القانون الثالث للديناميكا الحرارية: التعريف والمعادلة والأمثلة

تساعد قوانين الديناميكا الحرارية العلماء على فهم الأنظمة الديناميكية الحرارية. يعرّف القانون الثالث الصفر المطلق ويساعد على تفسير أن إنتروبيا أو اضطراب الكون يتجه نحو قيمة ثابتة غير صفرية.

غالبًا ما يتم وصف الانتروبيا بالكلمات كمقياس لمقدار الاضطراب في النظام. تم اقتراح هذا التعريف لأول مرة من قبل Ludwig Boltzmann في عام 1877. عرّف الانتروبيا رياضيا مثل هذا:

في هذه المعادلة ،صهو عدد الدول الصغيرة في النظام (أو عدد الطرق التي يمكن من خلالها طلب النظام) ،كهو ثابت بولتزمان (الذي يمكن إيجاده بقسمة ثابت الغاز المثالي على ثابت أفوجادرو: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) وlnهو اللوغاريتم الطبيعي (لوغاريتم للقاعدةه​).

فكرتان كبيرتان موضحتان بهذه الصيغة هما:

1. يمكن التفكير في الانتروبيا من حيث الحرارة ، وتحديدًا كمقدار الطاقة الحرارية في نظام مغلق ، والذي لا يتوفر للقيام بعمل مفيد.
2. كلما زاد عدد الدول الصغيرة ، أو طرق ترتيب النظام ، زادت إنتروبيا النظام.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن وصف التغيير في إنتروبيا النظام أثناء انتقاله من حالة ماكروستاتية إلى أخرى على النحو التالي:

أينتيهي درجة الحرارة وسهي الحرارة المتبادلة في عملية عكسية حيث يتحرك النظام بين حالتين.

ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الانتروبيا الكلية للكون أو النظام المعزول لا تتناقص أبدًا. في الديناميكا الحرارية ، النظام المعزول هو النظام الذي لا تستطيع فيه الحرارة ولا المادة الدخول إلى حدود النظام أو الخروج منها.

بعبارة أخرى ، في أي نظام منعزل (بما في ذلك الكون) ، يكون تغير الإنتروبيا دائمًا صفريًا أو إيجابيًا. ما يعنيه هذا بشكل أساسي هو أن العمليات العشوائية تؤدي إلى اضطراب أكثر من النظام.

يقع تركيز مهم علىتميل إلىجزء من هذا الوصف. عمليات عشوائيةيستطعيؤدي إلى نظام أكثر من الفوضى دون انتهاك القوانين الطبيعية ، ولكن احتمال حدوثه أقل بكثير.

في النهاية ، التغيير في إنتروبيا الكون بشكل عام سيساوي الصفر. عند هذه النقطة ، سيكون الكون قد وصل إلى التوازن الحراري ، مع كل الطاقة في شكل طاقة حرارية عند نفس درجة الحرارة غير الصفرية. غالبًا ما يشار إلى هذا باسم الموت الحراري للكون.

يناقش معظم الناس حول العالم درجة الحرارة بالدرجات المئوية ، بينما يستخدم عدد قليل من البلدان مقياس فهرنهايت. ومع ذلك ، فإن العلماء في كل مكان يستخدمون Kelvins كوحدة أساسية لقياس درجة الحرارة المطلقة.

تم بناء هذا المقياس على أساس فيزيائي معين: الصفر المطلق كلفن هو درجة الحرارة التي تتوقف عندها جميع الحركات الجزيئية. منذ الحرارةهوالحركة الجزيئية في أبسط معانيها ، لا تعني الحركة عدم وجود حرارة. لا توجد حرارة تعني درجة حرارة صفر كلفن.

لاحظ أن هذا يختلف عن نقطة التجمد ، مثل الصفر درجة مئوية - لا تزال جزيئات الجليد لها حركات داخلية صغيرة مرتبطة بها ، والمعروفة أيضًا باسم الحرارة. ومع ذلك ، تؤدي تغييرات الطور بين المواد الصلبة والسائلة والغازية إلى تغييرات هائلة في الانتروبيا حسب الاحتمالات المنظمات الجزيئية المختلفة ، أو الدول الدقيقة ، لمادة ما فجأة وبسرعة إما تزيد أو تنقص مع درجة الحرارة.

ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أنه عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق في نظام ما ، فإن الانتروبيا المطلقة للنظام تقترب من قيمة ثابتة. كان هذا صحيحًا في المثال الأخير ، حيث كان النظام هو الكون بأكمله. هذا صحيح أيضًا للأنظمة المغلقة الأصغر - الاستمرار في تبريد كتلة من الجليد إلى درجة حرارة أكثر برودة وستؤدي درجات الحرارة الأكثر برودة إلى إبطاء الجزيئات الداخلية يتحرك أكثر فأكثر حتى يصلوا إلى الحالة الأقل اضطرابًا الممكنة جسديًا ، والتي يمكن وصفها باستخدام قيمة ثابتة للإنتروبيا.

تتعامل معظم حسابات الانتروبيا مع اختلافات الانتروبيا بين أنظمة أو حالات الأنظمة. يتمثل الاختلاف في هذا القانون الثالث للديناميكا الحرارية في أنه يؤدي إلى قيم محددة جيدًا للإنتروبيا نفسها كقيم على مقياس كلفن.

لكي تصبح ثابتة تمامًا ، يجب أن تكون الجزيئات أيضًا في ترتيبها البلوري الأكثر استقرارًا وترتيبًا ، ولهذا السبب يرتبط الصفر المطلق أيضًا بالبلورات المثالية. مثل هذه الشبكة من الذرات مع دولة صغيرة واحدة غير ممكنة في الواقع ، لكن هذه المفاهيم المثالية تدعم القانون الثالث للديناميكا الحرارية وعواقبها.

البلورة التي لم يتم ترتيبها بشكل مثالي سيكون لها بعض الاضطراب المتأصل (الانتروبيا) في بنيتها. نظرًا لأنه يمكن أيضًا وصف الانتروبيا بأنها طاقة حرارية ، فهذا يعني أنه سيكون لديها بعض الطاقة في شكل حرارة - لذلك ، بالتأكيدليسالصفر المطلق.

على الرغم من عدم وجود البلورات المثالية في الطبيعة ، إلا أن تحليل كيفية تغير الانتروبيا مع اقتراب منظمة جزيئية يكشف عن عدة استنتاجات:

• المادة الأكثر تعقيدًا - قل C₁₂ح₂₂ا₁₁ ضد. ح₂ - كلما زاد الانتروبيا التي لا بد أن يكون لها ، حيث يزداد عدد microstates الممكنة مع التعقيد.
• المواد ذات الهياكل الجزيئية المتشابهة لها إنتروبيا متشابهة.
• تمتلك الهياكل ذات الذرات الأصغر والأقل نشاطًا والروابط الاتجاهية ، مثل الروابط الهيدروجينيةأقلالانتروبيا لأن لديهم هياكل أكثر صلابة وترتيبًا.
  

في حين أن العلماء لم يتمكنوا من تحقيق الصفر المطلق في إعدادات المختبر ، إلا أنهم يقتربون أكثر فأكثر طوال الوقت. هذا منطقي لأن القانون الثالث يقترح حدًا لقيمة الإنتروبيا للأنظمة المختلفة ، والتي يقتربون منها مع انخفاض درجة الحرارة.

الأهم من ذلك ، أن القانون الثالث يصف حقيقة مهمة من حقائق الطبيعة: أي مادة عند درجة حرارة أكبر من الصفر المطلق (وبالتالي ، أي مادة معروفة) يجب أن تحتوي على كمية موجبة من الإنتروبيا. علاوة على ذلك ، نظرًا لأنه يعرّف الصفر المطلق كنقطة مرجعية ، يمكننا تحديد الكمية النسبية للطاقة لأي مادة عند أي درجة حرارة.

هذا فرق رئيسي عن القياسات الديناميكية الحرارية الأخرى ، مثل الطاقة أو المحتوى الحراري ، والتي لا توجد لها نقطة مرجعية مطلقة. هذه القيم منطقية فقط بالنسبة للقيم الأخرى.

يؤدي الجمع بين القانونين الثاني والثالث للديناميكا الحرارية إلى استنتاج مفاده أنه في النهاية ، مع تغير كل الطاقة في الكون إلى حرارة ، ستصل إلى درجة حرارة ثابتة. حالة الكون هذه ، التي تسمى بالتوازن الحراري ، لا تتغير ، ولكن عند درجة حرارةأعلىمن الصفر المطلق.

يدعم القانون الثالث أيضًا الآثار المترتبة على القانون الأول للديناميكا الحرارية. ينص هذا القانون على أن التغيير في الطاقة الداخلية لنظام ما يساوي الفرق بين الحرارة المضافة إلى النظام والعمل الذي يقوم به النظام:

أينيوهي الطاقةسهو الحرارة ودبليوهو عمل يقاس عادةً بالجول أو Btus أو السعرات الحرارية).

توضح هذه الصيغة أن المزيد من الحرارة في النظام يعني أنه سيكون لديه المزيد من الطاقة. وهذا بدوره يعني بالضرورة المزيد من الانتروبيا. فكر في بلورة مثالية عند الصفر المطلق - تؤدي إضافة الحرارة إلى بعض الحركة الجزيئية ، ولم يعد الهيكل مرتبًا تمامًا ؛ لديها بعض الانتروبيا.