Implicaciones de alcanzar el cero absoluto

¿Cómo podría la ciencia/la humanidad hacer uso de la capacidad de llevar la materia a 0 Kelvin y mantenerla?

Los átomos se enfriarían normalmente después de recibir una cantidad finita de "calor negativo" (a través de la magia). El "calor negativo" solo sería suficiente para enfriar unos pocos grados, pero serviría para bajar la temperatura en cualquier cantidad, independientemente de las condiciones iniciales.

Este "calor negativo" se aniquilaría con energía térmica, pero sería incapaz de reducir las temperaturas por debajo de cero o transferirse a otros átomos.

Aconsejaría eliminar la etiqueta basada en la ciencia . Ya estás violando la termodinámica al afirmar que podemos llegar al cero absoluto; solo podemos acercarnos a ella asintóticamente.
@ HDE226868 Si quieren una respuesta basada en la ciencia, la etiqueta debe permanecer. Tal vez, como usted dice, la respuesta debería ser "no puede hacerlo", pero las etiquetas basadas en la ciencia/ciencia dura deben usarse en función de la intención del autor de la pregunta.
En cuanto a la pregunta real: esto no responde exactamente a su pregunta, pero tiene algunos enlaces y es un punto de partida para Absolute Zero: physics.stackexchange.com/questions/48615/…
@NexTerren Sí, pero es difícil justificar el uso de las leyes de la termodinámica para responder una pregunta cuando ya rompiste una de ellas. Esa es mi objeción general al uso de la etiqueta en este tipo de situación. Además, hay muchos casos en los que la magia + basada en la ciencia simplemente no funciona.
@ HDE226868 ¿Quizás debería eliminar la pregunta y/o agregar más antecedentes, entonces? Mi premisa era que se podía agregar calor "temporal" a un sistema, y ​​que se "escaparía" del universo observable con el tiempo. Estaba pensando que sería imposible ir por debajo de 0, por lo que la "fuga de energía" se quedaría y consumiría cualquier energía que encontrara si agregaba "calor temporal" y luego enfriaba las cosas hasta casi cero antes de que "se filtraran". .. lo que plantea esta pregunta.
@ HDE226868 esto es como el gato de Schrödinger, es posible que probablemente no, ¿es útil? Yo respondería que sí. Entonces, la magia es una condición de "qué pasaría si", y definitivamente necesita más que detener todos los átomos, también necesita eliminar o compensar las fluctuaciones, proteger eso de todo lo que sabemos y no sabemos, modificar o afectar las leyes cuánticas como las conocemos ahora - bien lo suficiente como para llamarlo magia, imposible, no estoy seguro de eso. Una de las hipótesis de la posible muerte del universo, donde podría existir tal estado o algo cercano a él, y cualquier extraño tendrá una situación inversa.

Respuestas (7)

Bueno, veamos la parte relevante de la ecuación fundamental de la termodinámica:

d mi = T d S + ( términos irrelevantes para esta pregunta )
Aquí d q = T d S es la energía térmica que entra o sale del sistema. Obviamente, si T = 0 , el d q = 0 . En otras palabras, puedes volcar entropía en él ( d S > 0 ) sin calentarlo ( d q = 0 ).

Esto implica que podría usarlo para construir una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo (PM2): extrae calor ("energía entrópica") del medio ambiente, descarga su entropía en el objeto de temperatura cero y pone la energía en trabajo. .

De hecho, si nos fijamos en la eficiencia de Carnot,

η C = T H − T C T H
que es la eficiencia máxima de un motor térmico, e inserte T C = 0 , usted obtiene η C = 1 , es decir, eficiencia perfecta, también conocida como PM2.

Sin embargo, por supuesto, hay una advertencia: la eficiencia de Carnot solo se puede alcanzar para procesos infinitamente lentos. Sin embargo, también existe una fórmula para la eficiencia a máxima potencia de salida, la eficiencia de Curzon-Ahlborn:

η C A = 1 − T C T H
Ahora si insertas T C = 0 , obtienes de nuevo η C A = 1 . Es decir, con la temperatura del cero absoluto se puede lograr una eficiencia de 1 a máxima potencia. Es decir, ¡puede construir un PM2 que realmente produzca energía!

También tenga en cuenta que T d S = 0 también significa que los procesos reversibles no pueden calentar un objeto a temperatura cero, por lo que permanecería en cero. Por supuesto, esa ecuación no dice nada sobre los procesos irreversibles (solo se aplica estrictamente a los reversibles), por lo que aún podría ser posible un calentamiento irreversible.

Ahora, si profundizas, esperaría encontrar tarde o temprano alguna contradicción. Después de todo, hay una razón por la que la termodinámica dice que T = 0 no se puede lograr.

sí, todo está bien, pero nadie dijo que la "magia" es gratis. OP no declaró que es un objeto permanentemente 0K, con capacidad de calor indefinida o capacidad de entropía. Dicho esto, no sigo tu lógica en respuesta.
Solo apliqué las ecuaciones fundamentales de la termodinámica (con la excepción de las leyes que dicen que no se puede alcanzar el cero absoluto, obviamente). Las propiedades de los objetos 0K que describí se derivan de esas leyes, en la forma que describí. En particular, la propiedad "sin calentamiento (proceso reversible)" no es una suposición adicional, pero se sigue de insertar T = 0 en d q = T d S resp. d mi = T d S + … . Todo lo que hice fue insertar T = 0 en las ecuaciones y describe lo que dicen las ecuaciones en ese caso.
Olvidé el @MolbOrg en el comentario anterior.
Te veo señalar. eso es verdad cuando d S puede ser infinitamente pequeño, y es continuo. Hay algunas restricciones matemáticas sobre cuándo podrías tener formas diferenciales de algo. Pero en T baja no es tan preciso. Y una de las razones por las que separamos la mecánica cuántica. La entropía no viene como algo universal independiente, se deriva de algunos supuestos en termodinámica. Tercera ley de la termodinámica , límite T → 0 k ( ∂ S ∂ X ) T = 0 . Como puede ver, no dudan en usar el concepto 0K.
Un limite T → 0 no es lo mismo que poner T = 0 . De hecho, la tercera ley de la termodinámica dice que no se puede alcanzar T = 0 , lo que a su vez implica que no puedes alejarte reversiblemente de T = 0 (o de lo contrario, podría simplemente revertir el proceso que lo alejó de T = 0 para llegar a él).
La definición clásica de 3LT como dice eng wiki es: es imposible para cualquier proceso, sin importar cuán idealizado sea, reducir la entropía de un sistema a su valor de cero absoluto en un número finito de operaciones. En primer lugar, no solo imposible, sino imposible para operaciones finitas: la diferencia es pequeña pero lo es. En segundo lugar hablan de procesos termodinámicos. Aunque, no deseo argumentar en contra de su punto. No tenemos sistemas 0K, y casi no tengo ni idea de qué hacer con la energía de punto cero , depende del LHC, lo que nos dirá. MTFBWY.
No puede hacer infinitas operaciones en un tiempo finito, por lo tanto, "imposible en un número finito de operaciones" = imposible para todos los propósitos prácticos. Y por supuesto habla de procesos termodinámicos; esos son los únicos procesos sobre los que la termodinámica puede hacer declaraciones, por definición.
Seguramente la razón/contradicción es que si existiera algo en el cero absoluto , el acto de observarlo implicaría que absorbiera o reflejara al menos un cuanto de radiación. Como consecuencia, ¡ya no estaría en el cero absoluto!

Voy a ignorar mis dudas de que esto es termodinámicamente imposible, según una reinterpretación de la tercera ley de la termodinámica :

Es imposible para cualquier proceso, no importa cuán idealizado sea, reducir la entropía de un sistema a su valor de cero absoluto en un número finito de operaciones.

La entropía de un sistema con una temperatura de cero absoluto es cero; por lo tanto, ningún sistema puede alcanzar el cero absoluto.

De todos modos, este sería el disipador de calor definitivo. Cualquier materia con una temperatura distinta de cero transferiría calor al objeto con una temperatura de cero absoluto, lo que significa que podrías enfriar la materia como quisieras. Las aplicaciones incluirían:

Estos también tendrían inmensas aplicaciones científicas, especialmente creando fácilmente condensados ​​​​de Bose-Einstein.

Esos enlaces son realmente geniales, pero realmente no abordan lo que estaba tratando de preguntar; La idea es que hacer este enfriamiento no es mucho más fácil, pero que existe un método para hacer un enfriamiento marginal para llevar la sustancia hasta cero.
@placeholder Ah, no me di cuenta de eso. Es posible que desee agregar eso a la pregunta.
No estoy seguro de cómo especificar eso de una manera más fuerte. ¿Debería quitar los paréntesis?
¿La entropía cero no implicaría energía cinética cero, ya que toda la energía existiría en potencia, por así decirlo? La única aplicación real sería como pisapapeles.
@nzaman Esa es la definición cinética de temperatura, tal como la da la teoría cinética de los gases. La definición termodinámica establece que
T = ( ∂ tu ∂ S )
dónde tu es energía interna y S es entropía. tu contiene términos no cinéticos. Esto se sigue de la ecuación fundamental de la termodinámica , si ignoramos la PAG d V término.

Un enfriador perfecto.

Cualquier cosa hecha para estar a 0K, permanentemente, absorbería continuamente el calor del ambiente.

Deje que el objeto 0K entre en una habitación, y la habitación se convertirá en un congelador en minutos, sin usar una fuente externa de energía. Desafortunadamente, la energía dentro de la habitación se pierde, eso es peor que un agujero negro (los agujeros negros contienen energía, simplemente oculta).

Acordado; esto es más o menos lo que escribí en mi respuesta.
Como se señaló en los comentarios (y ahora se aborda específicamente en la pregunta), la cantidad de "energía negativa" no es infinita.

Hace poco leí un artículo en el que afirmaban poder enfriar un medio a una quincemilésima de grado Farenheit por encima del cero absoluto. Luego pasaron electrones a través del medio, lo que les brindó la oportunidad de estudiar los electrones individuales.

Encontré que todo este hilo era un poco tonto, debido a la fuerza de las afirmaciones que se hacían sobre las imposibilidades y los hechos sobre los agujeros negros, como si alguien se hubiera esforzado lo suficiente para probar realmente todo lo que decía. La física teórica puede ser buena para crear teorías sobre las que se pueden formular hipótesis. El problema con esta rama de estudio surge cuando las teorías comenzaron a ser ampliamente aceptadas como hechos a pesar de la falta de evidencia a través del proceso científico, al igual que la teoría de la evolución. Con eso, animaría a algunos de ustedes a considerar lo poco que realmente saben, ya que se sorprenderán de cuánto pueden aprender cuando dejan de pensar que ya saben.

El cero absoluto real, verdadero y sincero destruiría la física moderna. Con la temperatura cero viene la velocidad cero de las partículas involucradas y, por lo tanto, el impulso cero. Si las partículas están contenidas en un volumen conocido (que parece estar implícito en la pregunta), entonces el principio de incertidumbre de Heisenburg no es válido y, a partir de ahí, toda la mecánica cuántica se va por el desagüe.

Creo que sería el equivalente térmico de un agujero negro, la tasa de transferencia de calor es proporcional a la diferencia de temperatura. Absorbería el calor de todo lo que lo rodeaba, hasta que todo el planeta se congelara.

La intención aquí es que haya una cantidad finita de "energía negativa", por lo que congelar todo no está en las cartas.
Los agujeros negros emiten calor virtual
@placeholder Creo que te estás perdiendo el punto. Todo el calor en el área se moverá hacia lo que sea que se esté enfriando, será cada vez más difícil enfriar cualquier cosa a medida que se acerque al cero absoluto, tan pronto como se quede sin partículas mágicas, se calentará nuevamente. Es poco probable que alcances el cero absoluto a menos que también inventes un aislante perfecto.

Permitirá computadoras muy eficientes desde el punto de vista energético, cálculos muy eficientes desde el punto de vista energético: el principio de Landauer.

El principio de Landauer es un principio físico relacionado con el límite teórico inferior del consumo de energía de computación. Sostiene que "cualquier manipulación lógicamente irreversible de la información, como el borrado de un bit o la fusión de dos rutas de cómputo, debe ir acompañada de un aumento de entropía correspondiente en los grados de libertad que no contienen información del aparato de procesamiento de información o su entorno"

a través depende de cuánta energía se necesita para esa "magia".

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