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Troisième loi de la thermodynamique

1910
  • Walther Nernst
  • Max Planck
Scène de laboratoire illustrant la troisième loi de la thermodynamique en cryogénie.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

La troisième loi stipule que l'entropie d'un cristal parfait approche un minimum constant lorsque sa température se rapproche du zéro absolu ([latex]0[/latex] Kelvin). Cette valeur minimale est définie comme zéro. L'une des principales conséquences est qu'il est impossible d'atteindre le zéro absolu en un nombre fini d'étapes. Cette loi fournit un point de référence fondamental pour déterminer l'entropie absolue d'une substance.

The Third Law originated from Walther Nernst’s work on chemical reactions at low temperatures, formulated as the Nernst Heat Theorem in 1906. He observed that the change in entropy for chemical reactions approaches zero as the temperature approaches absolute zero. Max Planck later extended this to state that the entropy of each individual perfect crystalline substance is itself zero at absolute zero. This provides an absolute, rather than relative, scale for entropy.

The law’s novelty lies in its connection between thermodynamics and the quantum-mechanical nature of matter. At absolute zero, a system is in its ground state, which for a perfect crystal is a unique, non-degenerate state, corresponding to zero entropy ([latex]S = k_B \ln(1) = 0[/latex]). Amorphous materials like glass, however, have residual entropy at absolute zero due to their disordered structure. The law also implies that as [latex]T \rightarrow 0[/latex], specific heats ([latex]C_p[/latex], [latex]C_v[/latex]) and the coefficient of thermal expansion also approach zero. The unattainability principle arises because each step in a cooling process removes a smaller and smaller amount of entropy, requiring an infinite number of steps to reach zero entropy.

UNESCO Nomenclature: 2212
Thermodynamique, physique statistique et matière condensée

Taper

Système abstrait

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • formulation de la Deuxième loi and the concept of entropy
  • avancées expérimentales dans la liquéfaction des gaz (oxygène, azote, hydrogène) et l'atteinte de basses températures
  • développement de la mécanique statistique par Ludwig Boltzmann et J. Willard Gibbs
  • the emergence of quantum theory from Max Planck’s work on black-body radiation

Applications

  • cryogénie and low-temperature physics
  • calcul des affinités chimiques et des constantes d'équilibre de réaction
  • science des matériaux pour comprendre les structures cristallines, les défauts et l'entropie résiduelle
  • research into supraconductivité and superfluidity, phenomena that occur near absolute zero
  • détermination des valeurs d'entropie absolue pour les substances chimiques

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • développement de nouveaux métaux amorphes dotés de propriétés uniques à basse température pour les applications spatiales
  • architectures informatiques quantiques fonctionnant à proximité du zéro absolu pour minimiser la décohérence thermique
  • bolomètres ultra-sensibles pour l'astronomie basés sur des principes d'entropie proche de zéro
  • matériaux pour le stockage de données à long terme, sans énergie, dans un état fondamental cristallin parfait
  • techniques avancées de conservation cryogénique des tissus biologiques qui minimisent la formation de cristaux de glace
  • stockage d'énergie magnétique supraconductrice (PME) systems with near-zero resistance and energy loss
  • Manipulation du condensat de Bose-Einstein pour créer de nouveaux états de la matière pour l'interférométrie
  • thermomètres capables de mesurer des températures de l'ordre du microkelvin pour la recherche en physique fondamentale
  • synthèse chimique cryogénique pour créer et stabiliser des molécules hautement réactives
  • simulations de la physique de l'univers primitif à des états d'énergie extrêmement basse basées sur les principes de la troisième loi
Related to: third law, absolute zero, entropy, perfect crystal, Nernst heat theorem, unattainability principle, cryogenics, ground state, quantum mechanics, zero-point energy.

Contexte historique

Troisième loi de la thermodynamique

1902
1907
1909
1910
1911-04-08
1913
1915
1902
1904
1907
1909
1910
1912
1915
1915-11

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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