නිරපේක්ෂ ශුන්‍ය

යම් වස්තුවක් තව දුරටත් සිසිල් කළ නොහැකි උෂ්ණත්වය එනම් යම් වස්තුවක තාප ශක්තිය ශුන්‍ය වන උෂ්ණත්වය නිරපේක්ෂ ශුන්‍ය වේ. නිරපේක්ෂ ශුන්‍යයේ දී පරමාණු , කම්පනය වන්නේ ක්වොන්ටම් යාන්ත්‍රික ආචරණයක් වන ශුන්‍ය ලක්ෂ්‍ය ශක්තිය නිසා පමණි.

අන්තර්ජාතික සම්මුතියක් මඟින් නිරපේක්ෂ ශුන්‍ය තාප ගතික (නිරපේක්ෂ) උෂ්ණත්ව පරිමාණයක් වන කෙල්වින් පරිමාණයෙන් හරියටම 0 K දීත් සෙල්සියස් (සෙන්ටිග්‍රේඩ්) පරිමාණයෙන් −273.150C දීත් වන පරිදි අර්ථ දක්වා ඇත. තවත් තාපගතික උෂ්ණත්වමානයක් වන රික්තයින් පරිමාණයෙන් 0 °R ලෙස නිරපේක්ෂ ශුන්‍ය දැක්විය හැක. ෆැරන්හයිට් පරිමාණයෙන් එය −459.670 වේ. කිසිම වස්තුවක් 0 K උෂ්ණත්වයකට සිසිලනය කළ නොහැකි වුවත් විද්‍යාඥයින් නිරපේක්ෂ ශුන්‍යයට ආසන්න උෂ්ණත්වවලට ද්‍රව්‍ය සිසිල් කිරීමේ දී විශාල ප්‍රගමනයක් පෙන්වීමට සමර්ථ වී තිබේ. අධි සන්නායකත්වය (සුපිරි සන්නායකත්වය) හා අධි තරලත්වය වැනි පදාර්ථයේ ක්වොන්ටම් ආචරන මෙවැනි අධි උෂ්ණත්වවලදී නිරීක්ෂණය කළ හැක. pK (0.1×10−9K) උෂ්ණත්වයකට සිසිලනය කිරීමක් 2000 දී හෙල්සින්කි තාක්ෂණික විශ්ව විද්‍යාලය වාර්තා කර ඇත.

අතීතයෙන්

ප්‍රථම වරට උපරිම සිසිලන සීමාවක් ගැන සාකච්ඡාවක් අන්තර්ගත වන්නේ 1665 දී රොබට් බොයිල්ගේ සිසිලනය පිළිබඳ නව පරීක්ෂණ හා නිරීක්ෂණ වාර්තාවේදීය. (New Experiments and Observations touching Cold) ස්වභාවිකවම උපරිම සිසිල් වස්තුවක් පවතින අතර එයට සම්බන්ධ වීමෙන් අනෙක් වස්තූන් ද එම ගුණයම දක්වයි. යන මතයට එකඟ වු ස්වභාවවාදීන් අතර එම උපරිම සිසිල් වස්තුව පිළිබඳ වූ අරගලය රොබට් බොයිල්ගේ වාර්තාවේ අන්තර්ගත විය. පසුකාලීනව මෙම වස්තුව පෘථිවිය යැයි ද , ජලය යැයි ද, වාතය යැයි ද නැතහොත් වඩාත් පසු කාලීනව වෙඩි ලුණු වේ යැයි ද වශයෙන් විවිධ ස්වභාවධර්මවාදීන් අතර මත ගැටුම් පැවතිනි.

සිසිල් කිරීමේ සීමාව

ශුන්‍ය වශයෙන් නම් කිරීමට සිසිලනය කළ හැකි අවම සීමාවක් පවතී ද යන්න 1702 දී ප්‍රංශ භෞතික විද්‍යාඥයෙක් වන ගයිලෙයිම් ඇමොන්ටොන්ඩ් විසින් මුල්වරට විමසන ලදී. මෙය පැන නැඟුනේ ඔහු වායු උෂ්ණත්වමානයේ වැඩි දියුණු කිරීමත් සමඟ වූ අතර උෂ්ණත්වය විචලනයත් සමඟ නිශ්චිත වායු ස්කන්ධයක් රඳවා ගන්නා රසදිය පටක උස මඟින් උෂ්ණත්වය පෙන්වන පරිදි ඔහු සිය උපකරණය සකසා තිබුණි. එමනිසා ඇමෙන්ටොන්ස්, ඔහුගේ උෂ්ණත්වමානයේ ශුන්‍ය විය යුත්තේ ඔහුගේ උෂ්ණත්වමානයේ වායු කඳ නොපෙනී යන තෙක් අඩු කරනු ලබන උෂ්ණත්වකට බව වාද කරන ලදී. ඔහු භාවිතා කළ පරිමාණයේ ජලයේ තාපාංකය +73 ලෙස හිමාංකය 51 ලෙස ද සකස් කරන ලදී. එනිසා ඔහුගේ පරිමාණයේ ශුන්‍යය සෙල්සියස් පරිමාණයේ −240 පමණ විය. වායු උෂ්ණත්වමානයේ ශුන්‍ය වන මෙය වර්තමාන පාඨාංකය ලෙස සැලකෙන −273.15 °C ට ඉතා ආසන්න අගයක් වු අතර ජෝන් හෙන්රිච් ලැබ්බර්ට් මෙය තවදුරටත් වැඩි දියුණු කර −270 °C යන අගය “නිරපේක්ෂ සිසිලනය” ලෙස සැලකිය යුතු බව ප්‍රකාශ කරන ලදී.

කෙසේ වෙතත් නිරපෙක්ෂ ශුන්‍ය සඳහා ඔහුගේ අගය මෙම වකවානු‍ව තුළ සිට සැමගේ පිළිගැනීමට ලක් නොවීය. 1780 දී පේරි - සයිමන් ලප්ලාස් හා ඇන්තනී ලැවෝෂියර් ගේ තාපය සම්බන්ධ වූ නිබන්ධනවලින් මෙම අගය ජලයේ හිමාංකයට වඩා 1500 – 3000 ත් පහළ උෂ්ණත්වයක තිබිය යුතු  බවත් එය අවම වශයෙන් 600ක් වත් පහලින් පිහිටිය යුතු බව ප්‍රකාශ විය. ජෝන් ඩෝල්ටන් විසින් ඔහුගේ රසායනික දර්ශන විද්‍යාවේ දී මේ  සඳහා ගණනය කිරීම් දහයක් සඳහන් කරන ලදී. අවසානයේ දී ඒ අතරින් −3,000 °C උෂ්ණත්වය , උෂ්ණතවයේ ස්වභාවික ශුන්‍ය ලෙස ඔහු විසින් තෝරාගන්නා ලදී.

කෙල්වින් ස්වාමිවරයාගේ මෙහෙය

ජේ.පී. ජූල් විසින් තාපය පිළිබඳ යාන්ත්‍රික තුලනය සොයා ගැනීමෙන් පසු කෙල්වින් ස්වාමිවරයාට සම්පූර්ණයෙන්ම වෙනස මඟක් ‍ඔස්සේ සිය පර්යේෂණ මෙහෙය විය. 1848 දී ඔහු ඕනෑම ද්‍රව්‍යයක ලක්ෂණ පරායත්ත වු මුළුමනින්ම තාපගතික විද්‍යාත්මක නියම පමණක් පදනම් කරගත් නිරපේක්ෂ උෂ්ණත්ව පරිමාණයක් නිර්මාණය කරන ලදී. වායු උෂ්ණත්වමානයේ වන ශුන්‍ය ලක්ෂ්‍ය වන −273.15 °C වන උෂ්ණත්වය , ශුන්‍ය ලක්ෂ්‍ය ලෙස මෙම පරිමාණය ගොඩනැගීමට යොදාගත් මූලධර්මයන්ට අනුව කෙල්වින් ස්වාමිවරයා නිගමනය කරන ලදී.

අමතර තොරතුරු

හිමාංක සිසිලනය වැනි ක්‍රම මඟින් නිරපේක්ෂ ශුන්‍යයට ආසන්න/ උෂ්ණත්වලට ළඟාවීමට හැකි වුවද, නිරපේක්ෂ ශුන්‍ය උෂ්ණත්වය කිසි විටෙකත් ලබා ගත නොහැකි බව තාපගතික නියම මඟින් පෙන්විය හැක. මෙය කිසිම යන්ත්‍රයක කාර්යක්ෂමතාව 100%ක් කළ නොහැකි වීමට තුල්‍ය වේ. 

නිරපේක්ෂ ශුන්‍යයට ආසන්න උෂ්ණත්වවලදී පදාර්ථය සුපිරි සන්නායකත්වය , අධි තරලත්වය හා බෝස් අයින්ස්ටයින් ඝනීභවනය වැනි අසාමාන්‍ය ලක්ෂණ පෙන්වයි. මෙවැනි අවස්ථා අධ්‍යයනය කිරීමට විද්‍යාඥයින් හැකිතාක් අඩු උෂ්ණත්ව ලබා ගැනීමට පරීක්ෂණ සිදු කර ඇත.

·	1994 දී NIST හි පර්යේෂකයින් විසින් 700 nK ( nK කෙල්විනයකින් බිලියනයෙන් පංගුවකි) තරම් සිසිල් උෂ්ණත්වයක් වාර්තා කර ඇත.

·	2000 නොවැම්බරයේ දී 100 pK ට අඩු න්‍යෂ්ටික බැමුම් උෂ්ණත්වයක් හෙල්සින්ක් තාක්ෂණික විශ්ව විද්‍යාලයේ අඩු උෂ්ණත්ව පර්යේෂණාගාරයේ සිදු කළ පරීක්ෂණයක දී වාර්තා වී ඇත. කෙසේ නමුත් මෙය ඒක සුචලන අංකයක ( න්‍යෂ්ටික බැමුම යන ක්වොන්ටම් ලක්ෂණයට අදාල ) උෂ්ණත්වය විය. එම නිසා මෙම උෂ්ණත්වය සියළුම සුචලිත අංකවල තාපගතික උෂ්ණත්වවල මධ්‍යන්‍ය අගයක් නොවීය.

·	2003 පෙ‍බරවාරි මාසයේ දී පරීක්ෂණාගාරයකින් පිටත වු මෙතෙක් සොයා ගත් සිසිල්ම ස්ථානය බූමරංග නිහාරිකාව (−272.15 °C , 1 K )  බව සොයාගන්නා ලදී. මෙම නිහාරිකාව පිහිටා ඇත්තේ ආලෝක වර්ෂ 5000 ක් පෘථිවියට ඈතින් වූ “සෙන්ටෝරස්” තාරකා මණ්ඩලයේය.

නිරපේක්ෂ ශුන්‍ය ආසන්නයේ තාප ගතික ලක්ෂණ

0 K ආසන්න උෂ්ණත්වයක දී සියළුම පරමාණුක චලිතයන් පාහේ නතර වන අතර ස්ථිරතාපී ක්‍රියාවලියක් සඳහා ΔS = 0 වේ. සංශුද්ධ ද්‍රව්‍යයකට T 0 වන විට පූර්ණ ස්ඵටික සෑදිය හැක. (පරිපූර්ණ තත්වය වේ) මැක්ස් ප්ලාන්ක්ගේ තෙවන තාප ගතික නියමය ඇසුරින් ස්ඵටිකයක නිරපේක්ෂ ශුන්‍යයේ දී, එන්ට්‍රොපිය ශුන්‍ය වන බව පෙන්විය හැක. කෙසේ වෙතත් අවම ශක්ති තත්වය පිරිහී ඇත්නම් හෝ එය එක් මයික්‍රො මට්ටමකට වඩා වැඩි වුවහොත් පෙර සඳහන් ආකාරයට එ‍න්ත්‍රොපිය ශුන්‍ය නොවේ. නර්න්ස්ට් තාප ප්‍රමේය මඟින් T 0 වන විට ඕනෑම සමෝෂ්ණ ක්‍රියාවලියක එන්ට්‍රොපි වෙනස ශුන්‍යයට ආසන්න වන බව ප්‍රකාශ කරන අතර මෙම ප්‍රකාශය වඩාත් දුර්වල වන අතර මුල් ප්‍රකාශය තරම් මත භේදයට තුඩු දී නොමැත.

 

මෙයින් ගම්‍ය වන්නේ පූර්ණ ස්ඵටිකයක එන්ට්‍රොපිය නියතයක් වන බවය. 

ස්ථිර තාපය හා සමෝෂ්ණය එකිනෙකට වෙනස් වුවත් නර්න්ස්ට් උපග්‍රහනය මඟින් මෙම අවස්ථාව සඳහා සමෝෂ්ණ T = 0  හා ස්ථිරතාපී S = 0 , එකිනෙක මත සමගතික වන බව පෙන්වයි. කිසිම ස්ථිරතාපයන් දෙකක් ඡේදනය නොවන නිසා වෙනත් ස්ථිර තාපකයකට සමෝෂ්ණ T = 0   සමඟ ඡේදනය විය නොහැක. ඒ අනුව කිසිම ස්ථිරතාපී ක්‍රියාවලියක් ශුන්‍ය නොවන උෂ්ණත්වයකින් ආරම්භ කොට උෂ්ණත්වය ශුන්‍ය දක්වා ගෙන යා නොහැකි බව පෙන්විය හැක. (≈ Callen, pp. 189-190)

යම් පද්ධතියක් පරිමිත ක්‍රියාවලි සමූහයකට භාජනය කිරීමෙන් එහි උෂ්ණත්වය ශුන්‍ය දක්වා අඩු කළ නොහැකිය යන්න වඩාත් ශක්තිමත් තර්කයකි. (≈ Guggenheim, p. 157)

පරිපූර්ණ ස්ඵටිකයක් යනු සෑම දිශාවක් ඔස්සේම අභ්‍යන්තර දැලිස ව්‍යුහය බාධාවකින් තොරව ව්‍යාප්ත වූ ස්ඵටිකයි. මෙම පරිපූර්ණ සැකැස්ම අක්ෂ තුනක් (එකිනෙකට ප්‍රලම්භ නොවූ) ඔස්සේ උත්තාරණ සමමිතයක් පැවතීමෙන් සනාථ වේ. ව්‍යුහයේ සෑම දැලිස් අවයවයක්ම ඒක පරමාණුක වුවත් අණුක කාණ්ඩයක් වුවත් නියමිත ස්ථානයේම පවති. කාබන් හි , දියමන්ති හා මිනිරන් වැනි බහුරූපී ආකාර පවතින පරිදි යම් ද්‍රව්‍යයකට ස්ථායී ස්ඵටික ආකාර දෙකක් හෝ වැඩි ගණනක් පවතී නම් එහි රසායනිකව පිරිහුම් ස්වභාවයක් පවතී. මෙසේ පරිපූර්ණ ආකාරයට පවතින ස්ථායී වර්ග දෙකෙ‍හිම T = 0 විට එන්ට්‍රොපිය ශුන්‍ය වන්නේ ද යන්න ගැටළුවකි.

පරිපූර්ණ ස්ඵටික කිසි විටකත් ප්‍රායෝගිකව නොපවතී. අපරිපූර්ණ ස්ථටික හා අස්ඵටික ආකාර පවා අඩු උෂ්ණත්වවලදී එලෙසම ඝන වීම නිසා තව දුරටත් ස්ථායී අවස්ථා සඳහා පරිණාමනය සිදු නොවේ. 

ඩෙබ් ආකෘතිය අනුව , ශුද්ධ ස්ඵටික විශිෂ්ට තාපය හා එන්ට්‍රොපිය T3  සමානුපාතික වන අතර එන්තැල්පිය හා රසායනික ධාරිතාව T 4 සමානුපාතික වේ. (Guggenheim, p. 111)  T = 0 තෙක් මෙය අඩු වී ක්‍රමානුකූලව නියත අගයකට පත් වේ. එවිට එම අගයන්හි ප්‍රස්තාරයේ බෑවුම ශුන්‍ය වේ. 10 K ට අඩු පරීක්ෂණ ඇසුරින් සොයාගෙන ඇති පරිදි T = 0 සඳහා සීමා අගය විශිෂ්ට තාපයේ දී ශුන්‍ය වේ. සවිස්තරාත්මක නොවූ අයින්ස්ටයින් ආකෘතියේ දී ද මෙම විශිෂ්ට තාපයේ අඩු වීම පෙන්වා ඇත. ස්ඵටික අවස්ථාවන්ට මෙන්ම ‍එසේ නොවන පදාර්ථයන් සඳහා ද නිරපේක්ෂ ශුන්‍යයේ දී විශිෂ්ට තාපය ශුන්‍ය වේ. තාපජ ප්‍රසාරණ සංගුණකයට ද මෙම ක්‍රියාව සිදු වේ. අනෙකුත් විවිධ අගයන් ද ශුන්‍ය වන බව “මැක්ස්වෙල්”  සම්බන්ධතාවයන් පෙන්වා දෙයි. මෙම සංසිද්ධිය අනපේක්ෂිත විය.

ගිබ්ස් ශක්තියේ , එන්තැල්පියේ හා එන්ට්‍රොපිය වෙන්සවීම්වල සම්බන්ධය අනුව  T අඩුවත්ම ΔG සහ ΔH හි අගයන් එකිනෙකට ආසන්න වේ. (ΔS නියත අගයකම සීමාවන් නිසා) ස්වයංසිද්ධව සිදුවන සෑම ක්‍රියාවලියක්ම (රසායනික ප්‍රතික්‍රියා ඇතුළුව) සමතුලිත වන විට G හි අගය අඩුවන බව පරීක්ෂණාත්මකව සොයාගෙන ඇත. ΔS අගය අඩු හෝ / සහ T හි අගය අඩු නම් ΔG < 0 වීමෙන් ΔH < 0 කියවිය හැක. තාපය පිට කරන තාපදායක ප්‍රතික්‍රියාවක් බව පෙන්වයි. කෙසේ නමුත් TΔS අගය ප්‍රමාණවත් තරම් විශාල නම් තාප අවශෝෂක ප්‍රතික්‍රියාවක් වුවද ස්වයංසිද්ධවම සිදු විය හැක.

මීට අමතරව  ΔG සහ ΔH හි උෂ්ණත්ව ව්‍යුත්පන්නයන්ගේ අනුක්‍රමණ T = 0 විට ශුන්‍යයට සමවන අතර ඒවායේ ප්‍රස්ථාර එකිනෙක වෙත අභිසාරී වේ. මේ අනුව යම් සැලකිය යුතු උෂ්ණත්ව සීමාවක් තුළ ΔG සහ ΔH  අගයන් ආසන්න වශයෙන් සමාන වේ. මෙම සංසිද්ධියේ තොම්සන් හා බර්ත්ලොම් ගේ ආනුභවික නියම සත්‍යාපනය කරයි. මෙම නියමවලින් පැවසෙන්නේ යම් පද්ධතියක් වැඩිම තාප ප්‍රමාණයක් විමෝචනය කරමින් සංතුලන මට්ටමකට පත්වන බවයි. (උදා - වඩාත්ම තාපදායක ප්‍රතික්‍රියාවක් සත්‍ය ප්‍රතික්‍රියාව වේ) (Callen, pp. 186-187)

බෝස් අයින්ස්ටයින් සංඝනීකරණය සමඟ සම්බන්ධය

බෝස් අයින්ස්ටයින් සංඝනීකරණයක් යනු ඉතා අඩු උෂ්ණත්වවලදී (නිරපේක්ෂ ශුන්‍යයට වඩා අංශකයකින් බිලියනයෙන් පංගු කිහිපයක් පමණ වැඩි උෂ්ණත්වයක දී) අසාමාන්‍ය ලෙස හැසිරෙන යම් ද්‍රව්‍යයන්ය. මෙම ලක්ෂ්‍යයේ දී තාප ගතික නියම ඉතා වැදගත් වේ.

නිරපේක්ෂ උෂ්ණත්ව පරිමාණය

නිරපේක්ෂ හෝ තාප ගතික උෂ්ණත්වය සම්මතයක් ලෙස කෙල්වින් පරිමාණය භාවිතයෙන් (සෙල්සියස් පරිමාණයෙන් වැඩිවීම්) මනිනු ලබන අතර රැන්කයින් පරිමාණයේ (ෆැරන්හයිට් පරිමාණයෙන් වැඩි වීම්) වඩා සුළු වශයෙන් මනිනු ලැබේ. නිරපේක්ෂ උෂ්ණත්වය තීරණය වන්නේ විශේෂිත නියත ගුණාකාර ප්‍රමාණයේ අංශකවලිනි. එනිසා සියළුම පරිමාණවලින් යම් නිරපේක්ෂ උෂ්ණත්ව දෙකක අනුපාතය T2/T1 එකම අගයක් ගනී. මේ සඳහා වඩාත්ම සාධාරණ අර්ථ දැක්වීම වන්නේ ක්වොන්ටම් සමාකාර හෝ ශක්තීන් මත පදනම් වූ මැක්‍ස්වෙල් බෝල්ට්ස්මාන් ව්‍යාප්තියයි. මෙහි ක්වොන්ටම් සමාකාර වශයෙන් හැඳින්වෙන්නේ ශක්තියක් kT අතරත් වූ ඝාතීය ශ්‍රිතයෙහි අවරෝහණ ආකාරයට ද්‍රව්‍යවල අංශූන්ගේ සාපේක්ෂ අගයන් ලබා දෙන ෆර්මි - ඩයිරුක් සංඛ්‍යාතය (අර්ධ නිඛිල බැමුම් අංශු) හා බෝස් අයින්ස්ටයින් සංඛ්‍යානය (නිඛිල බැමුම් අංශු) වේ. මහේක්ෂීය මට්ටමක දී සිසිල් හා උණුසුම් තාප සංචිත අතර ක්‍රියාත්මක වන ප්‍රත්‍යාවර්ත තාප එක් වීමක කාර්යක්ෂමතාව අනුසාරයෙන් මෙය අර්ථ දැක්විය හැක.

භෞතික විද්‍යාව