Kolmas termodünaamikaseadus: definitsioon, võrrand ja näited

Termodünaamika seadused aitavad teadlastel mõista termodünaamilisi süsteeme. Kolmas seadus määratleb absoluutse nulli ja aitab selgitada, et universumi entroopia ehk häire suundub püsiva, nullist erineva väärtuse poole.

Entroopiat kirjeldatakse sõnades sageli kui häire suurust süsteemis. Selle definitsiooni pakkus esmakordselt välja Ludwig Boltzmann 1877. aastal. Ta määratles entroopia matemaatiliselt nii:

Selles võrrandisYon süsteemis olevate mikropositsioonide arv (või süsteemi tellimisviiside arv),kon Boltzmanni konstant (mis leitakse ideaalse gaasikonstandi jagamisel Avogadro konstandiga: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) jalnon looduslik logaritm (logaritm alusenie​).

Selle valemiga demonstreeritud kaks suurt ideed on:

1. Entroopiat võib mõelda soojuse osas, täpsemalt kui soojusenergia hulka suletud süsteemis, mis pole kasuliku töö tegemiseks kättesaadav.
2. Mida rohkem on mikrotasemeid või süsteemi tellimise viise, seda rohkem on süsteemil entroopiat.

Lisaks võib süsteemi entroopia muutust ühelt makrostaadilt teisele liigitades kirjeldada järgmiselt:

kusTon temperatuur jaQon pöördprotsessis vahetatav soojus, kui süsteem liigub kahe oleku vahel.

Termodünaamika teine ​​seadus ütleb, et universumi või isoleeritud süsteemi kogu entroopia ei vähene kunagi. Termodünaamikas on isoleeritud süsteem, milles ei soojus ega aine ei saa süsteemi piiridesse siseneda ega neist väljuda.

Teisisõnu, mis tahes isoleeritud süsteemis (ka universumis) on entroopia muutus alati null või positiivne. Mida see sisuliselt tähendab, on see, et juhuslikud protsessid toovad tavaliselt kaasa rohkem korrarikkumisi kui korda.

Oluline rõhk langebkippumaosa sellest kirjeldusest. Juhuslikud protsessidvõiksviia rohkem korda kui korrarikkumisi, rikkumata loodusseadusi, kuid see juhtub lihtsalt tunduvalt vähem.

Lõpuks võrdub universumi entroopia muutus nulliga. Sel hetkel on universum saavutanud termilise tasakaalu, kusjuures kogu energia on soojusenergia kujul samal nullistemperatuuril. Seda nimetatakse sageli universumi kuumaks surmaks.

Enamik inimesi üle maailma arutavad temperatuuri Celsiuse kraadides, mõned riigid kasutavad Fahrenheiti skaalat. Teadlased aga kasutavad kõikjal Kelvinsi absoluutse temperatuuri mõõtmise põhiühikuna.

See skaala on üles ehitatud kindlale füüsikalisele alusele: Absoluutne null Kelvin on temperatuur, mille juures kogu molekulaarne liikumine lakkab. Kuumusest saadikonmolekulaarliikumine kõige lihtsamas tähenduses ei tähenda ükski liikumine soojust. Ükski kuumus ei tähenda nulli kelvinite temperatuuri.

Pange tähele, et see erineb külmumispunktist, näiteks null kraadi Celsiuse järgi - jäämolekulidel on endiselt väikesed sisemised liikumised, mida nimetatakse ka kuumuseks. Tahkete, vedelate ja gaasiliste faasimuutused toovad entroopias kui võimalustes kaasa tohutuid muutusi - aine erinevad molekulaarsed organisatsioonid või mikroseisundid äkki ja kiiresti kas suurenevad või vähenevad koos ainega temperatuur.

Termodünaamika kolmas seadus ütleb, et kui temperatuur läheneb süsteemis absoluutsele nullile, läheneb süsteemi absoluutne entroopia püsivale väärtusele. See kehtis viimases näites, kus süsteem oli kogu universum. See kehtib ka väiksemate suletud süsteemide puhul - jääploki jätkamine külmematele ja külmematele temperatuuridele aeglustab selle sisemist molekulaarset liigub üha enam, kuni jõuab füüsiliselt võimalikult vähese korratuseta olekusse, mida saab kirjeldada entroopia püsiväärtuse abil.

Enamik entroopiaarvutustest käsitlevad entroopia erinevusi süsteemide või süsteemide olekute vahel. Selle kolmanda termodünaamikaseaduse erinevus seisneb selles, et see toob endaga täpselt määratletud entroopia väärtused Kelvini skaalal.

Täiuslikult liikumatuks muutumiseks peavad molekulid olema ka kõige stabiilsemas, järjestatud kristalses paigutuses, mistõttu absoluutne null on seotud ka täiuslike kristallidega. Selline aatomivõre, millel on ainult üks mikrostaat, pole tegelikkuses võimalik, kuid need ideaalsed kontseptsioonid toetavad termodünaamika kolmandat seadust ja selle tagajärgi.

Täiuslikult paigutamata kristalli struktuuris on mingi olemuslik häire (entroopia). Kuna entroopiat võib kirjeldada ka kui soojusenergiat, tähendab see, et sellel oleks teatud osa soojust - seega kindlaltmitteabsoluutne null.

Ehkki täiuslikke kristalle looduses ei eksisteeri, paljastab analüüs, kuidas entroopia molekulaarse organisatsiooni lähenemisel läheneb, mitmele järeldusele:

• Keerukam aine - öelge C₁₂H₂₂O₁₁ vs. H₂ - seda rohkem on entroopiat, kuna keerukusega suureneb võimalike mikroseisude arv.
• Sarnase molekulaarse struktuuriga ainetel on sarnased entroopiad.
• Väiksemate, vähem energiliste aatomitega ja suurema suuna sidemetega struktuurid nagu vesiniksidemed onvähementroopia, kuna neil on jäigemad ja korrastatumad struktuurid.
  

Kuigi teadlastel pole kunagi õnnestunud labori tingimustes absoluutset nulli saavutada, lähevad nad kogu aeg lähemale. See on mõttekas, sest kolmas seadus soovitab piirata entroopia väärtust erinevate süsteemide jaoks, millele nad lähenevad temperatuuri langedes.

Kõige tähtsam on see, et kolmas seadus kirjeldab olulist loodustõde: igal ainel, mille temperatuur ületab absoluutset nulli (seega kõigil teadaolevatel ainetel), peab entroopia olema positiivne. Lisaks sellele, kuna see määratleb absoluutse nulli võrdluspunktina, suudame kvantifitseerida mis tahes aine suhtelise energiakoguse mis tahes temperatuuril.

See on oluline erinevus teistest termodünaamilistest mõõtmistest, näiteks energiast või entalpiast, mille absoluutset võrdluspunkti pole. Neil väärtustel on mõte ainult teiste väärtuste suhtes.

Termodünaamika teise ja kolmanda seaduse kokku panemine viib järeldusele, et lõpuks, kui kogu universumi energia muutub soojuseks, saavutab see püsiva temperatuuri. Termiliseks tasakaaluks nimetatud universumi see olek on muutumatu, kuid temperatuurilkõrgemkui absoluutne null.

Kolmas seadus toetab ka termodünaamika esimese seaduse tagajärgi. Selles seaduses on öeldud, et süsteemi siseenergia muutus võrdub süsteemile lisatud soojuse ja süsteemi tehtud töö erinevusega:

KusUon energia, Qon soojus jaWon töö, mida tavaliselt mõõdetakse džaulides, BTUS-des või kalorites).

See valem näitab, et rohkem soojust süsteemis tähendab, et sellel on rohkem energiat. See omakorda tähendab tingimata rohkem entroopiat. Mõelge täiuslikule kristallile absoluutsel nullil - soojuse lisamine toob sisse molekulaarse liikumise ja struktuur pole enam täiuslikult korrastatud; sellel on teatav entroopia.