절대영도

Absolute zero
이 기사는 최저 온도 제한에 관한 것입니다.기타 용도는 절대 영점(동음이의)을 참조하십시오.
영 켈빈(-273.15°C)은 절대영도로 정의됩니다.

절대영도는 열역학적 온도 척도의 최저한계로, 냉각된 이상기체의 엔탈피와 엔트로피가 최소값에 도달하는 상태로, 0켈빈이라고 합니다.자연의 기본 입자는 최소한의 진동 운동을 가지고 있으며, 오직 양자 역학적, 영점 에너지 유도 입자 운동만을 보유하고 있습니다.이론 온도는 이상 기체 법칙을 유추하여 결정되는데, 국제적 합의에 따라 절대영도는 섭씨 스케일에서 -273.15도로, [1][2]화씨 스케일에서 -459.67도와 같습니다.[3]해당 켈빈 및 랭킨 온도 척도는 정의에 따라 0점을 절대 0으로 설정합니다.

일반적으로 가능한 가장 낮은 온도로 생각되지만, 가능한 가장 낮은 엔탈피 상태는 아닙니다. 왜냐하면 모든 실제 물질이 액체로 상태 변화에 가까워지면서 냉각될 때 이상 기체로부터 이탈하기 시작하기 때문입니다.그리고 고체로; 그리고 기화의 엔탈피(기체에서 액체로)와 융합의 엔탈피(액체에서 고체로)의 합이 엔탈피의 절대 0으로의 변화를 초과합니다.양자역학적 설명에서 절대영도에 있는 물질은 가장 낮은 내부 에너지의 지점인 바닥 상태에 있습니다.

열역학 법칙은 열역학적 수단만으로는 절대영도에 도달할 수 없다는 것을 보여주는데, 냉각되는 물질의 온도가 냉각제의 온도에 점근적으로 접근하기 때문입니다.[4]절대영도에 있는 계라도 어떻게든 달성할 수 있다면, 절대영도에 있는 바닥 상태의 에너지인 양자역학적 영점 에너지를 여전히 가지고 있을 것입니다. 바닥 상태의 운동 에너지는 제거될 수 없습니다.

과학자와 기술자들은 물질이 보스-아인슈타인 응축수, 초전도성, 초유체와 같은 양자 효과를 나타내는 절대영도에 가까운 온도를 일상적으로 달성합니다.

절대영도에 가까운 열역학

0K 근처의 온도(-273.15°C; -459.67°F)에서는 거의 모든 분자 운동이 중단되고 모든 단열 과정에서 δS = 0이 됩니다. 여기서 S는 엔트로피입니다.이러한 상황에서 순수한 물질은 T → 0과 같은 구조적 불완전성 없이 완전한 결정을 형성할 수 있습니다. 열역학 제3법칙의 막스 플랑크의 강한 형태는 완전한 결정의 엔트로피가 절대영도에서 사라진다는 것을 말합니다.원래 네른스트 열 정리는 등온 과정에 대한 엔트로피 변화가 T → 0으로 0에 가까워진다는 더 약하고 논란의 여지가 적은 주장을 만듭니다.

그 의미는 완벽한 결정의 엔트로피가 일정한 값에 근접한다는 것입니다.디아바트는 일정한 엔트로피를 가진 상태로, 일반적으로 그래프에 등온선 및 등온선과 유사한 방식으로 곡선으로 표시됩니다.

네른스트 공준은 등온선 T = 0을 단열선 S = 0과 일치하는 것으로 식별하지만, 다른 등온선과 단열선은 구별됩니다.두 다이아배트가 교차하지 않기 때문에 다른 다이아배트는 T = 0 등온선과 교차할 수 없습니다.결과적으로 0이 아닌 온도에서 시작된 어떤 단열 공정도 0 온도로 이어질 수 없습니다.(≈ 캘런, 페이지 189-190)

완전 결정은 내부 격자 구조가 모든 방향으로 끊김 없이 확장되는 결정입니다.완벽한 순서는 세 개의 (일반적으로 직교하지 않는) 축을 따른 병진 대칭으로 나타낼 수 있습니다.단일 원자이든 분자 그룹이든 구조의 모든 격자 요소는 적절한 위치에 있습니다.다이아몬드 및 탄소용 흑연과 같이 두 개 이상의 안정한 결정형으로 존재하는 물질의 경우 일종의 화학적 퇴화가 있습니다.각각이 완벽하게 순서가 정해졌음에도 불구하고 둘 다 T = 0에서 0의 엔트로피를 가질 수 있는지에 대한 의문이 남아 있습니다.

완벽한 결정은 실제로는 발생하지 않습니다. 불완전성, 심지어 전체 비정질 물질을 포함하는 경우에도 저온에서 "냉동"될 수 있고 발생하지 않기 때문에 보다 안정적인 상태로 전환되지 않습니다.

Debye 모델을 사용하면 순수 결정의 비열과 엔트로피는 T에 비례하고 엔탈피와 화학 퍼텐셜은 T에 비례합니다. (Guggenheim, p. 111) 이 양들은 T = 0 한계값으로 떨어지고 기울기가 0인 접근합니다.적어도 특정 열에 대해서는 10 K 미만으로 실험한 바와 같이 제한 값 자체가 분명히 0입니다.심지어 덜 상세한 아인슈타인 모델도 특정한 열에서 이런 기이한 감소를 보여줍니다.사실, 모든 특정한 열은 결정체의 열만이 아니라 절대영도에서 사라집니다.열팽창 계수에 대해서도 마찬가지입니다.맥스웰의 관계는 다양한 다른 양들도 사라진다는 것을 보여줍니다.이런 현상들은 예상치 못한 것이었습니다.

깁스 자유 에너지(G)의 변화 사이의 관계에서 엔탈피(H)와 엔트로피는

따라서 T가 감소함에 따라 δG와 δH는 서로에게 접근합니다( δS가 경계를 이루는 한).실험적으로, 모든 자발적 과정(화학 반응 포함)은 평형을 향해 진행함에 따라 G의 감소를 초래한다는 것이 밝혀졌습니다.δS 및/또는 T가 작으면 조건 δG < 0은 δH < 0을 의미할 수 있으며, 이는 발열 반응을 나타낼 수 있습니다.그러나 이는 필요하지 않습니다. T δS 항이 충분히 크면 흡열 반응이 자발적으로 진행될 수 있습니다.

또한 δG와 δH의 도함수의 기울기는 수렴하고 T = 0에서 0과 같습니다.이것은 δG와 δH가 상당한 범위의 온도에서 거의 동일함을 보장하며 계가 진행하는 평형 상태가 가장 많은 양의 열을 진화시키는 상태, 즉 실제 과정이 가장 발열적인 상태라는 톰센과 베르텔로의 대략적인 경험적 원리를 정당화합니다. (콜렌, p)p. 186–187)

금속의 절대영도에서 전자 가스의 특성을 추정하는 모델 중 하나가 페르미 가스입니다.페르미온인 전자는 서로 다른 양자 상태에 있어야 하며, 이는 전자가 절대 0에서도 매우 높은 일반적인 속도를 갖도록 유도합니다.전자가 절대영도에서 가질 수 있는 최대 에너지를 페르미 에너지라고 합니다.페르미 온도는 이 최대 에너지를 볼츠만 상수로 나눈 것으로 정의되며, 금속에서 발견되는 전형적인 전자 밀도의 경우 80,000 K입니다.페르미 온도보다 상당히 낮은 온도의 경우, 전자는 절대영도와 거의 같은 방식으로 행동합니다.이것은 19세기 후반에 고전 물리학자들을 피했던 금속에 대한 고전 등분 정리의 실패를 설명합니다.

보스-아인슈타인 응축수와의 관계

주요 기사:보스-아인슈타인 응축수
절대영도보다 몇 십억분의 일 이내의 온도에서 루비듐 원자 기체의 속도-분포 데이터.왼쪽: 보스-아인슈타인 응축수 등장 직전.중심: 응축수가 나타난 직후.오른쪽: 추가 증발 후에 거의 순수한 응축수 샘플을 남깁니다.

보스-아인슈타인 응축수(BEC)는 약한 상호작용을 하는 보손의 희박한 기체가 외부전위에 갇혀 절대영도에 매우 가까운 온도로 냉각된 물질의 상태입니다.이러한 조건에서 보손의 큰 부분이 외부 전위의 가장 낮은 양자 상태를 차지하며, 이때 양자 효과는 거시적인 규모로 명백해집니다.[5]

이 물질의 상태는 1924-25년 사이에 Satyendra Nath Bose와 Albert Einstein에 의해 처음으로 예측되었습니다.보스는 처음에 아인슈타인에게 빛 양자의 양자 통계에 관한 논문을 보냈습니다.아인슈타인은 감명을 받았고, 논문을 영어에서 독일어로 번역해서 보즈를 위해 Zeitschrift für Physik에 제출했고, 그것을 출판했습니다.아인슈타인은 보스의 아이디어를 두 개의 다른 논문에서 물질 입자(또는 물질)로 확장했습니다.[6]

70년 후인 1995년, 볼더 NIST-JILA 연구소에 있는 콜로라도 대학교의 Eric Cornell과 Carl Wieman에 의해 최초의 기체 응축수가 생산되었습니다. 이는 루비듐 원자의 기체를 170 나노켈빈(nK)([7]1.7 x−7 10K)으로 냉각하여 사용했습니다.[8]

나트륨 원자의 BEC에서 450 ± 80 피코켈빈(pK)(4.5 x 10−10 K)의 기록적인 저온은 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 연구원들에 의해 2003년에 달성되었습니다.[9]이와 관련된 흑체(최대 방출) 파장은 대략 지구 반경 6,400 킬로미터 정도입니다.

절대온도척도

절대 온도 또는 열역학적 온도는 일반적으로 켈빈(섭씨 척도 증분)[1]과 랭킨 척도(화씨 척도 증분)로 측정되며, 희귀도가 증가합니다.절대 온도 측정은 도의 크기를 지정하는 곱셈 상수에 의해 고유하게 결정되므로 두 절대 온도의 비율인 T2/T는1 모든 척도에서 동일합니다.이 표준의 가장 투명한 정의는 맥스웰-볼츠만 분포에서 나옵니다.페르미-디랙 통계(반 정수 스핀 입자의 경우)와 보스-아인슈타인 통계(정수 스핀 입자의 경우)에서도 찾아볼 수 있습니다.이 모든 것은 kT에 대한 (입자 수준에서) 에너지의 지수 함수가 감소하는 것으로 시스템에서 입자의 상대적인 수를 정의하며, k는 볼츠만 상수를 나타내고 T는 거시 수준에서 관찰된 온도를 나타냅니다.[citation needed]

음의 온도

주요 기사:음온

익숙한 섭씨나 화씨 눈금에서 음수로 표시되는 온도는 해당 눈금의 0점보다 더 차갑습니다.특정 계는 진정으로 음의 온도를 얻을 수 있습니다. 즉, 열역학적 온도(켈빈으로 표현)는 음의 양이 될 수 있습니다.진정으로 음의 온도를 가진 계는 절대영도보다 차갑지 않습니다.오히려 음의 온도를 가진 계는 음의 온도를 가진 계보다 더 뜨겁습니다. 음의 온도를 가진 계와 양의 온도를 가진 계가 접촉하면 열이 음의 온도에서 양의 온도를 가진 계로 흐르게 된다는 점에서 말입니다.[10]

대부분의 친숙한 시스템은 에너지를 더하면 엔트로피가 증가하기 때문에 음의 온도를 얻을 수 없습니다.그러나, 어떤 계들은 그것들이 보유할 수 있는 최대 에너지를 가지고 있고, 그것들이 그 최대 에너지에 접근함에 따라 그것들의 엔트로피는 실제로 감소하기 시작합니다.온도는 에너지와 엔트로피 사이의 관계에 의해 결정되기 때문에, 에너지가 더해지더라도 그러한 시스템의 온도는 음이 됩니다.[10]결과적으로, 음의 온도에 있는 시스템의 상태에 대한 볼츠만 인자는 상태 에너지가 증가함에 따라 감소하는 것이 아니라 증가합니다.따라서 전자기 모드를 포함한 어떤 완전한 시스템도 음의 온도를 가질 수 없습니다.[citation needed] 최고 에너지 상태가 없기 때문에 음의 온도에 대해 상태의 확률의 합이 발산될 것이기 때문입니다.그러나 준평형 시스템(예: 전자기장과 평형을 벗어난 스핀)의 경우 이 주장이 적용되지 않으며 음의 유효 온도를 얻을 수 있습니다.

2013년 1월 3일, 물리학자들은 운동 자유도에서 음의 온도를 가진 칼륨 원자로 구성된 양자 기체를 처음으로 만들었다고 발표했습니다.[11]

역사

로버트 보일은 절대영도의 아이디어를 개척했습니다.

로버트 보일은 절대 최소 온도의 가능성을 처음으로 논의했습니다.그의 1665년 추위에 대한 새로운 실험과 관찰은 프리멈 프리기덤으로 알려진 논쟁을 분명히 했습니다.[12]그 개념은 당시의 자연주의자들 사이에서 잘 알려져 있었습니다.어떤 사람들은 지구 안에서 (4가지 고전적인 원소 중 하나로) 절대 최저 온도가 발생한다고 주장했고, 다른 사람들은 물 안에서, 다른 사람들은 공기에서, 그리고 더 최근에는 질산염 안에서 발생했다고 주장했습니다.그러나 그들 모두는 "그 자체의 성질이 극도로 차갑고 다른 모든 신체가 참여함으로써 그 자질을 얻는 어떤 신체나 다른 신체가 있다"는 데 동의하는 것처럼 보였습니다.[13]

"한기 정도"로 제한

가능한 추위의 정도에 한계가 있는지, 만약 그렇다면 영점이 어디에 놓여야 하는지에 대한 문제는 1702년 프랑스 물리학자 기욤 아몽톤스가 공기 온도계의 개선과 관련하여 처음 언급했습니다.그의 기구는 특정한 공기 덩어리가 수은 기둥을 지탱하는 높이, 즉 온도에 따라 변하는 공기의 부피 또는 "스프링"으로 온도를 나타냈습니다.그러므로 아몬톤스는 그의 온도계의 0은 공기의 샘이 무로 줄어드는 온도가 될 것이라고 주장했습니다.그는 물의 끓는점을 +73, 얼음의 녹는점을 +로 표시한 눈금을 사용했습니다.51+1 ⁄2이므로 0은 섭씨 스케일에서 약 -240에 해당합니다.A몬톤은 절대 0에 도달할 수 없으므로 절대 0을 명시적으로 계산하려고 시도하지 않았습니다.[15]1740년 조지 마르티네가 발표한 영하 240°C, 즉 "냉동수의 추위 아래의 화씨 온도계 431도".[16]

공기 온도계의 영점에 대한 현대적인 값 -273.15°C에[1] 근접한 이 근사치는 -270°C(-[17]454.00°F; 3.15K)가 절대 추위로 간주될 수 있다는 것을 1779년 요한 하인리히 램버트에 의해 더욱 향상되었습니다.

그러나 절대 0에 대한 이 차수의 값은 이 기간에 대해 보편적으로 인정되지 않았습니다.피에르-시몽 라플라스와 앙투안 라부아지에는 1780년 열에 관한 논문에서 물의 빙점 아래 1,500에서 3,000 사이의 값에 도달했고, 어떤 경우에도 적어도 600 아래에 있어야 한다고 생각했습니다.존 돌턴은 그의 화학철학에서 이 값에 대한 10개의 계산을 제시했고, 마침내 -3,000 °C를 온도의 자연영도로 채택했습니다.

찰스의 법칙

1787년부터 1802년까지 Jacques Charles (미출판), John Dalton,[18] Joseph Louis Gay-Lussac에[19] 의해 일정한 압력에서 이상기체는 섭씨 0도에서 100도 사이에서 섭씨 1도당 약 1/273만큼 부피가 선형적으로 팽창하거나 수축한다는 것이 밝혀졌습니다.이는 약 -273°C에서 냉각된 기체의 부피가 0에 도달할 것이라는 것을 의미합니다.

켈빈 경의 업적

James Prescott Joule이 열의 기계적 등가성을 결정한 후, Kelvin 경은 전혀 다른 관점에서 질문에 접근했습니다.그리고 1848년에 어떤 특정한 물질의 성질에도 독립적인 절대 온도 척도를 고안했고, 열의 동력에 대한 카르노의 이론과 앙리 빅토르 레노가 발표한 자료에 기초했습니다.[20]이는 이 척도가 구성된 원리로부터 공기량이 "아무것도"에 도달하지 않는 [14]공기 온도계의 0과 거의 정확하게 동일한 지점인 -273°C에 0이 위치한다는 것을 따랐습니다.이 값은 즉시 받아들여지지 않았고, 실험실 측정과 천문학적 굴절의 관측을 통해 도출된 -271.1 °C(-455.98 °F)에서 -274.5 °C(-462.10 °F) 사이의 값은 20세기 초에도 계속 사용되었습니다.[21]

절대영도로 가는 경주

참고 항목:저온기술연표
라이덴의 기념패

절대영도에 대한 더 나은 이론적 이해로, 과학자들은 실험실에서 이 온도에 도달하기를 열망했습니다.[22]1845년까지 마이클 패러데이는 존재하는 것으로 알려진 대부분의 가스를 액화하는 데 성공했고 -130 °C (-202 °F; 143 K)에 도달하여 최저 온도 기록을 갱신했습니다.패러데이는 산소, 질소, 수소와 같은 특정 가스는 영구적인 가스이기 때문에 액화될 수 없다고 믿었습니다.[23]수십 년 후, 1873년에 네덜란드의 이론 과학자 Johannes Diderik van der Waals는 이 가스들이 매우 높은 압력과 매우 낮은 온도의 조건에서만 액화될 수 있다는 것을 증명했습니다.1877년, 프랑스의 Louis Paul Cailletet와 스위스의 Raoul Pictet는 최초의 액체 공기 방울 -195 °C (-319.0 °F; 78.1 K)을 만드는 데 성공했습니다.1883년 폴란드의 지그문트 브로블레프스키(Zygmunt Wóblewski) 교수와 카롤 올제프스키(Karol Olszewski) 교수가 액체 산소 -218 °C(-360.4 °F, 55.1 K)를 생산했습니다.

스코틀랜드의 화학자이자 물리학자인 제임스 드워와 네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오네스는 남아있는 기체인 수소와 헬륨을 액화하는 도전에 나섰습니다.1898년, 20년의 노력 끝에 드워는 최초로 수소를 액화시켜 -252 °C(-421.6 °F; 21.1 K)의 저온 신기록을 세웠습니다.그러나 그의 경쟁자인 카메를링 온네스는 1908년에 몇 가지 예냉 단계와 햄프슨-린드 사이클을 이용하여 헬륨을 최초로 액화시켰습니다.그는 온도를 헬륨 -269 °C (-452.20 °F; 4.15 K)의 끓는점까지 낮췄습니다.액체 헬륨의 압력을 감소시킴으로써, 그는 1.5 K에 가까운 훨씬 더 낮은 온도를 얻었습니다.이것은 그 당시 지구상에서 가장 추운 온도였고 그의 업적은 1913년 노벨상을 받게 해주었습니다.[24]Kamerlingh Onnes는 절대영도 근처의 온도에서 초전도성과 초유체를 처음으로 설명하면서 물질의 특성을 계속 연구할 것입니다.

초저온

센타우루스자리에 있는 쌍극성, 필라멘트 모양의 원시 행성 성운인 부메랑 성운을 떠나는 가스의 급속한 팽창은 실험실 밖에서 관측된 온도 중 가장 낮은 1 K입니다.

오늘날 우주의 평균 온도는 우주 마이크로파 배경 복사를 측정한 결과 약 2.73 켈빈(-454.76 °F) 또는 약 -270.42 °C입니다.[25][26]미래 우주 팽창의 표준 모델은 우주의 평균 온도가 시간이 지남에 따라 감소하고 있다고 예측합니다.[27]이 온도는 공간 내 에너지의 평균 밀도로 계산됩니다. 시간이 지남에 따라 증가한 평균 전자 온도(총 에너지를 입자 수로 나눈 값)와 혼동해서는 안 됩니다.[28]

증발냉각, 냉동냉장고, 희석냉장고,[29] 핵단열자기를 사용하면 가까운 온도에 도달할 수 있지만 절대영도를 달성할 수 없습니다.레이저 냉각의 사용으로 10억분의 1 켈빈 미만의 온도가 생성되었습니다.[30]절대영도 부근의 매우 낮은 온도에서 물질은 초전도성, 초유동성, 보스-아인슈타인 응축을 포함한 많은 특이한 특성을 보입니다.그러한 현상들을 연구하기 위해, 과학자들은 훨씬 더 낮은 온도를 얻기 위해 노력해왔습니다.

  • 2000년 11월, 핀란드 에스포에 있는 헬싱키 공과대학 저온 연구실에서 실험을 위해 100 pK 미만의 핵 스핀 온도가 보고되었습니다.그러나 이 온도는 자유도의 전체 평균 열역학 온도가 아닌 특정한 자유도의 온도, 즉 핵 스핀이라고 불리는 양자적 성질의 온도였습니다.[31][32]
  • 2003년 2월, 부메랑 성운은 지난 1,500년 동안 500,000 km/h (310,000 mph)의 속도로 가스를 방출한 것으로 관측되었습니다.이것은 천문 관측에서 추론한 것처럼 약 1K까지 냉각시켰는데, 이것은 지금까지 기록된 자연 온도 중 가장 낮은 온도입니다.[33]
  • 2003년 11월, 90377 세드나가 발견되었으며 태양계에서 가장 차가운 물체 중 하나입니다.903 천문단위의 극도로 먼 궤도 때문에 평균 표면 온도는 -400°F(-240°C)입니다.[34]
  • 2005년 5월, 유럽 우주국은 펨토켈빈 온도를 달성하기 위한 우주에서의 연구를 제안했습니다.[35]
  • 2006년 5월, 하노버 대학의 양자 광학 연구소는 우주에서 펨토켈빈 연구의 기술과 이점에 대한 세부 사항을 제공했습니다.[36]
  • 2013년 1월, 독일 뮌헨 대학교의 물리학자 울리히 슈나이더는 기체에서 공식적으로 절대영도 이하의 온도에 도달했다고 보고했습니다.가스는 인위적으로 평형상태에서 높은 위치의 에너지 상태로 밀려나지만, 차가운 상태입니다.복사가 방출되면 평형에 접근하여 공식 절대영도에 도달했음에도 불구하고 계속 방출할 수 있으므로 온도는 공식적으로 음수입니다.[37]
  • 2014년 9월, 이탈리아의 라보토리 나치오날리 델 그란사소 연구소의 CUORE 공동연구에 참여한 과학자들은 부피가 1입방미터인 구리 용기를 15일 동안 0.006 켈빈(-273.144 °C; -459.659 °F)으로 냉각시켜, 이와 같이 큰 부피에서 알려진 우주에서 가장 낮은 온도를 기록했습니다.[38]
  • 2015년 6월, MIT의 실험 물리학자들은 칼륨 나트륨 가스로 분자들을 500 나노켈빈의 온도로 냉각시켰는데, 이 분자들을 다소 더 냉각시킴으로써 이국적인 물질 상태를 나타낼 것으로 예상됩니다.[39]
  • 2017년 CAL(Cold Atom Laboratory), 2018년 국제우주정거장(ISS)[40] 발사를 위한 실험기구 개발이 기기는 ISS의 극미중력 환경에서 보스-아인슈타인 응축물을 형성하는 극심한 추운 환경을 조성했습니다.이 우주 기반 실험실에서는 1피코켈빈(10K−12) 정도의 낮은 온도를 얻을 수 있을 것으로 예상되며, 알려지지 않은 양자 역학 현상에 대한 탐색과 가장 기본적인 물리 법칙 중 일부를 시험할 수 있습니다.[41][42]
  • 유효 온도에 대한 현재 세계 기록은 루비듐 보스-아인슈타인 응축물의 물질파 렌즈화를 통해 2021년에 38 피코켈빈(pK) 또는 0.0000000038 켈빈으로 설정되었습니다.[43]

참고 항목

참고문헌

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