절대영도

절대온도의 기준점이 되는 온도로 0 K라고 쓰며 섭씨온도로는 -273.15 °C이다. 절대온도는 절대영도를 영점의 기준으로 해서 섭씨온도와 같은 온도눈금으로 정의한 물리학의 표준온도이다.

열역학에서 더 이상 온도를 낮출 수 없는 절대영도의 존재는 여러 다른 측면에서 알 수 있다. 먼저, 열역학제삼법칙에 의하면, 고전역학적인 계에서 온도를 계속 낮추면 계의 엔트로피가 0이 되는 온도에 도달하게 되는 데, 바로 이 온도가 절대영도다. 한편, 이상기체 상태방정식 @@NAMATH_INLINE@@pV = nRT@@NAMATH_INLINE@@에 따르면, 온도가 점점 내려가면 이상기체의 부피가 점점 줄다가 결국 부피가 0이 되는 특정온도가 존재하게 된다. 바로 이 온도가 절대영도이다. 또, 분자의 운동에너지의 평균값이 온도에 관련하므로, 온도를 계속 낮추게 되면 결국 고전역학적인 계를 구성하는 분자들의 운동에너지가 0이 되는 특정온도의 존재를 생각할 수 있고, 이 온도가 바로 절대영도이다. 이 논의를 좀 더 일반적으로 할 수 있다. 헬름홀츠 자유에너지 @@NAMATH_INLINE@@F@@NAMATH_INLINE@@는 내부에너지 @@NAMATH_INLINE@@U@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@F = U - TS@@NAMATH_INLINE@@의 관계를 가지며, 온도 @@NAMATH_INLINE@@T@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@V@@NAMATH_INLINE@@의 함수가 된다. 절대영도에서 헬름홀츠 자유에너지의 최솟값은 에너지의 최솟값과 같아진다. 즉, 물리계가 가장 에너지가 낮은 바닥 상태에 도달하게 되는 온도가 절대영도이다. 참고로, 에너지의 바닥상태가 유일한 경우에는 볼츠만의 엔트로피는 0이 되지만, 바닥상태가 둘 이상 존재할 때에는 절대영도에서도 엔트로피는 0이 아닌 양의 상수값을 갖게 된다. 절대영도에서의 엔트로피를 잔류 엔트로피(residual entropy)라고 부른다.