¿No se puede expandir ninguna sustancia cuando se enfría por debajo del cero absoluto?

La respuesta simple es no. La pregunta está mal de todos modos. No puede enfriar su muestra a cero, recuerde las tres leyes
1.No puedes ganar, solo puedes alcanzar el equilibrio.
2. solo puede alcanzar el punto de equilibrio en el cero absoluto
3.No puedes alcanzar el cero absoluto.

El punto principal de la pregunta es sobre la expansión. No hay nada que diga que un material debería expandirse o contraerse, excepto el efecto neto de su distribución de energía. Las fuerzas que operan pueden estar disminuyendo o aumentando la energía con la expansión. O incluso energía neutral. El mismo razonamiento se aplica a la libertad de energía en relación con la estructura. Si la estructura tiene algún controlador termodinámico, será la energía libre total , y los cambios deben aproximarse a cero en el cero absoluto, para los sistemas clásicos de niveles de energía infinitos y períodos de tiempo suficientes, bajo los cuales se derivaron las leyes.

El dominio de aplicación de estas leyes es para la materia donde se definen niveles infinitos de energía y se llenan estadísticamente, en escalas de tiempo suficientemente largas.

Sin embargo, podemos generalizar el concepto de temperatura y definir uno para sistemas finitos, es decir, con estados finitos disponibles. Entonces beta se aplica mejor, es – 1 / T. Inmediatamente las leyes tienen más sentido. Si T va a cero, beta va al infinito. Para los sistemas con niveles de energía disponibles limitados, una inversión de poulation representa temperatura negativa o beta positiva. Un rayo láser representa la inversión, el láser dispara para liberar energía almacenada en la inversión.

Otro punto importante a entender sobre la temperatura es que el concepto se aplica a algún sistema definido . Si desea analizar las interacciones entre sistemas, debe dejar en claro cómo se acoplan los sistemas, si es que lo hace. Claramente, la energía nuclear en el núcleo no está acoplada a movimientos a temperatura ambiente, por ejemplo. Los núcleos ya están “congelados” a temperaturas y presiones más altas.

Un isótopo aún puede contener energía que no está acoplada a movimientos térmicos a temperatura ambiente. Entonces, congelar el núcleo en términos térmicos de las leyes de gas, dice, no dice nada de la energía encerrada en el núcleo. Puede ser “caliente” dentro de una definición de modelo nuclear.

El movimiento de los núcleos pesados ​​no es energía nuclear, es un movimiento térmico de masa, que consiste en traslaciones, rotaciones, vibraciones, etc.
Las rotaciones, si las hay, tienen estados fundamentales de energía cero, pero las vibraciones tienen estados fundamentales. La conectan por colisiones o fuerzas vinculantes.

Pero si se trata de un metal sólido, los electrones constituyen un sistema separado. Entonces, hay una temperatura para los electrones por separado de los movimientos de masa nuclear. Es un sistema dentro de un sistema.

La temperatura se define a través de la entropía. Es una medida del contenido energético de la materia. El concepto de temperatura está estrechamente relacionado con el concepto de desorden. Típicamente, un alto grado de orden corresponde a una temperatura baja, por lo que un orden perfecto equivale al cero absoluto y un trastorno total corresponde a una temperatura muy alta. Por ejemplo, el hielo está más ordenado que el agua hirviendo. Al agregar más energía al agua, las moléculas harán que su movimiento se vuelva cada vez más caótico y desordenado, aumentando así su temperatura.

El cero absoluto es la temperatura (-273.15 ° C) a la que cesa todo movimiento en la materia y se considera inalcanzable. Si el cero absoluto positivo es el punto en el que se detiene todo el movimiento, entonces el cero absoluto negativo es el punto donde todo el movimiento es lo más agitado posible.

Sin embargo, bajo ciertas circunstancias muy especiales, un sistema puede ser más ordenado cuando se agrega energía más allá de un valor crítico que corresponde a una temperatura infinita. Tal sistema se caracteriza por una temperatura absoluta negativa. Continuar agregando más energía en un sistema de este tipo en última instancia lo haría perfectamente ordenado, en cuyo punto habría alcanzado el cero absoluto negativo.

Aunque se cree que el cero absoluto es inalcanzable, los experimentos recientes que utilizan átomos ultrafríos han medido temperaturas que, de hecho, son negativas en la escala de temperatura absoluta. El procedimiento es todo lo contrario de lo que podríamos esperar. Simplemente eliminar el calor de la ecuación para hacer las cosas cada vez más frías no es la respuesta. ¡En cambio, necesitamos calentar cosas más calientes que infinitamente calientes!

Esto puede ser confuso, pero dado que a temperaturas absolutas negativas la energía promedio de las partículas es más alta que a cualquier temperatura absoluta positiva del mismo sistema, significa que a temperaturas absolutas negativas el sistema es de hecho más caliente (en el sentido de que es más enérgico) de lo que podría ser a cualquier temperatura absoluta positiva.

Por lo tanto, sospecho que la mayoría de las sustancias se expandirían a temperaturas cero absolutas negativas.

Tras la reciente observación experimental de temperaturas absolutas negativas de átomos ultrafríos, se ha cuestionado la existencia misma de temperaturas negativas termodinámicamente consistentes. Mientras continúa el debate, está claro que una vez que los científicos lleguen a una conclusión, es posible que sea necesario revisar muchos libros de texto.

Los físicos han creado un gas atómico con una temperatura sub-absoluta-cero por primera vez.

El gas cuántico va por debajo del cero absoluto

Mientras tanto, me pregunto si hay algún termómetro que pueda alcanzar el cero absoluto, ¿positivo o negativo?

La razón por la que se llama “cero absoluto” es que no sabemos cómo obtener algo a una temperatura más baja quitando la energía interna.

Si bien todavía se piensa comúnmente que todo el movimiento de partículas se detendría en un sistema si alcanzara el cero absoluto, esta idea fue refutada una vez que se desarrolló la mecánica cuántica. Para que todo movimiento de partículas se detenga en un sistema, las incertidumbres en los movimientos de las partículas se convertirían en cero. Dado que el impulso depende del movimiento, las incertidumbres en los momentos también irían a cero. Esto es inconsistente con lo que sabemos del Principio de incertidumbre Principio de incertidumbre.

Incluso si algo pudiera alcanzar el cero absoluto, habría un mínimo de movimiento de partículas y energía. El cero absoluto es la temperatura a la cual un sistema no puede perder energía interna.

¿Qué significaría que algo se enfríe por debajo de una temperatura a la que no se le puede eliminar energía? En cierto modo, es una pregunta intrigante como la cuestión del sonido de una mano aplaudiendo. Sin embargo, a menos que haya un estado de temperatura “falso cero absoluto” que sea análogo al “falso vacío” en la hipotética “inflación cósmica”, no hay forma de llegar allí.

Esta idea de “falso cero absoluto” es lo mejor que puedo hacer por usted al trabajar con su pregunta, y estoy bastante seguro de que no funcionará. Si funciona, quiero al menos ser mencionado durante la ceremonia del Premio Nobel que sigue al anuncio de quién recibe el premio por la teoría del falso cero absoluto.