Le zéro absolu est la température minimale possible en principe : correspond à –273,15 degrés Celsius (°C) et représente la limite physique du froid, correspondant à la situation (inatteignable en pratique) dans laquelle les molécules, atomes ou particules qui constituent un système physique sont complètement immobile et donc ils n’ont aucun mouvement vibratoire. Le. a été créé autour de ce concept. Échelle Kelvin pour les températures, dont le zéro est précisément au zéro absolu. La température moyenne de l’Univers est d’environ 3°C au-dessus du zéro absolu et est due à l’énergie transportée par le rayonnement du fond cosmique. Le record de température minimale enregistré sur notre planète est –89,2 °C, soit 184 °C au-dessus du zéro absolu. Autour de la Terre, où par exemple orbite la Station spatiale internationale, le zones ombragées par rapport au Soleil, ils m’atteignent –100 °C environ, soit 173 °C au-dessus du zéro absolu.
L’échelle Kelvin et la limite théorique de température
Les températures que nous avons indiquées précédemment sont toutes exprimées en degré Celsius, l’unité la plus couramment utilisée. C’est une échelle de mesure qui prend comme référence les principaux phénomènes physiques de l’eau, substance la plus importante pour la vie sur Terre : elle définit 0 °C est la température de congélation et 100 °C est la température d’ébullition, obtenant ainsi l’unité de mesure, le degré Celsius ou degré centigrade. Dans certains pays, comme aux États-Unis, la température est mesurée en Fahrenheit °F, une échelle avec différentes références.
Dans le domaine scientifique, cependant, l’échelle Kelvin est utilisée. La balance a l’unité de mesure Kelvinindiqué par le symbole Kqui a la même amplitude qu’un degré Celsius (1 K = 1 °C) mais dont le zéro correspond au zéro absolu : c’est pour cette raison que les températures indiquées en kelvin sont aussi appelées températures absolues. C’est une échelle inventée par le scientifique William Thomsonconnu comme Seigneur Kelvinégalement influencé par les études du physicien James Prescott Joule.
Thomson avait l’intention de créer un système « absolu »sans rapport avec les caractéristiques de l’eau mais basé sur calculs théoriques, mais en maintenant leunité minimale du diplôme lié à une valeur de « travail mécanique » constante.
Sur la base de relation Entre température, volume et pression d’un gazKelvin a alors pu calculer le zéro absolu (0 K) correspond à –273, 15 °C, et baser une nouvelle échelle de mesure sur cette valeur.
Gaz parfaits : pression, volume et température
Pour comprendre comment Kelvin est arrivé à ce chiffre, il faut prendre quelques pas en arrière, préparer une petite expérience et aborder un peu de physique : on va essayer d’être bref.
Si l’on gonfle un ballon puis le mets au réfrigérateur, celui-ci va rétrécir : la baisse de température va en effet entraîner une diminution du volume et de la pression interne du ballon. En le ramenant à température ambiante, on le verra plutôt se dilater jusqu’à son état d’origine (ou presque, car en réalité rien n’est parfait, encore moins les gaz). Pourquoi tout cela arrive-t-il ?
Des siècles d’études, depuis les découvertes du physicien Boyle au XVIIe siècle jusqu’à celles de Gay-Lussac et du chimiste Amedeo Avogadro en 1800 ont conduit le physicien Émile Clapeyron à formuler la loi des gaz parfaits :
PV = nRT
Cette loi indique comment le produit entre pression (p) Et volume (V) d’un gaz dépendent directement de température (T): ces quantités sont les seules les variables possiblesétant donné que R est une constante Et n est la quantité de substanceen l’occurrence « fermé » dans le ballon, mesuré en taupes (une unité utilisée en chimie, correspondant à 6,022 · 1023 atomes ou molécules de substance).
Là température d’un corpsdans notre cas une masse de gaz, est en réalité une mesure de l’énergie cinétique moyenne possédée à partir des atomes ou des molécules d’une substance. Cette énergie est liée au mouvement de ces particules dans l’espace, comme vibrations et rotations des liaisons entre un atome et un autre dans les molécules et duénergie possédée par les électrons.
Baisser la température signifie donc « ralentir » les atomes: cela diminue le pressionce qui simplifie peut être considérée comme la « force » avec laquelle les atomes ou les molécules poussent de l’intérieur du ballon en dehors. Pour cette raison, le volume du ballon diminue par temps froid.
La signification du zéro absolu de Kelvin
L’idée géniale de Kelvin était donc la suivante : calculer à quelle température le volume d’un gaz, diminuant progressivement, pourrait atteindre zéro.
Puisque la substance ne peut pas « disparaître » dans l’air et que le volume ne peut pas devenir négatif, le la température calculée à –273,15 °C ou 0 K est donc la valeur minimale absolue.
Considérant le température comme un mesure du « mouvement » des atomesau zéro absolu ces ils atteindraient idéalement immobilitéune conséquence indiquée par Kelvin et Boltzmann suite à leurs études.
Cette hypothèse, valable pour la physique « classique », serait cependant en contradiction avec les principes de la physique moderne la physique quantique, et notamment avec le Principe d’incertitude de Heisenberg: d’une particule « stationnaire » on pourrait en effet mesurer la position et la vitesse (zéro) en même temps. Dans la physique quantiqueà une température de 0 K on parle donc d’un « état d’énergie minimum » des ondes de particules… Mais dans cet article nous n’entrerons pas dans ces détails. Qu’il suffise de dire qu’en physique il existe un principe, le troisième loi de la thermodynamiqueselon lequel le zéro absolu n’est pas accessible: on peut s’en approcher arbitrairement, mais rien dans l’Univers ne peut avoir cette température exacte, précisément parce que d’un point de vue quantique, les molécules ne peuvent pas être parfaitement immobiles. Les expériences modernes nous permettent d’atteindre des températures très élevées proche du zéro absoluavec un enregistrement de 38 pK (picokelvin, soit des millièmes de milliardièmes de degré).