(Phys.org)—In 1912, scheikundige Walther Nernst stelde voor dat het afkoelen van een object tot het absolute nulpunt onmogelijk is met een eindige hoeveelheid tijd en middelen. Vandaag dit idee, het onbereikbaarheidsprincipe genoemd, is de meest algemeen aanvaarde versie van de derde wet van de thermodynamica - maar tot nu toe is het niet bewezen vanuit de eerste principes.

Nu voor het eerst, natuurkundigen Lluís Masanes en Jonathan Oppenheim van het University College of London hebben de derde wet van de thermodynamica afgeleid van de eerste principes. Na meer dan 100 jaar, het resultaat plaatst uiteindelijk de derde wet op dezelfde voet als de eerste en tweede wet van de thermodynamica, beide zijn al bewezen.

"Het doel van de fundamentele fysica is om alle natuurwetten af ​​te leiden en alle verschijnselen te beschrijven door slechts een klein aantal principes aan te nemen (zoals kwantummechanica, het standaardmodel van deeltjesfysica, enzovoort.), " vertelde Masanes Phys.org . “En dat is wat we doen. Daarnaast deze afleiding onthult de sterke verbanden tussen de beperkingen van koeling, de positiviteit van de warmtecapaciteit, de omkeerbaarheid van microscopische dynamica, enz. Persoonlijk, Ik vind het geweldig dat de hele thermodynamica (inclusief de derde wet) is afgeleid van meer fundamentele principes."

Om de derde wet te bewijzen, de natuurkundigen gebruikten ideeën uit de informatica en de kwantuminformatietheorie. Daar, een veelvoorkomend probleem is het bepalen van de hoeveelheid middelen die nodig zijn om een ​​bepaalde taak uit te voeren. Wanneer toegepast op koeling, de vraag is hoeveel werk er moet worden verzet en hoe groot het koelreservoir moet zijn om een ​​object af te koelen tot het absolute nulpunt (0 Kelvin, -273,15 °C, of -459,67°F)?

De natuurkundigen toonden aan dat het koelen van een systeem tot het absolute nulpunt ofwel een oneindige hoeveelheid werk ofwel een oneindig reservoir vereist. Deze bevinding is in overeenstemming met de algemeen aanvaarde fysieke verklaring van de onbereikbaarheid van het absolute nulpunt:naarmate de temperatuur nul nadert, de entropie (wanorde) van het systeem nadert nul, en het is niet mogelijk om een ​​systeem in een toestand van nul entropie in een eindig aantal stappen voor te bereiden.

Het nieuwe resultaat leidde de natuurkundigen tot een tweede vraag:als we het absolute nulpunt niet kunnen bereiken, hoe dicht kunnen we dan komen (met eindige tijd en middelen)? Het blijkt dat het antwoord dichterbij is dan verwacht. De wetenschappers toonden aan dat lagere temperaturen kunnen worden bereikt met slechts een bescheiden toename van middelen. Toch lieten ze ook zien dat hier grenzen zijn, ook. Bijvoorbeeld, een systeem kan niet exponentieel snel worden gekoeld, aangezien dit zou resulteren in een negatieve warmtecapaciteit, wat een fysieke onmogelijkheid is.

Een van de leuke kenmerken van het nieuwe bewijs is dat het niet alleen van toepassing is op grote, klassieke systemen (waar de traditionele thermodynamica zich meestal mee bezighoudt), maar ook voor kwantumsystemen en voor elk denkbaar type koelproces.

Om deze reden, de resultaten hebben wijdverbreide theoretische implicaties. Koelen tot zeer lage temperaturen is een belangrijk onderdeel van veel technologieën, zoals kwantumcomputers, kwantumsimulaties, en zeer nauwkeurige metingen. Als u begrijpt wat er nodig is om dicht bij het absolute nulpunt te komen, kan dit helpen bij de ontwikkeling en optimalisatie van toekomstige koelprotocollen voor deze toepassingen.

"Nu we de beperkingen van koeling beter begrijpen, Ik wil de bestaande koelmethodes optimaliseren of nieuwe bedenken, ' zei Masanes.

© 2017 Fys.org