(Phys.org)—Nel 1912, il chimico Walther Nernst ha proposto che il raffreddamento di un oggetto allo zero assoluto sia impossibile con una quantità finita di tempo e risorse. Oggi questa idea, chiamato principio di irraggiungibilità, è la versione più ampiamente accettata della terza legge della termodinamica, ma finora non è stata dimostrata dai primi principi.

Ora per la prima volta, i fisici Lluís Masanes e Jonathan Oppenheim dell'University College di Londra hanno derivato la terza legge della termodinamica dai principi primi. Dopo più di 100 anni, il risultato mette infine la terza legge sullo stesso piano della prima e della seconda legge della termodinamica, entrambi già provati.

"L'obiettivo della fisica fondamentale è derivare tutte le leggi della natura e descrivere tutti i fenomeni assumendo solo un piccolo insieme di principi (come la meccanica quantistica, il Modello Standard della fisica delle particelle, eccetera.), "Masanes ha detto Phys.org . "E questo è quello che facciamo. Inoltre, questa derivazione svela le forti connessioni tra i limiti del raffreddamento, la positività della capacità termica, la reversibilità della dinamica microscopica, ecc. Personalmente, Mi piace che tutta la termodinamica (inclusa la terza legge) sia stata derivata da principi più fondamentali."

Per dimostrare la terza legge, i fisici usavano idee dall'informatica e dalla teoria dell'informazione quantistica. Là, un problema comune è determinare la quantità di risorse necessarie per eseguire un determinato compito. Quando applicato al raffreddamento, la domanda diventa quanto lavoro deve essere fatto e quanto deve essere grande il serbatoio di raffreddamento per raffreddare un oggetto fino allo zero assoluto (0 Kelvin, -273.15°C, o -459,67°F)?

I fisici hanno dimostrato che il raffreddamento di un sistema allo zero assoluto richiede una quantità infinita di lavoro o un serbatoio infinito. Questa scoperta è in accordo con la spiegazione fisica ampiamente accettata dell'irraggiungibilità dello zero assoluto:quando la temperatura si avvicina allo zero, l'entropia (disordine) del sistema tende a zero, e non è possibile preparare un sistema in uno stato di zero entropia in un numero finito di passi.

Il nuovo risultato ha portato i fisici a una seconda domanda:se non possiamo raggiungere lo zero assoluto, allora quanto possiamo avvicinarci (con tempo e risorse finiti)? Si scopre che la risposta è più vicina di quanto ci si potrebbe aspettare. Gli scienziati hanno dimostrato che si possono ottenere temperature più basse solo con un modesto aumento delle risorse. Eppure hanno anche mostrato che qui ci sono dei limiti, anche. Per esempio, un sistema non può essere raffreddato in modo esponenziale rapidamente, poiché ciò comporterebbe una capacità termica negativa, che è un'impossibilità fisica.

Una delle belle caratteristiche della nuova dimostrazione è che si applica non solo a grandi, sistemi classici (di cui solitamente si occupa la termodinamica tradizionale), ma anche ai sistemi quantistici ea qualsiasi tipo immaginabile di processo di raffreddamento.

Per questa ragione, i risultati hanno implicazioni teoriche diffuse. Il raffreddamento a temperature molto basse è un componente chiave in molte tecnologie, come i computer quantistici, simulazioni quantistiche, e misurazioni di alta precisione. Capire cosa serve per avvicinarsi allo zero assoluto potrebbe aiutare a guidare lo sviluppo e l'ottimizzazione dei futuri protocolli di raffreddamento per queste applicazioni.

"Ora che abbiamo una migliore comprensione dei limiti del raffreddamento, Vorrei ottimizzare i metodi di raffreddamento esistenti o inventarne di nuovi, " disse Masane.

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