Třetí zákon termodynamiky: definice, rovnice a příklady

Zákony termodynamiky pomáhají vědcům porozumět termodynamickým systémům. Třetí zákon definuje absolutní nulu a pomáhá vysvětlit, že entropie neboli porucha vesmíru směřuje ke konstantní nenulové hodnotě.

Entropie je často popisována slovy jako míra míry poruchy v systému. Tuto definici poprvé navrhl Ludwig Boltzmann v roce 1877. Matematicky definoval entropii takto:

V této rovniciYje počet mikrostavů v systému (nebo počet způsobů, jak lze systém objednat),kje Boltzmannova konstanta (která se zjistí dělením konstanty ideálního plynu Avogadrovou konstantou: 1,380649 × 10⁻²³ J / K) alnje přirozený logaritmus (logaritmus k základněE​).

U tohoto vzorce jsou demonstrovány dva velké nápady:

1. Entropii lze chápat z hlediska tepla, konkrétně jako množství tepelné energie v uzavřeném systému, které není k dispozici pro užitečnou práci.
2. Čím více mikrostavů nebo způsobů objednání systému, tím větší entropie má systém.

Navíc lze změnu entropie systému při přechodu z jednoho makrostátu do druhého popsat jako:

kdeTje teplota aQje teplo vyměňované v reverzibilním procesu, když se systém pohybuje mezi dvěma stavy.

Druhý zákon termodynamiky říká, že celková entropie vesmíru nebo izolované soustavy nikdy neklesá. V termodynamice je izolovaný systém takový, ve kterém ani teplo, ani hmota nemohou vstoupit nebo opustit hranice systému.

Jinými slovy, v jakémkoli izolovaném systému (včetně vesmíru) je změna entropie vždy nulová nebo pozitivní. To v podstatě znamená, že náhodné procesy mají tendenci vést k většímu nepořádku než k řádu.

Důležitý důraz se klade namají tendencičást tohoto popisu. Náhodné procesymohlvést k většímu řádu než nepořádku bez porušení přírodních zákonů, ale je mnohem méně pravděpodobné, že k němu dojde.

Nakonec se změna entropie pro vesmír bude rovnat nule. V tomto bodě dosáhne vesmír tepelné rovnováhy, přičemž veškerá energie bude ve formě tepelné energie při stejné nenulové teplotě. Toto se často označuje jako tepelná smrt vesmíru.

Většina lidí na celém světě diskutuje o teplotě ve stupních Celsia, zatímco několik zemí používá stupnici Fahrenheita. Vědci všude však používají Kelviny jako svou základní jednotku absolutního měření teploty.

Tato stupnice je postavena na konkrétním fyzickém základě: Absolutní nula Kelvinu je teplota, při které veškerý molekulární pohyb končí. Od horkajemolekulární pohyb v nejjednodušším smyslu, žádný pohyb neznamená žádné teplo. Žádné teplo neznamená teplotu nula Kelvinů.

Všimněte si, že se to liší od bodu mrazu, jako je nula stupňů Celsia - molekuly ledu mají stále s nimi spojené malé vnitřní pohyby, známé také jako teplo. Fázové změny mezi pevnou látkou, kapalinou a plynem však vedou k masivním změnám entropie jako možnosti různé molekulární organizace nebo mikrostavy látky se náhle a rychle zvyšují nebo snižují s teplota.

Třetí zákon termodynamiky uvádí, že když se teplota v systému blíží absolutní nule, absolutní entropie systému se blíží konstantní hodnotě. To platilo v posledním příkladu, kdy systém byl celý vesmír. Platí to i pro menší uzavřené systémy - pokračující chlazení bloku ledu na chladnější a nižší teploty zpomalí jeho vnitřní molekulární pohyby stále více a více, dokud nedosáhnou nejméně neuspořádaného stavu, který je fyzicky možný, což lze popsat pomocí konstantní hodnoty entropie.

Většina výpočtů entropie se zabývá rozdíly v entropii mezi systémy nebo stavy systémů. Rozdíl v tomto třetím zákonu termodynamiky spočívá v tom, že vede k dobře definovaným hodnotám samotné entropie jako hodnot na Kelvinově stupnici.

Aby se molekuly dokonale uklidnily, musí být také ve svém nejstabilnějším uspořádaném krystalickém uspořádání, a proto je absolutní nula také spojena s dokonalými krystaly. Taková mřížka atomů pouze s jedním mikrostavem není ve skutečnosti možná, ale tyto ideální koncepce podporují třetí zákon termodynamiky a jeho důsledky.

Krystal, který není dokonale uspořádán, by měl ve své struktuře nějakou inherentní poruchu (entropii). Protože entropii lze také popsat jako tepelnou energii, znamená to, že by měla nějakou energii ve formě tepla - tedy rozhodněneabsolutní nula.

Ačkoli dokonalé krystaly v přírodě neexistují, analýza toho, jak se entropie mění, jak se blíží molekulární organizace, odhaluje několik závěrů:

• Složitější látka - řekněme C.₁₂H₂₂Ó₁₁ vs. H₂ - čím více entropie to bude mít, protože počet možných mikrostavů se zvyšuje se složitostí.
• Látky s podobnými molekulárními strukturami mají podobné entropie.
• Struktury s menšími, méně energetickými atomy a více směrovými vazbami, jako jsou vodíkové vazby, majíméněentropie, protože mají pevnější a uspořádanější struktury.
  

Zatímco vědci nikdy nebyli schopni dosáhnout absolutní nuly v laboratorních podmínkách, stále se přibližují a přibližují. To dává smysl, protože třetí zákon navrhuje omezení hodnoty entropie pro různé systémy, ke kterým se přibližují při poklesu teploty.

Nejdůležitější je, že třetí zákon popisuje důležitou pravdu přírody: Jakákoli látka při teplotě vyšší než absolutní nula (tedy jakákoli známá látka) musí mít kladné množství entropie. Navíc, protože definuje absolutní nulu jako referenční bod, jsme schopni kvantifikovat relativní množství energie jakékoli látky při jakékoli teplotě.

To je klíčový rozdíl od jiných termodynamických měření, jako je energie nebo entalpie, pro které neexistuje absolutní referenční bod. Tyto hodnoty mají smysl pouze ve vztahu k ostatním hodnotám.

Spojení druhého a třetího termodynamického zákona vede k závěru, že nakonec, jak se veškerá energie ve vesmíru změní na teplo, dosáhne konstantní teploty. Tento stav vesmíru, který se nazývá tepelná rovnováha, se nemění, ale při teplotěvyššínež absolutní nula.

Třetí zákon také podporuje důsledky prvního zákona termodynamiky. Tento zákon stanoví, že změna vnitřní energie pro systém se rovná rozdílu mezi teplem přidaným do systému a prací provedenou systémem:

KdeUje energie, Qje teplo aŽje práce, vše obvykle měřeno v joulech, Btus nebo kaloriích).

Tento vzorec ukazuje, že více tepla v systému znamená, že bude mít více energie. To zase nutně znamená více entropie. Přemýšlejte o dokonalém krystalu při absolutní nule - přidání tepla vnáší určitý molekulární pohyb a struktura již není dokonale uspořádaná; má nějakou entropii.