Sıfır Kelvine Ulaşmanın Zorluğu
Doğadaki deneyimlerimiz, termodinamikteki tüm sonuçlar dikkate alınarak incelendiğinde üçüncü ve büyük bir sonuca ulaşılır. Termodinamiğin ikinci yasası, entropi ile tanışmamızı sağladı. Bu fonksiyon kendiliğinden meydana gelen değişmelerin yönü hakkında bilgilenmemizi sağladı. İkinci yasa bir sistemin iki hali arasındaki entropi farkının nasıl belirlenebileceğini de gösterdi. Üçüncü yasa bir sistemin entropisinin belirlenmesi için bir yöntem verir. İlk iki yasada olduğu gibi, üçüncü yasada doğadaki olayları açıklamamız için kullanılır. Bu yasaya ilişkin temel olaylar, çok düşük sıcaklıklara ulaşma girişimleri olduğunda ortaya çıkar. Bu tip faaliyetler birinci ve ikinci yasanın temellerine bağlı olarak hazırlanan deneylerle kolayca yapılamaz. Düşük ve daha düşük sıcaklıklara ulaşa ulaşa mutlak sıfır sıcaklığına ulaşılmaya çalışılsa bile bu sıcaklığa inilemez.
Buradaki konu yalnızca daha düşük sıcaklıklara inmek değil, aynı zamanda mutlak sıfıra yaklaşıldıkça mutlak entropi değerlerinin ölçülmesini gerektirecektir. Ayrıca mutlak sıfıra yaklaşıldıkça, termal enerjinin azalmasıyla yüksek sıcaklıklarda görülmeyen çok ilginç olaylar gözlenir.
Sıvı azot ticari olarak kolayca elde edilebilir ve yaklaşık olarak 77 K de ulaşmak zor değildir.
Buna rağmen daha düşük sıcaklıklar hidrojen üzerinde Joule-Thomson genişleme deneyleri ile elde edilir. Fakat bu gaz öncelikle sıvı azota batırılarak 193 K de soğutulur. Genişleme işlemleri ile daha sonra kaynama noktası 22 K olan sıvı hidrojen elde edilir. Son olarak, kaynama noktası 4 K olan helyumun genişleme işlemi ile soğutulmasından yararlanılarak hidrojenin sıcaklığı daha düşük değerlere ulaştırılır. 1 K in biraz altındaki sıcaklıklara helyumun genişletilmesi ile ulaşılabilir. Fakat bu tekniğin uygulanabilmesi için çok fazla buharlaşmaya ihtiyaç vardır.
Sıvı helyum kullanılarak 1K sıcaklığın altındaki sıcaklıkları elde etmek için birkaç teknik vardır. Tekniklerin bazıları helyum izotoplarının (3He ve 4H) teknik özelliklerine bağlıdır. Diğer yöntemlerde ise, maddelerin magnetik özelliklerinden yararlanılır. Bu amaçla; çiftleşmemiş elektronlar ve nükleer magnetik moment nedeniyle doğan atomik magnetik momentlerden yararlanılır. Düşük sıcaklık magnetizması teknikler ve tekniklerin sınırları ile ilgili bilgi verir.
Gaddolinyum sülfat oktahidrat gibi çiftleşmemiş elektron çiftleri içeren magnetik tuzlar ve bakır gibi çekirdeği magnetik momente sahip maddeler için sıcaklık-entropi eğrileri yandaki şekilde gösterilmiştir. ((a) : Çiftleşmemiş elektron içeren paramagnetik maddenin S-T grafiği, (b) : Çekirdeği magnetik etkiye sahip madde için S-T grafiği.)
Belli bir sıcaklık aralığının üzerinde, düşük magnetik alandaki bu maddelerin entropileri yüksek magnetik alandaki entropilerinden daha düşüktür.
Düşük sıcaklıkta gerçekleştirilen adyabatik-demagnatizasyon süreci iki adımlı süreçler dikkate alınarak açıklanabilir. İlk adımda magnetik alan yavaş yavaş arttırılır. Örnek ısınma eğilimindedir. Fakat sıcaklık yükselmesi termostat (örn. sıvı helyum) kullanılarak engellenir. Isının tersinir olarak uzaklaştırılması banyonun entropisini artırır ve örneğin entropisi azalır. İkinci adımda ise; örnek, bu banyo ve diğer ısı iletebilecek yerlerden yalıtılır. Magnetik alan yavaşça azaltılır. Örneğin magnetizasyonu, demagnetizasyon süreci boyunca magnetik alan ile denge halindedir. Bu nedenle süreç yaklaşık olarak tersinir bir süreçtir ve örnek evreni için entropi değişimi sıfırdır. Termal çevre etkilemez ve bu ikinci adımda, örneğin entropisi sabit kalır. Bu nedenle; bu adım sıcaklıkta herhangi bir artma olmaksızın, düşük magnetize olmuş bir örneğe dönüşür. İki iki adıma ilişkin süreç yandaki şekilde gösterilmiştir. (İzotermal olarak magnetik alanın artması ve adyabatik olarak azalmasının örneğin paramagnetikliği üzerine etkisini göstermektedir.)
Düşük sıcaklıkta yapılan çalışmalar göstermiştir ki mutlak sıfır civarına ulaşılabilir. Fakat haller arasındaki entropi farkı mutlak sıfıra yaklaştıkça sıfıra yaklaşır. Sıcaklık düşmesiyle elbette mutlak sıfıra yaklaşılır. Fakat mutlak sıfıra ulaşılamaz.