Принцип недостижимости нуля термодинамической температуры.

Одну из формулировок третьего начала термодинамики дают в форме принципа недостижимости нуля термодинамической температуры (абсолютного нуля): никакая совокупность конечного числа процессов не может понизить термодинамическую температуру тела до нуля, иными словами, нуль термодинамической температуры достижим только асимптотически. К значению Т=0 К можно приближаться сколь угодно близко, никогда его не достигая. Накопленный практический опыт на пути достижения экстремально низких температур убедительно показывает, что с понижением достигаемой температуры в возрастающей прогрессии увеличиваются трудности для дальнейшего снижения температуры. Третье начало термодинамики отражает фундаментальные свойства материи при низких температурах, сущность которых раскрывается двумя другими формулировками, а также вытекающими из них следствиями. Так, в соответствии с формулировкой Нернста–Симона при Т→0 изменение энтропии конденсированной системы в равновесном изотермическом процессе

.

При Т→0 энтропия перестает быть функцией состояния, зависящей от параметров системы, а изотерма и адиабата неразличимы. При Т→0 энтропия приближается к постоянному значению

,

поэтому существует и такая формулировка третьего начала: значение энтропии s⁰ не может быть достигнуто никакой конечной совокупностью процессов. Движение материи, в частности молекулярные движения, не исчезают при Т→0, поэтому кинетическая энергия не равна нулю. Внутренняя энергия при Т→0 приближается к некоторой постоянной величине, называемой нулевой энергией u_T→0→u⁰. Нулевая энергия может быть относительно большой, например, для жидкого гелия она примерно втрое превышает теплоту испарения. Этим объясняется устойчивость твердых состояний гелия только при давлении более 2,5 МПа. При более низком давлении колебания атомов гелия столь значительны, что не позволяют образовать кристаллическую решетку даже при температурах вблизи абсолютного нуля. В кристалле твердого водорода (при температуре вблизи 1 К) энергия нулевых колебаний столь велика, что молекулы, находясь в кристаллической решетке, получают свободу вращения, и в этой области температур наблюдается необычное пиковое увеличение удельной теплоемкости водорода.