Tredje lov om termodynamik: definition, ligning og eksempler

Lovene om termodynamik hjælper forskere med at forstå termodynamiske systemer. Den tredje lov definerer absolut nul og hjælper med at forklare, at universets entropi eller uorden er på vej mod en konstant, ikke-nul værdi.

Entropi beskrives ofte med ord som et mål for mængden af ​​uorden i et system. Denne definition blev først foreslået af Ludwig Boltzmann i 1877. Han definerede entropi matematisk sådan:

I denne ligningYer antallet af mikrostater i systemet (eller antallet af måder, systemet kan bestilles på),ker Boltzmann-konstanten (som findes ved at dividere den ideelle gaskonstant med Avogadros konstant: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) oglner den naturlige logaritme (en logaritme til basene​).

To store ideer demonstreret med denne formel er:

1. Entropi kan tænkes i form af varme, specifikt som mængden af ​​termisk energi i et lukket system, som ikke er tilgængelig til at udføre nyttigt arbejde.
2. Jo flere mikrostater eller måder at bestille et system på, jo mere entropi har systemet.

Derudover kan ændringen i et systems entropi, når det bevæger sig fra en makrostat til en anden, beskrives som:

hvorTer temperatur ogSpørgsmåler den varme, der udveksles i en reversibel proces, når systemet bevæger sig mellem to tilstande.

Den anden lov om termodynamik siger, at universets samlede entropi eller et isoleret system aldrig falder. I termodynamik er et isoleret system, hvor hverken varme eller stof kan komme ind eller ud af systemets grænser.

Med andre ord, i ethvert isoleret system (inklusive universet) er entropiændring altid nul eller positiv. Hvad dette i det væsentlige betyder er, at tilfældige processer har tendens til at føre til mere uorden end orden.

En vigtig vægt lægges påhar det med atdel af beskrivelsen. Tilfældige processerkunneføre til mere orden end uorden uden at krænke naturlove, men det er bare langt mindre sandsynligt, at det sker.

Til sidst vil ændringen i entropi for universet generelt være nul. På det tidspunkt vil universet have nået termisk ligevægt med al energi i form af termisk energi ved den samme temperatur uden nul. Dette kaldes ofte universets varmedød.

De fleste mennesker rundt om i verden diskuterer temperatur i grader Celsius, mens nogle få lande bruger Fahrenheit-skalaen. Forskere overalt bruger dog Kelvins som deres grundlæggende enhed for absolut temperaturmåling.

Denne skala er bygget på et bestemt fysisk grundlag: Absolut nul Kelvin er den temperatur, hvor al molekylær bevægelse ophører. Siden varmeermolekylær bevægelse i den enkleste forstand, ingen bevægelse betyder ingen varme. Ingen varme betyder en temperatur på nul Kelvin.

Bemærk at dette er forskelligt fra et frysepunkt, ligesom nul grader Celsius - ismolekyler har stadig små indre bevægelser forbundet med dem, også kendt som varme. Faseændringer mellem fast, flydende og gas fører dog til massive ændringer i entropi som mulighederne for forskellige molekylære organisationer eller mikrostater af et stof pludselig og hurtigt enten stiger eller formindskes med temperatur.

Den tredje lov om termodynamik siger, at når temperaturen nærmer sig absolut nul i et system, nærmer den absolutte entropi sig en konstant værdi. Dette var sandt i det sidste eksempel, hvor systemet var hele universet. Det gælder også for mindre lukkede systemer - fortsat nedkøling af en isblok til koldere og koldere temperaturer vil bremse dens indre molekylære bevæger sig mere og mere, indtil de når den mindst uordnede tilstand, der er fysisk mulig, hvilket kan beskrives ved hjælp af en konstant værdi af entropi.

De fleste entropi-beregninger beskæftiger sig med entropi-forskelle mellem systemer eller tilstande af systemer. Forskellen i denne tredje lov om termodynamik er, at den fører til veldefinerede værdier for selve entropien som værdier på Kelvin-skalaen.

For at blive helt stille skal molekyler også være i deres mest stabile, ordnede krystallinske arrangement, hvorfor absolut nul også er forbundet med perfekte krystaller. Et sådant gitter af atomer med kun en mikrostat er ikke muligt i virkeligheden, men disse ideelle opfattelser understøtter den tredje lov om termodynamik og dens konsekvenser.

En krystal, der ikke er perfekt arrangeret, ville have en eller anden iboende lidelse (entropi) i dens struktur. Fordi entropi også kan beskrives som termisk energi, betyder det, at den ville have noget energi i form af varme - så bestemtikkeabsolut nul.

Selvom perfekte krystaller ikke findes i naturen, afslører en analyse af, hvordan entropi ændres, når en molekylær organisation nærmer sig en, flere konklusioner:

• Jo mere komplekst et stof - sig C₁₂H₂₂O₁₁ vs. H₂ - jo mere entropi er det bundet til at have, da antallet af mulige mikrostater øges med kompleksiteten.
• Stoffer med lignende molekylære strukturer har lignende entropier.
• Strukturer med mindre, mindre energiske atomer og mere retningsbestemte bindinger, som hydrogenbindinger, harmindreentropi, da de har mere stive og ordnede strukturer.
  

Mens forskere aldrig har været i stand til at opnå absolut nul i laboratorieindstillinger, kommer de tættere og tættere på hele tiden. Dette giver mening, fordi den tredje lov foreslår en grænse for entropiværdien for forskellige systemer, som de nærmer sig, når temperaturen falder.

Vigtigst er det, at den tredje lov beskriver en vigtig naturens sandhed: Ethvert stof ved en temperatur større end absolut nul (altså ethvert kendt stof) skal have en positiv mængde entropi. Desuden, fordi det definerer absolut nul som referencepunkt, er vi i stand til at kvantificere den relative mængde energi af ethvert stof ved enhver temperatur.

Dette er en nøgleforskel fra andre termodynamiske målinger, såsom energi eller entalpi, for hvilke der ikke er noget absolut referencepunkt. Disse værdier giver kun mening i forhold til andre værdier.

At sammensætte den anden og tredje lov om termodynamik fører til den konklusion, at når alt energi i universet ændres til varme, når det til sidst en konstant temperatur. Kaldt termisk ligevægt, denne tilstand af universet er uændret, men ved en temperaturhøjereend absolut nul.

Den tredje lov understøtter også implikationer af den første lov om termodynamik. Denne lov fastslår, at ændringen i intern energi for et system er lig med forskellen mellem varmen tilføjet til systemet og det arbejde, systemet udfører:

HvorUer energi, Qer varme ogWer arbejde, alt sammen målt i joule, Btus eller kalorier).

Denne formel viser, at mere varme i et system betyder, at det vil have mere energi. Det betyder igen nødvendigvis mere entropi. Tænk på en perfekt krystal ved absolut nul - tilføjelse af varme introducerer en vis molekylær bevægelse, og strukturen er ikke længere perfekt ordnet; det har en vis entropi.