절대 영도

3. 특징

절대 영도에서는 모든 입자들이 운동 에너지가 최소인 상태로 축퇴되어 엔트로피는 0으로 정의된다.(열역학 제3법칙) 물리학에서 온도는 엔트로피를 에너지로 편미분한 값의 역수로 정의한다. 따라서 미시계에서는 상황에 따라 켈빈 온도가 음수가 될 수 있다. 이때 온도는 절대영도가 가장 낮고, 그 다음이 양의 값을 갖는 온도, 양의 무한대 값을 갖는 온도(음의 무한대 값과 동일), 그리고 음의 값을 갖는 온도 순서이다.

온도는 물질의 열진동을 기준으로 정의되므로 하한이 존재하는데, 열진동(원자의 진동)이 작아지고 에너지가 최저가 된 상태가 바로 '''절대영도'''이다. 고전역학에서는 에너지가 최저 상태일 때 원자의 진동이 완전히 멈춘다고 보지만, 양자역학에서는 불확정성 원리 때문에 원자가 영점 진동을 한다.

열역학 제3법칙에 따르면, 0 K보다 큰 온도를 가진 물질을 유한 번의 조작으로 절대영도로 만들 수 없다.

절대영도에 가까운 극저온에서는 더 높은 온도에서 볼 수 없는 현상들이 나타나며, 이를 다루는 분야를 저온물리학이라고 한다.

이상기체의 경우, 상태 방정식에 의해 0K에서 압력 또는 부피가 0이 된다.

3. 1. 초전도 현상

4. 절대 영도 부근의 열역학

막스 플랑크의 열역학 제3법칙에 따르면, 완전 결정의 엔트로피는 절대 영도에서 0이 된다.^[48] 이는 절대 영도(0 K) 근처에서는 거의 모든 분자 운동이 멈추고, 임의의 단열 과정에서 엔트로피 변화(Δ''S'')가 0이 되기 때문이다. 이때 순수 물질은 (이상적으로) 구조적 결함이 없는 완전 결정을 형성할 수 있다. 발터 네른스트의 ''열정리''는 임의의 등온 과정에서 엔트로피 변화가 ''T'' → 0일 때 0에 접근한다고 주장한다.

:$\backslash lim\_\{T\; \backslash to\; 0\}\; \backslash Delta\; S\; =\; 0$

이는 완전 결정의 엔트로피가 일정한 값에 접근한다는 의미이다. 여기서 단열선은 엔트로피가 일정한 상태이며, 등온선, 등압선과 유사하게 표현된다.

하지만 완전 결정은 실제로 존재하지 않는다.^[48] 불완전성, 비정질 물질 포함 등으로 인해 저온에서 "고정"될 수 있으며, 안정적인 상태로 전이되지 않는다.

데바이 모델에 따르면, 순수 결정의 비열과 엔트로피는 ''T''³에 비례하고, 엔탈피와 화학 퍼텐셜은 ''T''⁴에 비례한다.^[48] 이 값들은 ''T'' = 0에서 0의 기울기로 접근한다. 아인슈타인 모델도 비열의 감소를 보여준다. 절대 영도에서는 결정뿐 아니라 모든 물질의 비열, 열팽창 계수 등이 사라진다.

깁스 자유 에너지(''G''), 엔탈피(''H''), 엔트로피 변화(ΔS) 관계는 다음과 같다.

:$\backslash Delta\; G\; =\; \backslash Delta\; H\; -\; T\; \backslash Delta\; S\; \backslash ,$

''T''가 감소하면 Δ''G''와 Δ''H''는 서로 접근한다(Δ''S''가 경계). 실험적으로 모든 자발적 과정(화학 반응 포함)은 평형으로 진행될 때 ''G''가 감소한다. Δ''S''나 ''T''가 작으면 Δ''G'' < 0, 즉 Δ''H'' < 0 ( 발열 반응)이 될 수 있다. 그러나 ''T''Δ''S'' 항이 크면 흡열 반응도 자발적으로 일어날 수 있다.

Δ''G''와 Δ''H''의 도함수 기울기는 ''T'' = 0에서 0으로 수렴한다. 이는 Δ''G''와 Δ''H''가 넓은 온도 범위에서 거의 같음을 의미하며, 톰센과 베르텔로의 "평형 상태는 가장 많은 열을 발생시키는 상태"라는 경험적 원리를 뒷받침한다.

5. 보스-아인슈타인 응축과의 관계

6. 절대 온도 척도

절대 온도 또는 열역학적 온도는 관례적으로 켈빈(섭씨 눈금 단위)^[1]과 점점 드물어지고 있는 랭킨 눈금(화씨 눈금 단위)으로 측정된다. 절대 온도 측정은 온도 단위의 크기를 지정하는 상수에 의해 고유하게 결정되므로 두 절대 온도의 비율, ''T''₂/''T''₁은 모든 눈금에서 동일하다. 이 표준에 대한 가장 명확한 정의는 맥스웰-볼츠만 분포에서 나온다. 이는 페르미-디랙 통계(반정수 스핀을 가진 입자의 경우)와 보즈-아인슈타인 통계(정수 스핀을 가진 입자의 경우)에서도 찾을 수 있다. 이 모든 경우는 계 내 입자의 상대적인 수를 에너지(입자 수준)에 대한 지수 함수의 감소 함수로 ''kT''에 따라 정의한다. 여기서 ''k''는 볼츠만 상수를, ''T''는 거시적 수준에서 관찰되는 온도를 나타낸다.

7. 음의 온도

섭씨나 화씨 눈금에서 음수로 표현되는 온도는 단순히 해당 눈금의 영점보다 차가운 것을 의미한다. 하지만 특정 계는 진정한 음의 온도를 달성할 수 있다. 즉, 그들의 열역학적 온도(켈빈으로 표현)가 음수가 될 수 있다. 진정한 음의 온도를 가진 계는 절대 영도보다 차갑지 않다. 오히려 음의 온도를 가진 계는 양의 온도를 가진 어떤 계보다 뜨겁다. 음의 온도 계와 양의 온도 계가 접촉하면 열이 음의 온도 계에서 양의 온도 계로 이동하기 때문이다.^[10]

대부분의 익숙한 계는 에너지를 더하면 항상 엔트로피가 증가하기 때문에 음의 온도를 달성할 수 없다. 하지만 일부 계는 가질 수 있는 에너지의 최대량이 있으며, 그 최대 에너지에 접근함에 따라 엔트로피가 실제로 감소하기 시작한다. 온도는 에너지와 엔트로피의 관계에 의해 정의되므로, 이러한 계의 온도는 에너지가 추가되더라도 음수가 된다.^[10] 결과적으로, 음의 온도를 가진 계의 상태에 대한 볼츠만 인자는 상태 에너지가 증가함에 따라 감소하는 대신 증가한다. 따라서 전자기 모드를 포함한 완전한 계는 음의 온도를 가질 수 없다.

하지만 준평형 계(예: 전자기장과 평형을 이루지 않은 스핀)의 경우 이러한 주장은 적용되지 않으며 음의 유효 온도를 달성할 수 있다.

2013년 1월 3일, 물리학자들은 운동 자유도에서 음의 온도를 가진 칼륨 원자로 구성된 양자 기체를 최초로 생성했다고 발표했다.^[11]

8. 역사

로버트 보일(Robert Boyle)은 절대 최저 온도의 가능성에 대해 논의한 최초의 인물 중 한 명이다. 1665년 저서 ''냉기에 대한 새로운 실험과 관찰(New Experiments and Observations touching Cold)''에서 ''프리뭄 프리지둠(primum frigidum)'' 논쟁을 명확히 했다.^[12] 당시 자연주의자들은 절대 최저 온도가 지구, 물, 공기, 초석(nitre) 중 어디에서 발생하는지에 대해 논쟁했지만, "그 자체로 최고로 차갑고, 다른 모든 물체가 그 특성을 얻는 데 참여하는 어떤 물체가 있다"는 데는 동의했다.^[13]

9. 극저온 연구

섭씨 -273.15°C, 화씨 -459.67°F에 해당하는 절대 영도에 가까운 극저온 상태에서는 초전도 현상과 초유동 현상이 나타난다.^[48] 이러한 극저온 연구를 위해 과학자들은 다양한 기술을 사용해왔다.

레이저 냉각은 10억 분의 1 켈빈 미만의 온도를 생성하는 데 사용된다.^[31] 그 외에도 증발 냉각, 극저온 냉각기, 희석 냉장고,^[30] 핵 단열 감자를 사용하여 절대 영도에 가까운 온도에 도달하는 것이 가능하다.

1999년 로듐을 이용한 냉각 기법으로 100 피코켈빈(pK)의 온도가 기록되었다.^[48] 2000년 11월, 헬싱키 공과대학교 저온 연구소의 실험에서는 100 pK 미만의 핵 스핀 온도가 보고되었으나, 이는 특정 자유도의 온도였고 전체 평균 열역학적 온도는 아니었다.^[32][33] 2021년에는 루비듐 보스-아인슈타인 응축의 물질파 렌즈를 통해 38 피코켈빈의 효과적인 온도가 기록되었다.^[44]

2015년 6월, MIT의 실험 물리학자들은 나트륨 칼륨 기체의 분자를 500 나노켈빈의 온도로 냉각했으며, 이 분자들을 더 냉각하여 물질의 이국적인 상태를 나타낼 것으로 예상했다.^[40]

참조

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