Zéro absolu : la température la plus basse sur Terre

Avez-vous déjà entendu parler du zéro absolu ? Il s’agirait de la température la plus froide de la Terre. Il serait impossible de l’atteindre physiquement. Vous en découvrirez les raisons en poursuivant votre lecture. D’autre part, de récentes études auraient démontrées qu’il existerait des températures inférieures au zéro absolu. Alors qu’en est-il vraiment de cette valeur ?

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Qu’est-ce que le zéro absolu ?

Le zéro absolu serait la température la plus basse du monde. Sa valeur est de 0 °Kelvin ou -273,15 °Celsius. Il est à noter que normalement, l’échelle de Kelvin ne comporte pas de nombre négatif: on est bien loin des 6000°C du noyau interne de la Terre !

Dans le domaine de la physique et/ou de la chimie, la variation de température d’un système est liée aux mouvements des particules (atomes) qui la composent. Plus elles s’agitent, plus le degré de chaleur s’élève.

Par conséquent, il serait logique de dire que le zéro absolu est la température d’un système dont les particules sont parfaitement immobiles. Dans un terme plus technique, elles sont tous à un niveau d’énergie minimal.

La notion d’entropie

Le terme « entropie » a été instauré par Clausius en 1865. Il s’agit d’une fonction d’état extensive d’un système thermodynamique. L’entropie représente le « degré de désorganisation » d’un système. Sa valeur s’élève lorsque les particules qui le composent sont en désordre.

Au cours de l’année 1906, le physicien et chimiste Nernst a affirmé que la valeur de l’entropie d’un système au zéro absolu est une constante définie.

Elle est égale à 0 pour un cristal parfait. En effet, les molécules de ce type de système sont bien organisées et pratiquement immobiles.

Ensuite, vers 1912, il a complété sa théorie en stipulant qu’il est tout à fait impossible de refroidir un système jusqu’au zéro absolu en suivant un nombre fini de procédure, et dans un temps limité.

Les études de Lluis Masanes et Jonathan Oppenheim

Plus tard, deux chercheurs, Lluis Masanes et Jonathan Oppenheim ont voulu prouver la véracité de la théorie de Nernst. Ils ont procédé comme suit.

Un système est refroidit à l’aide d’une machine thermique qui transfère son énergie dans un réservoir. Le but de l’étude est d’établir la relation entre sa température et la durée du processus. Pour atteindre l’objectif, le choix du protocole est libre.

Une des principes de base du troisième principe de la thermodynamique :

• Le zéro absolu est atteint lorsque l’entropie d’un système est nulle.

L’hypothèse de départ :

• Principe d’inatteignabilité : il est impossible qu’un système physique atteigne une température nulle.

Suite aux calculs mathématiques qu’ils ont effectués, en tenant compte de toutes les conditions, notamment que les ressources ainsi que le temps sont finis, ils ont pu établir que lorsque la température d’un système est proche du zéro absolu, la vitesse de transfert d’énergie diminue petit à petit. C’est la relation recherchée.

Selon le second principe de la thermodynamique, un transfert de chaleur s’effectue toujours d’un corps chaud vers un corps froid. Ainsi, même si un système atteint un certain niveau inférieur de température, il reçoit toujours un peu de chaleur provenant du milieu où il se trouve.

Par conséquent, bien que parfois, les mouvements thermiques soient pratiquement imperceptibles dans tout système, il en existe toujours. Cela implique que physiquement, il est tout à fait impossible que l’entropie soit nulle. Ainsi, d’après l’un des fondements du troisième principe de la thermodynamique, l’« inatteignabilité » du zéro absolu a été prouvé.

La température en-dessous du zéro absolu

Selon cette étude, il pourrait exister des températures inférieures au zéro absolu, toutefois, elles entraînent de la chaleur et non du froid.

Chaque corps est composé de plusieurs particules. En général, s’il est solide, la plupart d’entre elles bougent à peine. C’est l’agitation d’une petite partie seulement qui est responsable de la création d’une quantité de chaleur.

Des chercheurs allemands ont découverts un gaz, dont la température était aux alentours de 0 °K (le zéro absolu). Le plus intéressant, c’est qu’il n’est pas froid. Au contraire, il est plus chaud que les corps dont la température est positive.

Ainsi, le zéro absolu serait peut-être la température la plus froide, mais elle ne serait plus la plus basse sur l’échelle de Kelvin. Imaginez les grandes avancées technologiques que pourraient impliquer cette découverte, notamment la création d’un moteur à combustion avec un rendement de 100 % et plus. Les chercheurs du domaine de la cosmologie pourraient aussi s’intéresser à cette théorie pour appuyer leurs études sur l’« énergie noire ».

Conclusion

Le zéro absolu est reconnu comme étant la température la plus froide, correspondant à un état immobile des particules d’un corps. Une multitude de chercheurs, depuis Nernst jusqu’à aujourd’hui sont d’accord pour dire qu’il serait physiquement impossible de l’atteindre. Néanmoins, il est toujours possible d’atteindre une valeur l’avoisinant de très près. D’ailleurs le Cold Atom Laboratory de la NASA est capable de geler les atomes de gaz à un milliardième près du zéro absolu.