Zéro absolu

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Le zéro absolu[1],[2] est la température la plus basse qui puisse exister. Il correspond à la limite basse de l'échelle de température thermodynamique, soit l'état dans lequel l'enthalpie et l'entropie d'un gaz parfait atteint sa valeur minimale, notée 0. Cette température théorique est déterminée en extrapolant la loi des gaz parfaits : selon un accord international, la valeur du zéro absolu est fixée à −273,15 °C (Celsius) ou −459,67 °F (Fahrenheit). Par définition, les échelles Kelvin[3] et Rankine prennent le zéro absolu comme valeur 0.

En physique quantique, la matière au zéro absolu se trouve dans son état fondamental, point d'énergie interne minimale.

Les lois de la thermodynamique impliquent que le zéro absolu ne peut pas être atteint en utilisant uniquement des moyens thermodynamiques : la température de la substance refroidie se rapproche asymptotiquement de l'agent de refroidissement. Un système qui se trouve au zéro absolu possède en mécanique quantique l'énergie du point zéro, soit l'énergie de son état fondamental au zéro absolu. L'énergie cinétique de l'état fondamental ne peut être éliminée.

Des scientifiques ont réussi à atteindre des températures proches du zéro absolu, où la matière présentait des effets quantiques tels que la supraconductivité ou la superfluidité.

Histoire

Graphique de la pression en fonction de la température pour 3 gaz différents et leur extrapolation vers le zéro absolu.

En 1702, l'état du zéro absolu a été proposé pour la première fois par Guillaume Amontons, physicien et académicien français, qui travaillait sur la relation entre température et pression dans les gaz, même s'il n'avait pas à sa disposition de thermomètre précis. Bien que ses résultats soient quantitatifs, il établit que la pression d'une quantité donnée de gaz confinée dans un volume donné augmente d'à peu près un tiers lorsqu'il passe d'une température « froide » à celle de l'ébullition de l'eau, ce qui l'amène à supposer qu'une réduction suffisante de température entraînerait une absence de pression.

Bien que le zéro absolu puisse être défini de cette façon, la plupart des gaz se liquéfient avant d'atteindre 0 K (voir thermomètre à gaz).

En 1824, Sadi Carnot publie son œuvre majeure : Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance. Dans une note en bas de page, qui fut négligée par les premiers commentateurs, il laisse entendre que le rendement d’un moteur thermique idéal pourrait servir de base à une échelle absolue des températures[4].

En 1848, William Thomson, Lord Kelvin, propose une échelle de température absolue dans laquelle une réduction de la température mesurée correspond à une réduction équivalente dans la chaleur du corps étudié. Ce concept, en se libérant des contraintes de la loi des gaz, établit un zéro absolu comme étant la température à laquelle plus aucune chaleur ne peut être tirée du corps.

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