اصول اساسی ترمودینامیک برای اولین بار مورد بازنگری قرار گرفته است

به گزارش مجله خبری نگار،پروفسور خوزه-ماریا مارتین-اولالا از دانشگاه سویل نشان داده است که ناپدید شدن ظرفیت گرمایی در صفر مطلق - پدیده‌ای که تقریباً یک قرن به عنوان پیامد قانون سوم ترمودینامیک در نظر گرفته می‌شد - پیامد مستقیم قانون دوم، یعنی اصل افزایش آنتروپی و شرط مرتبط با آن برای پایداری تعادل ترمودینامیکی است. این اثر در مجله Physica Scripta (PS) منتشر شده است.

این دومین مقاله این محقق در این زمینه است. در ژوئن ۲۰۲۵، او مقاله‌ای منتشر کرد که قانون اساسی دیگری - قضیه نرنست - را نیز به قانون دوم مرتبط می‌کرد و ایده اصلی انیشتین را اصلاح می‌کرد. این دو نشریه با هم، ایده‌ای کاملاً جسورانه ارائه می‌دهند: دو قانون اول ترمودینامیک - پایستگی انرژی و افزایش آنتروپی - می‌توانند خواص ماده را در تمام دماها، از جمله صفر مطلق، به طور کامل توضیح دهند، به این معنی که قانون سوم به عنوان یک فرضیه مستقل مورد نیاز نیست.

ناپدید شدن ظرفیت گرمایی در صفر مطلق یک ویژگی جهانی برای همه مواد است. ظرفیت گرمایی میزان انرژی مورد نیاز یک جسم برای تغییر دمای آن را اندازه‌گیری می‌کند. در چارچوب فیزیک کلاسیک، ناپدید شدن این ویژگی غیرممکن به نظر می‌رسید: هرگونه تغییر دما باید با تبادل انرژی همراه باشد. با این حال، در اوایل قرن بیستم، آزمایش‌ها با اطمینان نشان دادند که با نزدیک شدن ظرفیت گرمایی به صفر مطلق، کاهش می‌یابد و در نهایت به صفر می‌رسد.

در سال ۱۹۰۷، انیشتین این موضوع را از طریق اثرات کوانتومی توضیح داد و پایه و اساس اصل سوم ترمودینامیک را بنا نهاد. اما این توضیح همچنان منزوی باقی ماند - رفتار مشاهده شده ماده را با قوانین اساسی ترمودینامیک مرتبط نمی‌کرد.

کار مارتین-اولالی دیدگاه متفاوتی ارائه می‌دهد: ناپدید شدن ظرفیت گرمایی نه از ویژگی‌های ماهیت کوانتومی ماده، بلکه از الزام پایداری ترمودینامیکی تعادل ناشی می‌شود.

در ترمودینامیک، یک حالت تعادل طبق تعریف پایدار است: تا زمانی که یک نیروی خارجی سیستم را مختل نکند، به طور نامحدود ادامه می‌یابد. این ویژگی نتیجه قانون دوم ترمودینامیک است. استاد نشان می‌دهد که همین الزام، با نزدیک شدن دما به صفر، به طور خودکار یک شرط سختگیرانه بر ظرفیت گرمایی تحمیل می‌کند: ظرفیت گرمایی نه تنها باید به سرعت، بلکه سریع‌تر از دما از بین برود تا از حالت‌های ناپایدار و از نظر فیزیکی غیرقابل قبول جلوگیری شود.

به گفته نویسنده، توضیح کوانتومی در سطح مدل‌های میکروسکوپی همچنان معتبر است، اما خود پدیده جهان‌شمول است و به کوانتومی یا کلاسیکی بودن سیستم بستگی ندارد.

اگر یافته‌های این محقق بیشتر تأیید شود، می‌تواند منجر به بازنگری در آموزش و درک ترمودینامیک شود. دو اصل اساسی - پایستگی انرژی و افزایش آنتروپی - برای توضیح تمام خواص ماکروسکوپی ماده در کل محدوده دما کافی خواهد بود.