Трети закон на термодинамиката: дефиниция, уравнение и примери

Законите на термодинамиката помагат на учените да разберат термодинамичните системи. Третият закон определя абсолютната нула и помага да се обясни, че ентропията или разстройството на Вселената се насочва към постоянна, ненулева стойност.

Ентропията често се описва с думи като мярка за размера на разстройството в системата. Тази дефиниция е предложена за първи път от Лудвиг Болцман през 1877 година. Той дефинира ентропията математически по следния начин:

В това уравнениеY.е броят на микросъстоянията в системата (или броя на начините, по които системата може да бъде поръчана),ке константата на Болцман (която се намира чрез разделяне на идеалната газова константа на константата на Авогадро: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) иlnе естественият логаритъм (логаритъм към основатад​).

Две големи идеи, демонстрирани с тази формула са:

1. Ентропията може да се разглежда от гледна точка на топлина, по-специално като количеството топлинна енергия в затворена система, което не е на разположение за полезна работа.
2. Колкото повече микросъстояния или начини за поръчка на система, толкова по-голяма ентропия има системата.

Освен това, промяната в ентропията на системата при преминаване от една макросъстояние в друга може да бъде описана като:

къдетоTе температурата иВъпрос:е топлината, обменяна в обратим процес, докато системата се движи между две състояния.

Вторият закон на термодинамиката гласи, че пълната ентропия на Вселената или на изолирана система никога не намалява. В термодинамиката изолирана система е тази, при която нито топлината, нито материята могат да влязат или излязат от границите на системата.

С други думи, във всяка изолирана система (включително Вселената) промяната на ентропията винаги е нула или положителна. Това по същество означава, че случайните процеси водят до повече разстройство, отколкото ред.

Важен акцент пада върхуима тенденция вчаст от това описание. Случайни процесибих могълводят до повече ред, отколкото разстройство, без да нарушават природните закони, но е много по-малко вероятно да се случи.

В крайна сметка промяната в ентропията за Вселената като цяло ще бъде равна на нула. В този момент Вселената ще е достигнала топлинно равновесие, с цялата енергия под формата на топлинна енергия при същата ненулева температура. Това често се нарича топлинна смърт на Вселената.

Повечето хора по света обсъждат температурата в градуси по Целзий, докато няколко страни използват скалата на Фаренхайт. Учените навсякъде обаче използват келвините като основна единица за измерване на абсолютната температура.

Тази скала е изградена на определена физическа основа: Абсолютната нула Келвин е температурата, при която всяко молекулярно движение спира. Тъй като топлинаемолекулярно движение в най-простия смисъл, никакво движение не означава никаква топлина. Никаква топлина не означава температура от нула Келвин.

Имайте предвид, че това е различно от точката на замръзване, като нула градуса по Целзий - молекулите лед все още имат малки вътрешни движения, свързани с тях, известни също като топлина. Фазовите промени между твърдо вещество, течност и газ обаче водят до огромни промени в ентропията като възможности за различни молекулни организации или микросъстояния на дадено вещество внезапно и бързо или се увеличават или намаляват с температура.

Третият закон на термодинамиката гласи, че когато температурата се приближава до абсолютната нула в системата, абсолютната ентропия на системата се приближава до постоянна стойност. Това беше вярно в последния пример, където системата беше цялата Вселена. Това важи и за по-малки затворени системи - продължаването на охлаждането на блок лед до по-студени и по-студени температури ще забави вътрешната му молекулна движи се все повече и повече, докато достигнат най-малко неподреденото състояние, което е физически възможно, което може да се опише с помощта на постоянна стойност на ентропията.

Повечето изчисления на ентропията се занимават с разликите в ентропията между системите или състоянията на системите. Разликата в този трети закон на термодинамиката е, че той води до добре дефинирани стойности на самата ентропия като стойности по скалата на Келвин.

За да станат напълно неподвижни, молекулите трябва да бъдат и в най-стабилното си, подредено кристално разположение, поради което абсолютната нула също се свързва с перфектни кристали. Подобна решетка на атоми само с една микродържава в действителност не е възможна, но тези идеални концепции стоят в основата на третия закон на термодинамиката и нейните последици.

Кристал, който не е идеално подреден, би имал някакво присъщо разстройство (ентропия) в структурата си. Тъй като ентропията може да се опише и като топлинна енергия, това означава, че тя ще има известна енергия под формата на топлина - така че решителнонеабсолютна нула.

Въпреки че в природата не съществуват перфектни кристали, анализ на това как се променя ентропията с приближаването на молекулярната организация разкрива няколко заключения:

• Колкото по-сложно е веществото - да кажем С₁₂Н₂₂О₁₁ срещу. Н₂ - колкото повече ентропия има да има, тъй като броят на възможните микросъстояния нараства със сложността.
• Веществата с подобна молекулярна структура имат подобни ентропии.
• Структури с по-малки, по-малко енергийни атоми и по-насочени връзки, като водородните връзки, иматпо-малкоентропия, тъй като те имат по-твърди и подредени структури.
  

Въпреки че учените никога не са успели да постигнат абсолютна нула в лабораторни условия, те се приближават все повече и повече през цялото време. Това има смисъл, тъй като третият закон предлага ограничение на стойността на ентропията за различните системи, към които те се приближават при спадане на температурата.

Най-важното е, че третият закон описва важна природна истина: Всяко вещество при температура, по-голяма от абсолютната нула (следователно, всяко известно вещество) трябва да има положително количество ентропия. Освен това, тъй като определя абсолютната нула като референтна точка, ние сме в състояние да определим количествено относителното количество енергия на всяко вещество при всякаква температура.

Това е ключова разлика от другите термодинамични измервания, като енергия или енталпия, за които няма абсолютна референтна точка. Тези стойности имат смисъл само по отношение на други стойности.

Съставянето на втория и третия закон на термодинамиката води до заключението, че в крайна сметка, тъй като цялата енергия във Вселената се превръща в топлина, тя ще достигне постоянна температура. Наречено термично равновесие, това състояние на Вселената е непроменено, но при температурапо-високот абсолютната нула.

Третият закон също подкрепя значението на първия закон на термодинамиката. Този закон гласи, че промяната във вътрешната енергия на системата е равна на разликата между добавената към системата топлина и работата, извършена от системата:

КъдетоUе енергия, Qе топлина иWе работа, всичко обикновено се измерва в джаули, Btus или калории).

Тази формула показва, че повече топлина в системата означава, че тя ще има повече енергия. Това от своя страна непременно означава повече ентропия. Помислете за перфектен кристал при абсолютна нула - добавянето на топлина въвежда известно молекулярно движение и структурата вече не е идеално подредена; има някаква ентропия.