макса Планка утверждает, что энтропия идеального кристалла равна нулю при абсолютном нуле. Исходная теорема Нернста о тепле делает более слабое и менее спорное утверждение, что изменение энтропии для любого изотермического процесса стремится к нулю при T → 0:

LimТ→ΔSзнак равно{\ displaystyle \ lim _ {T \ to 0} \ Delta S = 0}

Подразумевается, что энтропия идеального кристалла приближается к постоянному значению.

Совершенный кристалл — это кристалл, в котором структура внутренней решетки непрерывно простирается во всех направлениях. Совершенный порядок может быть представлен трансляционной симметрией по трем (обычно не ортогональным ) осям . Каждый элемент решетки структуры находится на своем месте, будь то отдельный атом или молекулярная группа. Для веществ , которые существуют в два (или более) стабильных кристаллических формах, такие как алмаз и графит для углерода , есть вид химического вырождения . Остается вопрос, могут ли оба иметь нулевую энтропию при T  = 0, даже если каждый из них совершенно упорядочен.

Совершенные кристаллы на практике никогда не встречаются; несовершенства и даже целые включения аморфного материала могут и действительно «замораживаются» при низких температурах, поэтому переходов в более стабильные состояния не происходит.

Используя модель Дебая , теплоемкость и энтропия чистого кристалла пропорциональны T  3 , в то время как энтальпия и химический потенциал пропорциональны T  4 . (Гуггенхайм, стр. 111) Эти величины падают к своим  предельным значениям T = 0 и приближаются с нулевым наклоном. По крайней мере, для удельной теплоемкости само предельное значение определенно равно нулю, что подтверждается экспериментами до температуры ниже 10 К. Даже менее подробная модель Эйнштейна показывает это любопытное падение удельной теплоемкости. Фактически, при абсолютном нуле исчезают все удельные теплоемкости, а не только теплоемкости кристаллов. То же самое для коэффициента теплового расширения . Соотношения Максвелла показывают, что исчезают и другие различные величины. Эти явления были неожиданными.

Поскольку связь между изменениями свободной энергии Гиббса ( G ), энтальпии ( H ) и энтропии имеет вид

Δграммзнак равноΔЧАС-ТΔS{\ Displaystyle \ Delta G = \ Delta HT \ Delta S \,}

таким образом, когда T уменьшается, Δ G и Δ H приближаются друг к другу (пока Δ S ограничено). Экспериментально установлено, что все самопроизвольные процессы (включая химические реакции ) приводят к уменьшению G по мере приближения к равновесию . Если Δ S и / или T малы, условие Δ G  <0 может означать, что Δ H  <0, что указывало бы на экзотермическую реакцию. Однако этого не требуется; эндотермические реакции могут протекать самопроизвольно, если член T Δ S достаточно велик.

Более того, наклоны производных Δ G и Δ H сходятся и равны нулю при T  = 0. Это гарантирует, что Δ G и Δ H почти одинаковы в значительном диапазоне температур и оправдывает приближенный эмпирический принцип Томсена. и Бертло, который утверждает, что состояние равновесия, к которому переходит система, — это то состояние, при котором выделяется наибольшее количество тепла , т. е. реальный процесс является наиболее экзотермическим . (Каллен, стр. 186–187)

Одной из моделей, оценивающих свойства электронного газа при абсолютном нуле в металлах, является ферми-газ . Электроны, будучи фермионами , должны находиться в разных квантовых состояниях, что приводит к тому, что электроны получают очень высокие типичные скорости даже при абсолютном нуле. Максимальная энергия, которую электроны могут иметь при абсолютном нуле, называется энергией Ферми . Температура Ферми определяется как максимальная энергия, деленная на постоянную Больцмана, и составляет порядка 80 000 К для типичных концентраций электронов, обнаруживаемых в металлах. При температурах значительно ниже температуры Ферми электроны ведут себя почти так же, как при абсолютном нуле. Это объясняет несостоятельность классической теоремы о равнораспределении металлов, которая ускользнула от классических физиков в конце 19 века.