La troisième loi de la thermodynamique stipule que lorsqu'une substance se refroidit à une température proche du zéro absolu (-273,15 ° C ou 0 Kelvin), son entropie, qui est une mesure de désordre ou d'incertitude dans le système, se rapproche d'une valeur constante et finie.
Cette loi postule qu'atteindre le zéro absolu nécessiterait un nombre infini d'étapes, étant inaccessible en pratique. De plus, cela suggère que tous les systèmes atteindraient un état d'ordre maximum et de désordre minimum théorique à cette température extrême, ce qui a des implications fondamentales dans des domaines tels que la physique quantique et l'étude de nouveaux matériaux aux propriétés extraordinaires à des températures ultra-basses.
Voici quelques exemples qui illustrent ce principe :
Exemple 1 : Cristaux de glace
Lorsque l'eau se refroidit à des températures proches du zéro absolu, des cristaux de glace se forment. Lorsque la température diminue, les molécules d'eau perdent de l'énergie et s'organisent en une structure hautement ordonnée.
Au zéro absolu, les cristaux de glace atteindraient leur ordre maximum.
Exemple 2 : Supraconductivité
La supraconductivité est un phénomène physique qui se produit dans certains matériaux lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une température critique spécifique. A cette température critique, les matériaux supraconducteurs présentent une propriété unique : la résistance électrique disparaît complètement, permettant à l'électricité de circuler sans perte d'énergie.
La troisième loi de la thermodynamique explique la relation entre la supraconductivité et la réduction de l'entropie à des températures ultra-basses.
Dans des conditions normales, lorsque nous appliquons un courant électrique à travers un conducteur, tel qu'un fil de cuivre, les électrons qui transportent l'électricité se heurtent à des obstacles et entrent en collision avec les ions du matériau, ce qui génère une résistance au flux d'électrons. Cette résistance est responsable de la perte d'énergie sous forme de chaleur et limite l'efficacité des appareils électriques.
Or, dans un matériau supraconducteur, à très basse température proche du zéro absolu, il se passe quelque chose d'étonnant : les électrons forment des "paires de Cooper". Ces paires sont constituées de deux électrons qui se rejoignent et se déplacent ensemble à travers le cristal sans rencontrer de résistance.
Exemple 3 : Hélium liquide
L'hélium, un gaz à température ambiante, devient liquide à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu.
Lorsque l'hélium se refroidit et devient liquide, ses atomes réduisent leur énergie et se déplacent avec moins d'agitation, ce qui entraîne une diminution significative de l'entropie.
Exemple 4 : Condensats de Bose-Einstein
À des températures proches du zéro absolu, certains atomes se collent dans un état d'agrégation spécial appelé condensat de Bose-Einstein.
Dans cet état quantique, les atomes perdent leur individualité et se comportent comme une seule entité quantique. Ce phénomène est possible grâce à la troisième loi de la thermodynamique, qui stipule que l'entropie diminue lorsque des températures extrêmement basses sont atteintes.
Ce phénomène a été prédit par Albert Einstein et le physicien indien Satyendra Nath Bose dans les années 1920. L'idée est basée sur les statistiques quantiques de Bose-Einstein, qui décrivent le comportement de particules identiques et indiscernables, comme les photons de lumière ou les atomes qui composent certains éléments.
Dans des conditions normales, à des températures plus élevées, les particules suivent une distribution statistique de Fermi-Dirac (pour les fermions) ou de Maxwell-Boltzmann (pour les bosons).
Cependant, lorsque les particules sont refroidies à des températures extrêmement basses, leur comportement quantique collectif commence à dominer et elles ont tendance à "s'effondrer" dans l'état d'énergie le plus bas possible. À ce stade, un grand nombre de particules occupent un seul état quantique, formant ce que l'on appelle le condensat de Bose-Einstein.
Dans cet état quantique, les particules perdent leur individualité et se comportent comme une "superparticule" collective, aux propriétés quantiques macroscopiques. Toute substance devient une seule entité quantique
Exemple 5 : Hélium solide
À des températures proches du zéro absolu, l'hélium liquide peut également se solidifier. À l'état solide, l'hélium présente un comportement inhabituel tel que la superfluidité, où il peut s'écouler sans résistance à travers des capillaires extrêmement étroits, défiant les lois classiques de la physique.
Exemple 6 : Glace carbonique
La neige carbonique est du dioxyde de carbone (CO2) à l'état solide à des températures bien inférieures au point de congélation de l'eau. Contrairement à l'eau, qui gèle à 0 °C, le CO2 se solidifie directement sous forme de neige carbonique à -78,5 °C (-109,3 °F) à pression atmosphérique normale.
Lorsque la neige carbonique est à des températures proches du zéro absolu, elle se comporte de la même manière que les autres solides à ces températures extrêmement basses. Les molécules de CO2 qui composent la neige carbonique voient leur énergie cinétique considérablement réduite, ce qui entraîne une structure hautement ordonnée et une diminution significative de l'entropie. Dans cet état, la neige carbonique atteindrait son ordre thermique maximal possible à température ambiante.
La neige carbonique est largement utilisée dans des applications comme réfrigérant, dans l'industrie alimentaire, dans le transport de matériaux sensibles à la chaleur et comme effet spécial dans l'industrie du théâtre et du divertissement.
