Τρίτος Νόμος Θερμοδυναμικής: Ορισμός, Εξίσωση & Παραδείγματα

Οι νόμοι της θερμοδυναμικής βοηθούν τους επιστήμονες να κατανοήσουν τα θερμοδυναμικά συστήματα. Ο τρίτος νόμος ορίζει το απόλυτο μηδέν και βοηθά να εξηγήσει ότι η εντροπία ή διαταραχή του σύμπαντος κατευθύνεται προς μια σταθερή, μη μηδενική τιμή.

Η εντροπία περιγράφεται συχνά με λόγια ως μέτρο της ποσότητας διαταραχής σε ένα σύστημα. Αυτός ο ορισμός προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Ludwig Boltzmann το 1877. Ορίζει την εντροπία μαθηματικά ως εξής:

Σε αυτήν την εξίσωση,Γείναι ο αριθμός μικροστατών στο σύστημα (ή ο αριθμός τρόπων παραγγελίας του συστήματος),κείναι η σταθερά Boltzmann (η οποία βρίσκεται διαιρώντας την ιδανική σταθερά αερίου με τη σταθερά Avogadro: 1,380649 × 10⁻²³ J / K) καιστοείναι ο φυσικός λογάριθμος (ένας λογάριθμος στη βάσημι​).

Δύο μεγάλες ιδέες που παρουσιάζονται με αυτόν τον τύπο είναι:

1. Η εντροπία μπορεί να θεωρηθεί ως θερμότητας, ειδικά ως η ποσότητα θερμικής ενέργειας σε ένα κλειστό σύστημα, το οποίο δεν είναι διαθέσιμο για να κάνει χρήσιμη εργασία.
2. Όσο περισσότεροι μικροστάτες ή τρόποι παραγγελίας ενός συστήματος, τόσο περισσότερη εντροπία έχει το σύστημα.

Επιπλέον, η αλλαγή εντροπίας ενός συστήματος καθώς μετακινείται από ένα μακροστατικό σε άλλο μπορεί να περιγραφεί ως:

όπουΤείναι θερμοκρασία καιΕρείναι η θερμότητα που ανταλλάσσεται σε μια αναστρέψιμη διαδικασία καθώς το σύστημα κινείται μεταξύ δύο καταστάσεων.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η συνολική εντροπία του σύμπαντος ή ενός απομονωμένου συστήματος δεν μειώνεται ποτέ. Στη θερμοδυναμική, ένα απομονωμένο σύστημα είναι ένα σύστημα στο οποίο ούτε η θερμότητα ούτε η ύλη δεν μπορούν να εισέλθουν ή να βγουν από τα όρια του συστήματος.

Με άλλα λόγια, σε οποιοδήποτε απομονωμένο σύστημα (συμπεριλαμβανομένου του σύμπαντος), η αλλαγή εντροπίας είναι πάντα μηδενική ή θετική. Αυτό ουσιαστικά σημαίνει ότι οι τυχαίες διαδικασίες τείνουν να οδηγούν σε περισσότερη διαταραχή από την τάξη.

Μια σημαντική έμφαση πέφτει στοτείνω ναμέρος αυτής της περιγραφής. Τυχαίες διαδικασίεςθα μπορούσεοδηγεί σε περισσότερη τάξη παρά διαταραχή χωρίς παραβίαση των φυσικών νόμων, αλλά είναι πολύ λιγότερο πιθανό να συμβεί.

Τελικά, η αλλαγή εντροπίας για το σύμπαν συνολικά θα είναι μηδέν. Σε αυτό το σημείο, το σύμπαν θα έχει φθάσει στη θερμική ισορροπία, με όλη την ενέργεια με τη μορφή θερμικής ενέργειας στην ίδια μη μηδενική θερμοκρασία. Αυτό συχνά αναφέρεται ως ο θερμός θάνατος του σύμπαντος.

Οι περισσότεροι άνθρωποι σε όλο τον κόσμο συζητούν τη θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου, ενώ μερικές χώρες χρησιμοποιούν την κλίμακα Fahrenheit. Ωστόσο, οι επιστήμονες παντού χρησιμοποιούν το Kelvins ως τη βασική τους μονάδα απόλυτης μέτρησης θερμοκρασίας.

Αυτή η κλίμακα βασίζεται σε μια συγκεκριμένη φυσική βάση: Απόλυτο μηδέν Kelvin είναι η θερμοκρασία στην οποία παύει όλη η μοριακή κίνηση. Από τη ζέστηείναιμοριακή κίνηση με την απλούστερη έννοια, καμία κίνηση δεν σημαίνει θερμότητα. Καμία θερμότητα σημαίνει θερμοκρασία μηδέν Kelvin.

Σημειώστε ότι αυτό διαφέρει από το σημείο πήξης, όπως μηδέν βαθμούς Κελσίου - τα μόρια του πάγου εξακολουθούν να έχουν μικρές εσωτερικές κινήσεις που σχετίζονται με αυτά, επίσης γνωστά ως θερμότητα. Οι αλλαγές φάσης μεταξύ στερεού, υγρού και αερίου, ωστόσο, οδηγούν σε μαζικές αλλαγές στην εντροπία ως πιθανότητες διαφορετικοί μοριακοί οργανισμοί, ή μικροστάτες, μιας ουσίας ξαφνικά και γρήγορα είτε αυξάνονται είτε μειώνονται με το θερμοκρασία.

Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ότι καθώς η θερμοκρασία πλησιάζει το απόλυτο μηδέν σε ένα σύστημα, η απόλυτη εντροπία του συστήματος πλησιάζει μια σταθερή τιμή. Αυτό ισχύει στο τελευταίο παράδειγμα, όπου το σύστημα ήταν ολόκληρο το σύμπαν. Είναι επίσης αλήθεια για μικρότερα κλειστά συστήματα - η συνέχιση της ψύξης πάγου σε ψυχρότερες και ψυχρότερες θερμοκρασίες θα επιβραδύνει το εσωτερικό μοριακό κινήσεις όλο και περισσότερο έως ότου φθάσουν στην λιγότερο διαταραγμένη κατάσταση που είναι φυσικά δυνατή, η οποία μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας μια σταθερή τιμή εντροπίας.

Οι περισσότεροι υπολογισμοί εντροπίας ασχολούνται με διαφορές εντροπίας μεταξύ συστημάτων ή καταστάσεων συστημάτων. Η διαφορά σε αυτόν τον τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής είναι ότι οδηγεί σε σαφώς καθορισμένες τιμές της εντροπίας ως τιμές στην κλίμακα Kelvin.

Για να γίνουν τέλεια ακίνητα, τα μόρια πρέπει επίσης να είναι στην πιο σταθερή, διατεταγμένη κρυσταλλική διάταξη τους, γι 'αυτό το απόλυτο μηδέν σχετίζεται επίσης με τέλειους κρυστάλλους. Ένα τέτοιο πλέγμα ατόμων με μόνο ένα μικροστάτη δεν είναι δυνατό στην πραγματικότητα, αλλά αυτές οι ιδανικές αντιλήψεις στηρίζουν τον τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής και τις συνέπειές του.

Ένας κρύσταλλος που δεν είναι τέλεια τοποθετημένος θα έχει κάποια εγγενή διαταραχή (εντροπία) στη δομή του. Επειδή η εντροπία μπορεί επίσης να περιγραφεί ως θερμική ενέργεια, αυτό σημαίνει ότι θα είχε κάποια ενέργεια με τη μορφή θερμότητας - έτσι, αποφασιστικάδεναπόλυτο μηδενικό.

Αν και δεν υπάρχουν τέλειοι κρύσταλλοι στη φύση, μια ανάλυση για το πώς αλλάζει η εντροπία καθώς πλησιάζει μια μοριακή οργάνωση αποκαλύπτει διάφορα συμπεράσματα:

• Η πιο περίπλοκη ουσία - ας πούμε Γ₁₂Η₂₂Ο₁₁ εναντίον Η₂ - όσο περισσότερη εντροπία είναι υποχρεωμένη να έχει, καθώς ο αριθμός των πιθανών μικροστατών αυξάνεται με την πολυπλοκότητα.
• Ουσίες με παρόμοιες μοριακές δομές έχουν παρόμοιες εντροπίες.
• Δομές με μικρότερα, λιγότερο ενεργητικά άτομα και πιο κατευθυντικούς δεσμούς, όπως οι δεσμοί υδρογόνου, έχουνπιο λιγοεντροπία καθώς έχουν πιο άκαμπτες και τακτοποιημένες δομές.
  

Ενώ οι επιστήμονες δεν κατάφεραν ποτέ να επιτύχουν απόλυτο μηδέν σε εργαστηριακές ρυθμίσεις, πλησιάζουν όλο και περισσότερο. Αυτό έχει νόημα επειδή ο τρίτος νόμος προτείνει ένα όριο στην τιμή της εντροπίας για διαφορετικά συστήματα, τα οποία προσεγγίζουν καθώς μειώνεται η θερμοκρασία.

Το πιο σημαντικό, ο τρίτος νόμος περιγράφει μια σημαντική αλήθεια της φύσης: Κάθε ουσία σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδέν (επομένως, οποιαδήποτε γνωστή ουσία) πρέπει να έχει θετική ποσότητα εντροπίας. Επιπλέον, επειδή ορίζει το απόλυτο μηδέν ως σημείο αναφοράς, είμαστε σε θέση να ποσοτικοποιήσουμε τη σχετική ποσότητα ενέργειας οποιασδήποτε ουσίας σε οποιαδήποτε θερμοκρασία.

Αυτή είναι μια βασική διαφορά από άλλες θερμοδυναμικές μετρήσεις, όπως η ενέργεια ή η ενθαλπία, για τις οποίες δεν υπάρχει απόλυτο σημείο αναφοράς. Αυτές οι τιμές έχουν νόημα μόνο σε σχέση με άλλες τιμές.

Η συγκέντρωση του δεύτερου και τρίτου νόμου της θερμοδυναμικής οδηγεί στο συμπέρασμα ότι τελικά, καθώς όλη η ενέργεια στο σύμπαν αλλάζει σε θερμότητα, θα φτάσει σε μια σταθερή θερμοκρασία. Ονομάζεται θερμική ισορροπία, αυτή η κατάσταση του σύμπαντος είναι αμετάβλητη, αλλά σε θερμοκρασίαπιο ψηλάαπό το απόλυτο μηδέν.

Ο τρίτος νόμος υποστηρίζει επίσης τις συνέπειες του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής. Αυτός ο νόμος αναφέρει ότι η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας για ένα σύστημα ισούται με τη διαφορά μεταξύ της θερμότητας που προστίθεται στο σύστημα και της εργασίας που πραγματοποιείται από το σύστημα:

ΟπουΕείναι ενέργεια, Εείναι θερμότητα καιΔείναι δουλειά, όλα συνήθως μετρούνται σε joules, Btus ή θερμίδες).

Αυτός ο τύπος δείχνει ότι περισσότερη θερμότητα σε ένα σύστημα σημαίνει ότι θα έχει περισσότερη ενέργεια. Αυτό με τη σειρά του σημαίνει απαραίτητα περισσότερη εντροπία. Σκεφτείτε έναν τέλειο κρύσταλλο στο απόλυτο μηδέν - η προσθήκη θερμότητας εισάγει κάποια μοριακή κίνηση και η δομή δεν είναι πλέον τέλεια ταξινομημένη. έχει κάποια εντροπία.