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Le zéro absolu est bien hors de portée
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Le zéro absolu est bien hors de portée

Le troisième principe de la thermodynamique, qui implique l’impossibilité de refroidir un système jusqu’au zéro absolu (–273,15 °C), a souvent été contesté faute d’une démonstration solide. Le sujet est d’autant plus crucial et d’actualité que la tendance à étudier des systèmes quantiques microscopiques amène à se poser la question de la définition de la température pour ces systèmes. En effet, de nombreux dispositifs quantiques requièrent d’être refroidis à des températures proches du zéro absolu, comme certains matériaux qui deviennent supraconducteurs à basse température. Cela a conduit les physiciens à repenser les principes de la thermodynamique, établis entre le XIXe et le XXe siècles. Mais si les deux premiers principes (conservation de l’énergie, irréversibilité des phénomènes physiques avec échange thermique) reposaient sur des fondations robustes, il n’en était pas autant du troisième principe. Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim, de l’University College de Londres, ont proposé une nouvelle démonstration de ce principe qui a l’intérêt de se généraliser à des systèmes quantiques.

Le troisième principe de la thermodynamique a été formulé de diverses façons. En 1906, le physicien et chimiste allemand Walther Nernst l'énonce de la façon suivante : l’entropie (une grandeur qui caractérise le désordre du système) d’un système à zéro kelvin est une constante bien définie (et serait exactement nulle pour un cristal parfait). En 1912, il en donne une autre formulation, qui est une conséquence de la précédente : il n’existe aucune procédure capable de refroidir un système à zéro kelvin en un nombre fini d’étapes, donc dans un temps fini. Faute d’une preuve fondée sur des arguments fondamentaux, la validité de ce principe a souvent été contestée, notamment par Albert Einstein mais aussi par des physiciens proposant des protocoles de refroidissement.

L’approche adoptée par Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim est d’exprimer la température du système que l'on veut refroidir en fonction de la durée, qui peut être atteinte indépendamment du protocole choisi (celui-ci peut être quantique). Pour l’établir, les deux chercheurs ont transposé le problème de la thermodynamique à celui de la théorie de l’information quantique. En effet, il existe de grandes similarités entre la notion d’entropie physique de la thermodynamique et d’entropie mathématique en théorie de l’information telle que développée par Claude Shannon et poursuivie par Andreï Kolmogorov. Les chercheurs ont comparé une machine thermique, qui refroidit un système en transférant son énergie dans un réservoir, à un ordinateur universel de Turing effectuant des calculs. Par cette procédure, ils ont pu quantifier de façon rigoureuse la température qui peut être atteinte en un temps fini.

Comme on peut s’y attendre, un système fixe, de taille finie, ne peut transférer qu’une certaine quantité d’énergie en un temps fini. Et en un temps fini, un tel système ne peut exploiter un réservoir de taille infinie pour y transférer son énergie. De plus, la vitesse de transfert diminue à mesure que la température se rapproche du zéro absolu, de sorte qu’il est impossible d’atteindre le zéro absolu. Les chercheurs confirment donc l’énoncé du troisième principe de la thermodynamique en consolidant et en généralisant sa démonstration.


Source : Pour la science
Crédit : Shutterstock.com/Kondor83

Certains dispositifs nécessitent d’être refroidis, par exemple à l’aide d’azote liquide. Mais pourrait-on aller jusqu’au zéro absolu ? Il semble bien que non.

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Le zéro absolu est bien hors de portée

Le troisième principe de la thermodynamique, qui implique l’impossibilité de refroidir un système jusqu’au zéro absolu (–273,15 °C), a souvent été contesté faute d’une démonstration solide. Le sujet est d’autant plus crucial et d’actualité que la tendance à étudier des systèmes quantiques microscopiques amène à se poser la question de la définition de la température pour ces systèmes. En effet, de nombreux dispositifs quantiques requièrent d’être refroidis à des températures proches du zéro absolu, comme certains matériaux qui deviennent supraconducteurs à basse température. Cela a conduit les physiciens à repenser les principes de la thermodynamique, établis entre le XIXe et le XXe siècles. Mais si les deux premiers principes (conservation de l’énergie, irréversibilité des phénomènes physiques avec échange thermique) reposaient sur des fondations robustes, il n’en était pas autant du troisième principe. Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim, de l’University College de Londres, ont proposé une nouvelle démonstration de ce principe qui a l’intérêt de se généraliser à des systèmes quantiques.

Le troisième principe de la thermodynamique a été formulé de diverses façons. En 1906, le physicien et chimiste allemand Walther Nernst l'énonce de la façon suivante : l’entropie (une grandeur qui caractérise le désordre du système) d’un système à zéro kelvin est une constante bien définie (et serait exactement nulle pour un cristal parfait). En 1912, il en donne une autre formulation, qui est une conséquence de la précédente : il n’existe aucune procédure capable de refroidir un système à zéro kelvin en un nombre fini d’étapes, donc dans un temps fini. Faute d’une preuve fondée sur des arguments fondamentaux, la validité de ce principe a souvent été contestée, notamment par Albert Einstein mais aussi par des physiciens proposant des protocoles de refroidissement.

L’approche adoptée par Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim est d’exprimer la température du système que l'on veut refroidir en fonction de la durée, qui peut être atteinte indépendamment du protocole choisi (celui-ci peut être quantique). Pour l’établir, les deux chercheurs ont transposé le problème de la thermodynamique à celui de la théorie de l’information quantique. En effet, il existe de grandes similarités entre la notion d’entropie physique de la thermodynamique et d’entropie mathématique en théorie de l’information telle que développée par Claude Shannon et poursuivie par Andreï Kolmogorov. Les chercheurs ont comparé une machine thermique, qui refroidit un système en transférant son énergie dans un réservoir, à un ordinateur universel de Turing effectuant des calculs. Par cette procédure, ils ont pu quantifier de façon rigoureuse la température qui peut être atteinte en un temps fini.

Comme on peut s’y attendre, un système fixe, de taille finie, ne peut transférer qu’une certaine quantité d’énergie en un temps fini. Et en un temps fini, un tel système ne peut exploiter un réservoir de taille infinie pour y transférer son énergie. De plus, la vitesse de transfert diminue à mesure que la température se rapproche du zéro absolu, de sorte qu’il est impossible d’atteindre le zéro absolu. Les chercheurs confirment donc l’énoncé du troisième principe de la thermodynamique en consolidant et en généralisant sa démonstration.


Source : Pour la science
Crédit : Shutterstock.com/Kondor83

Certains dispositifs nécessitent d’être refroidis, par exemple à l’aide d’azote liquide. Mais pourrait-on aller jusqu’au zéro absolu ? Il semble bien que non.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .

13 - Bouches du Rhône

Du 7 au 15 janvier 2021

BALADES EN MER
CONGRÈS MONDIAL DE LA NATURE DE L’UICN

Lors de ce rendez vous, des balades en mer à bord de l'Hélios, la seule vedette à passagers hybride de la compagnie Marseillaise ICARD MARITME, seront organisées par : Le parc National de la Côte Bleue : 10 juin - Le conservatoire du littoral : 11 & 16 juin - Le parc National des Calanques : 15 & 20 juin.

1 quai Marcel Pagnol
13007 Marseille
04 91 330 329
www.iucncongress2020


21 - Côte d'Or

Du 3 juillet au 2 janvier 2022

EXPOSITION
"AU COEUR DES SAISONS"

Et si on prenait le temps de regarder passer les saisons, de vivre à leur rythme, de redécouvrir le plaisir d'observer la Nature et ses changements.
Cette nouvelle exposition, conçue et réalisée par le Jardin des sciences et Biodiversité, vous plonge « Au coeur des saisons », de façon ludique et accessible à tous les publics, en famille comme entre amis…

Jardin des sciences & biodiversité
Jardin de l’Arquebuse
14 rue Jehan de Marville & 1 avenue Albert 1er
21000 DIJON
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


34 - Hérault

Du 26 septembre au 28 février 2021

EXPOSITION
"DERNIERS IMPRESSIONNISTES"

Des paysages maritimes de la Bretagne aux plaisirs des plages de la Belle Époque, des paysages urbains ou champêtres aux portraits virtuoses, partez sur les pas des peintres intimistes ayant tous respiré le parfum de l’impressionnisme.
Riche de 70 peintures et d’une trentaine de dessins ou lithographies, l’exposition qui fait étape à Lodève est la première en France à rendre à ce courant l’importance qui lui revient.

Musée de Lodève
Square George Auric
34700 Lodève
04 67 88 86 10
www.museedelodeve.fr


45 - Loiret

Les 4 juillet et 22 août

VISITES
"ART DES JARDINS"

Art de vivre et Nouvelles Renaissances en Val-de-Loire.
L’Arboretum des Grandes Bruyères, « Jardin Remarquable » vous présentant pas moins de 5 types de jardins, vous invite à découvrir leur histoire et leurs spécificités.
Visite guidée à 15h. Inscription obligatoire, nombre de participants limité.

Arboretum des Grandes Bruyères
45450 Ingrannes
02 38 57 28 24
www.arboretumdesgrandesbruyeres.fr


50 - Manche

Du 8 février au 24 mai

EXPOSITION DE PHOTOGRAPHIES
"LA HAGUE : A L’EPREUVE DU TEMPS"

De vallées encaissées en roches mystérieuses, du littoral déchiqueté aux champs quadrillés de murets, le regard d’Antoine Soubigou s’est posé sur une Hague intemporelle et tourmentée.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


Jusqu'au 15 novembre

EXPOSITION PHOTOGRAPHIQUE
"VIE SAUVAGE EN COTENTIN"

Une exposition pour les curieux de nature mais aussi pour les amateurs de belles images... L’association "Regards" basée à Cormelles-le-Royal dans le Calvados rassemble des photographes naturalistes, passionnés d’image et de nature.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


59 - Nord

Jusqu'au 29 août 2021

EXPOSITION
"MON DODO"

A quoi sert de dormir ? Que se passe-t-il quand je dors ? Pourquoi je rêve ? Telles sont les questions que peuvent se poser les enfants lorsqu’ils vont se coucher pour la sieste ou pour la nuit.
Au travers des expériences et des approches diverses, l’exposition invite les 2-7 ans à découvrir leurs besoins en quantité et qualité de sommeil tout en abordant les notions de cycle et le rôle du sommeil dans leur développement.

Forum départemental des Sciences
1 place de l’Hôtel de ville
59650 Villeneuve d’Ascq
03 59 73 96 00
www.forumdepartementaldessciences.fr


67 - Bas-Rhin

A partir du 4 juillet

ESCAPE GAME LIGNE MAGINOT

Participez à une partie d'escape game et découvrez la Ligne Maginot comme si vous y étiez soldat!
Dans l'antre de la forteresse sont cachés les indices qui vous permettront de sauver l'équipage de l’asphyxie... Attention, vous n'avez que 40 minutes !
Equipes de 2 à 6 joueurs. A partir de 10 ans accompagnés de leurs parents.

Forteresse de la Ligne Maginot
Route D65 direction Pfaffenbronn
67510 Lembach
03 88 94 48 62 / 03 88 94 43 16
www.lignemaginot.fr


71 - Saône et Loire

Jusqu'au 1er novembre

EXPOSITION
"BÊTISE ET BALIVERNES, IDÉES REÇUES SUR LA NATURE"

« les chauves-souris s'accrochent dans les cheveux » ; « les grenouilles sont vertes et les crapauds marron » ; « les moustiques préfèrent les peaux sucrées… », autant d’idées reçues et de fausses informations qui ont souvent la vie dure ! Une scénographie originale et les illustrations humoristiques de Roland Garrigue raviront aussi bien les petits que les grands !

Centre EDEN
26 rue de l’Eglise
71290 Cuisery
03 85 27 08 00
www.centre-eden71.fr


88 - Vosges

Du 6 juillet au 30 août

ANIMATIONS SCIENCES
PLANÉTARIUM EPINAL

Qui n'a jamais rêvé de faire décoller une fusée (en papier) ? Ce sera possible cet été ! L'atelier "réveillez vos sens", quant à lui, sera parfait pour les enfants à partir de 3 ans. Nous proposons également des soirées d'observation du ciel du soir, une initiation à la paléontologie, la découverte des petites bêtes qui peuplent la mare du Planétarium et bien d'autre choses encore !

Planétarium Epinal
Rue Dom Pothier
88000 Epinal
03 29 35 08 02
www.planetarium-epinal.com

Lieux:

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