Mutlak sıfır

Mutlak sıfır, bir maddenin moleküllerinin entalpi ve entropisinin teorik minimum değerine ulaştığı termodinamik sıcaklık ölçeğinin en alt sınırıdır. Teorik sıcaklık, ideal gaz yasasının ekstrapolasyonu ile hesaplanmıştır. Uluslararası uzlaşı neticesinde, mutlak sıfır Celsius ölçeğinde (Uluslararası Birimler Sistemi) −273.15 derece, Fahrenheit ölçeğinde (Amerika Birleşik Devletleri geleneksel birimleri ya da İmparatorluk birimleri) −459.67 derece, Kelvin ve Rankine ölçeklerinde de 0 derece olarak alınmıştır.

Mutlak sıfır değeri −273.15°C veya 0 K olarak tanımlanır.

Teorik olarak mutlak sıfır sıcaklığına ulaşan (inen) bir maddenin iç enerjisi 0 (sıfır) olacağından daha fazla soğutmak mümkün değildir. Mutlak sıfır moleküllerin durduğu (hareketlerinin çok küçük titreşimlere indirgendiği) noktadır. Mutlak sıfır hesabında ihmal edilen bu titreşimin sebebi sıfır noktası enerjisi denilen enerjidir ve bu enerji maddeden uzaklaştırılamaz. Mutlak sıfır maddelerin ısı basınç diyagramından hesaplanabilir. Örneğin, suyun normal atmosfer basıncı altında su-buz su ve su-su buharı hallerindeki ısı basınç diyagramları çizilirse, diyagramdaki üç eğrinin de skalada mutlak sıfır değerinde birleşeceği görülür.

Termodinamik

Sıcaklık 0 K (-273 °C; -459,4 °F)'e yakınsadığında, tüm moleküler hareket durmaya yakınsar ve herhangi bir adyabatik işlem için ΔS = 0 yakınsanır (S entropi). Böyle bir durumda, "T" → 0 yakınsanırken, saf maddeler (ideal olarak) yapısal kusurları olmayan ideal kristaller oluşturabilir.

Max Planck'ın termodinamiğin üçüncü yasası'nın güçlü formülasyonuna göre, bir ideal kristalin entropisi mutlak sıfırda sıfırlanır. Nernst ısı teoremi ise, daha az ihtilaflı bir sav olarak, T → 0'a yakınsarken herhangi bir izotermik işlemin entropi değişiminin sıfıra yakınsadığını önerir:

$\lim _{T\to 0}\Delta S=0$

Farklılıklarına rağmen tüm bu savlar, ideal bir kristalin entropisinin sabit bir değere yakınsadığını önermektedir.

Bose-Einstein yoğunlaşması ile ilişki

Ana madde: Bose-Einstein yoğunlaşması

Mutlak sıfırdan bir derecenin birkaç milyarda biri kadar sıcak bir sıcaklıkta rubidyum atomlu bir gazın hız-dağılım verileri. Sol: Bose-Einstein yoğunlaşmasının ortaya çıkmasından hemen önce. Orta: yoğuşmanın ortaya çıkmasından hemen sonra. Sağ: buharlaşmadan sonra, neredeyse saf bir yoğuşma numunesinin geride kalması.

Bose-Einstein yoğunlaşması, bir dış potansiyele hapsedilmiş ve mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklara soğutulmuş zayıf etkileşimli bozonlar içeren seyreltik bir gazın madde haline denir. Bu koşullar altında, bozonların büyük bir kısmı dış potansiyelin en düşük kuantum halinde bulunur ve bu sebeple bozonların kuantum etkileri makroskopik ölçekte gözlenebilir hale gelir.

Maddenin bu hali ilk olarak 1924–25'te Satyendra Nath Bose ve Albert Einstein tarafından tahmin edilir. Bose ilk önce Einstein'a ışık kuantasının (günümüz adlandırılması foton) kuantum istatistikleri hakkında bir makale gönderir. Einstein bu makaleden etkilenir ve makaleyi İngilizceden Almancaya çevirerek Bose adına Zeitschrift für Physik isimli hakemli bir dergiye gönderir. Einstein, ilerleyen süreçte ise Bose'un parçacıklar üzerine olan fikirlerini iki yeni makale üzerinden geliştirir.

Bu gelişmelerden yetmiş yıl sonra, 1995'te, Eric Cornell ve Carl Wieman Boulder Kolorado Universitesi NIST-JILA laboratuvarında, rubidyum atomlu bir gazı 170 nanokelvin (nK)'e (1,7×10^-7 K) kadar soğutmayı başararak ilk gazlı Bose–Einstein yoğunlaşmasını üretir.

2003'te ise, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları sodyum atomlarının Bose–Einstein yoğunlaşması üzerinden 450 ± 80 picokelvin (pK) (4,5×10^-10 K) seviyesi düşük bir sıcaklığa inerek rekor kırar.

Ulaşılan sıcaklıklar

Termodinamik kanunları mutlak sıfır sıcaklığına ulaşılamayacağını belirtir çünkü soğutulan maddenin sıcaklığı, soğutan maddenin sıcaklığına yakınsayarak yaklaşır. İki sıcaklık sonsuza kadar yaklaşmaya devam ederler fakat aynı değere ulaşamazlar. Bilim insanları tam olarak bir “sıfır” ısı enerjisi durumu yaratamasalar da maddenin alışılmadık kuantum etkileri gösterdiği, mutlak sıfıra oldukça yakın sıcaklıklara ulaşabilmektedirler. Şu ana kadar ulaşılmış en düşük sıcaklık 38 pikoKelvin'dir.

Ayrıca bakınız

• Sıcaklık
• Mutlak sıcaklık
• Bose-Einstein Yoğuşması