صفر مطلق
الديناميكا الحرارية بالقرب من الصفر المطلق

عند درجات حرارة قريبة من 0 كلفن (273.15 درجة مئوية؛ −459.67 درجة فهرنهايت)، تتوقف جميع الحركة الجزيئية تقريبًا و ΔS = 0 لأي عملية ثابتة الحرارة، حيث S هي الانتروبيا. في مثل هذه الظروف، يمكن للمواد النقية (من الناحية المثالية) أن تشكل بلورات مثالية مثل T → 0. يوضح شكل ماكس بلانك القوي للقانون الثالث للديناميكا الحرارية أن الانتروبيا لبلورة كاملة تختفي عند الصفر المطلق الذي تختفي فيه بلورة كاملة. تجعل نظرية Nernst للحرارة الأصلية الادعاء الأضعف والأقل إثارة للجدل بأن تغير الإنتروبيا لأي عملية متساوية الحرارة يقترب من الصفر مثل T → 0:
{\ displaystyle \ lim _ {T \ to 0} \ Delta S = 0} \ lim _ {T \ to 0} \ Delta S = 0
المعنى الضمني هو أن إنتروبيا البلورة الكاملة تقترب من قيمة ثابتة.
تحدد فرضية نرنست تساوي الحرارة T = 0 على أنها متزامنة مع adiabat S = 0، على الرغم من أن متساوي الحرارة والأديابات الأخرى متميزة. نظرًا لعدم تقاطع اثنين من adiabats ، لا يمكن لأي adiabat آخر أن يتقاطع مع T = 0 isotherm. وبالتالي، لا يمكن أن تؤدي أي عملية ثابتة ثابتة عند درجة حرارة غير صفرية إلى درجة حرارة صفرية. (≈ Callen، pp. 189–190)
البلورة المثالية هي التي يمتد فيها الهيكل الشبكي الداخلي دون انقطاع في جميع الاتجاهات. يمكن تمثيل الترتيب المثالي من خلال التناظر الانتقالي على طول ثلاثة محاور (غير متعامدة عادة). كل عنصر شبكي من الهيكل في مكانه الصحيح، سواء كان ذرة واحدة أو مجموعة جزيئية. بالنسبة للمواد الموجودة في شكلين بلوريين مستقرين (أو أكثر)، مثل الماس والجرافيت للكربون، هناك نوع من الانحلال الكيميائي. يبقى السؤال ما إذا كان كلاهما يمكن أن يكون لهما صفر إنتروبيا عند T = 0 على الرغم من أن كل منهما مرتبة تمامًا.
لا تحدث البلورات المثالية في الممارسة؛ يمكن أن «تتجمد» العيوب، وحتى شوائب المواد غير المتبلورة بالكامل في درجات حرارة منخفضة، لذلك لا تحدث التحولات إلى حالات أكثر استقرارًا.
باستخدام نموذج ديباي، تتناسب الحرارة النوعية وانتروبيا البلورة النقية مع T 3، بينما المحتوى الحراري والإمكانات الكيميائية تتناسب مع T 4 (Guggenheim ، ص 111) تنخفض هذه الكميات نحو T = 0 القيم المحددة ونهج مع صفر منحدرات. بالنسبة إلى درجات الحرارة المحددة على الأقل، فإن القيمة المحددة نفسها هي صفر بالتأكيد، كما أثبتته التجارب إلى أقل من 10 كلفن، حتى نموذج أينشتاين الأقل تفصيلاً يظهر هذا الانخفاض الغريب في درجات حرارة معينة. في الواقع، تختفي جميع درجات الحرارة المحددة عند الصفر المطلق، وليس فقط درجات حرارة البلورات. وبالمثل بالنسبة لمعامل التمدد الحراري. تظهر علاقات ماكسويل أن الكميات الأخرى المختلفة تتلاشى أيضًا. كانت هذه الظواهر غير متوقعة.
نظرًا لأن العلاقة بين التغييرات في طاقة جيبس الحرة (G)، فإن المحتوى الحراري (H) والإنتروبيا هو
{\ displaystyle \ Delta G = \ Delta H-T \ Delta S \،} \ Delta G = \ Delta H-T \ Delta S \،
وبالتالي، مع انخفاض T ، تقترب G و H من بعضهما البعض (طالما أن ΔS مقيد). من الناحية التجريبية، وجد أن جميع العمليات التلقائية (بما في ذلك التفاعلات الكيميائية) تؤدي إلى انخفاض في G مع تقدمهم نحو التوازن. إذا كانت ΔS و / أو T صغيرة، فقد تشير الحالة ΔG <0 إلى أن ΔH <0، مما قد يشير إلى تفاعل طارد للحرارة. ومع ذلك، هذا غير مطلوب؛ يمكن أن تستمر التفاعلات الماصة للحرارة تلقائيًا إذا كان مصطلح TΔS كبيرًا بدرجة كافية.
علاوة على ذلك، تتقارب منحدرات مشتقات ΔG و H وتساوي الصفر عند T = 0. وهذا يضمن أن ΔG و H متماثلان تقريبًا على نطاق كبير من درجات الحرارة ويبرر المبدأ التجريبي التقريبي لتومسن وبيرثيلوت، والذي تنص على أن حالة التوازن التي يتقدم إليها النظام هي الحالة التي تطور أكبر قدر من الحرارة، أي أن العملية الفعلية هي الأكثر طاردة للحرارة. (كالين، ص ١٨٦ - ١٨٧)
أحد النماذج التي تقدر خصائص غاز الإلكترون عند الصفر المطلق في المعادن هو غاز فيرمي. يجب أن تكون الإلكترونات، كونها فيرميونات، في حالات كمية مختلفة، مما يؤدي بالإلكترونات إلى الحصول على سرعات نموذجية عالية جدًا، حتى عند الصفر المطلق. الطاقة القصوى التي يمكن أن تمتلكها الإلكترونات عند الصفر المطلق تسمى طاقة فيرمي. تُعرَّف درجة حرارة فيرمي بأنها هذه الطاقة القصوى مقسومة على ثابت بولتزمان، وهي في حدود 80000 كلفن لكثافة الإلكترون النموذجية الموجودة في المعادن. بالنسبة لدرجات الحرارة التي تقل بشكل ملحوظ عن درجة حرارة فيرمي، تتصرف الإلكترونات بنفس الطريقة تقريبًا التي تتصرف بها عند الصفر المطلق. يفسر هذا فشل نظرية التقسيم المتساوي الكلاسيكية للمعادن التي استعصت على علماء الفيزياء الكلاسيكيين في أواخر القرن التاسع عشر.