Kolmas termodynamiikan laki: Määritelmä, yhtälö ja esimerkkejä

Termodynamiikan lait auttavat tutkijoita ymmärtämään termodynaamisia järjestelmiä. Kolmas laki määrittelee absoluuttisen nollan ja auttaa selittämään, että maailmankaikkeuden entropia eli häiriö on kohti vakioarvoa, joka ei ole nolla.

Entropiaa kuvataan usein sanoin mittauksena häiriön määrästä järjestelmässä. Tämän määritelmän ehdotti ensimmäisen kerran Ludwig Boltzmann vuonna 1877. Hän määritteli entropian matemaattisesti näin:

Tässä yhtälössäYon järjestelmässä olevien mikrotilojen määrä (tai kuinka monta tapaa järjestelmä voidaan tilata),kon Boltzmann-vakio (joka saadaan jakamalla ihanteellinen kaasuvakio Avogadron vakiolla: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) jalnon luonnollinen logaritmi (logaritmi pohjaane​).

Kaksi suurta ajatusta, jotka on esitetty tällä kaavalla, ovat:

1. Entropiaa voidaan ajatella lämmöllä, erityisesti lämpöenergian määränä suljetussa järjestelmässä, jota ei ole käytettävissä hyödyllisen työn tekemiseen.
2. Mitä enemmän mikrotiloja tai tapoja tilata järjestelmää, sitä enemmän järjestelmässä on entropiaa.

Lisäksi järjestelmän entropian muutosta sen siirtyessä makrosta tilasta toiseen voidaan kuvata seuraavasti:

missäTon lämpötila jaQon lämmönvaihto palautuvassa prosessissa järjestelmän liikkuessa kahden tilan välillä.

Termodynamiikan toisen lain mukaan maailmankaikkeuden tai eristetyn järjestelmän kokonaisentropia ei koskaan vähene. Termodynamiikassa eristetty järjestelmä on sellainen, jossa lämpö eikä aine ei pääse järjestelmän rajoihin tai poistu niistä.

Toisin sanoen missä tahansa eristetyssä järjestelmässä (mukaan lukien maailmankaikkeus) entropian muutos on aina nolla tai positiivinen. Tämä tarkoittaa olennaisesti sitä, että satunnaiset prosessit johtavat yleensä enemmän häiriöihin kuin järjestykseen.

Tärkeä painopiste onTapanaosa tätä kuvausta. Satunnaiset prosessitvoisijohtaa enemmän järjestykseen kuin epäjärjestykseen rikkomatta luonnollisia lakeja, mutta se on vain huomattavasti vähemmän todennäköistä.

Lopulta maailmankaikkeuden entropian muutos on nolla. Siinä vaiheessa maailmankaikkeus on saavuttanut termisen tasapainon, jolloin kaikki energia on lämpöenergian muodossa samassa nollan lämpötilassa. Tätä kutsutaan usein maailmankaikkeuden lämpökuolemaksi.

Useimmat ihmiset ympäri maailmaa keskustelevat lämpötilasta celsiusasteina, kun taas muutamat maat käyttävät Fahrenheit-asteikkoa. Tutkijat kaikkialla käyttävät kuitenkin Kelvinsiä absoluuttisen lämpötilan mittauksen perusyksikkönä.

Tämä asteikko on rakennettu tietylle fyysiselle pohjalle: Absoluuttinen nolla Kelvin on lämpötila, jossa kaikki molekyyliliikkeet loppuvat. Koska lämpöäOnmolekyyliliike yksinkertaisimmassa mielessä, mikään liike ei tarkoita lämpöä. Ei lämpöä tarkoittaa lämpötilaa nolla Kelvin.

Huomaa, että tämä eroaa jäätymispisteestä, kuten nolla astetta - jäämolekyyleihin liittyy edelleen pieniä sisäisiä liikkeitä, jotka tunnetaan myös nimellä lämpö. Vaihemuutokset kiinteän aineen, nesteen ja kaasun välillä johtavat kuitenkin massiivisiin muutoksiin entropiassa mahdollisuutena - aineen eri molekyylijärjestöt tai mikrotilat äkillisesti ja nopeasti joko kasvavat tai vähenevät aineen kanssa lämpötila.

Termodynamiikan kolmas laki sanoo, että kun lämpötila lähestyy absoluuttista nollaa järjestelmässä, järjestelmän absoluuttinen entropia lähestyy vakioarvoa. Tämä oli totta viimeisessä esimerkissä, jossa järjestelmä oli koko maailmankaikkeus. Tämä pätee myös pienempiin suljettuihin järjestelmiin - jääpalan jäähdyttämisen jatkaminen kylmempiin ja kylmempiin lämpötiloihin hidastaa sen sisäistä molekyylitasoa liikkuu yhä enemmän, kunnes se saavuttaa vähiten häiriintyneen tilan, joka on fyysisesti mahdollista, mikä voidaan kuvata käyttämällä entropian vakioarvoa.

Suurin osa entropialaskelmista käsittelee järjestelmien tai järjestelmien tilojen entropiaeroja. Ero tässä termodynamiikan kolmannessa laissa on, että se johtaa itse määriteltyihin entropian arvoihin Kelvin-asteikon arvoina.

Jotta molekyylit pysyisivät täydellisesti paikallaan, niiden on oltava myös vakaimmassa, järjestetyssä kiteisessä järjestelyssään, minkä vuoksi absoluuttinen nolla liittyy myös täydellisiin kiteisiin. Tällainen atomien ristikko, jossa on vain yksi mikrotila, ei ole todellisuudessa mahdollista, mutta nämä ihanteelliset käsitteet tukevat termodynamiikan kolmatta lakia ja sen seurauksia.

Kiteen, jota ei ole järjestetty täydellisesti, rakenteessa olisi jonkinlainen luontainen häiriö (entropia). Koska entropiaa voidaan kuvata myös lämpöenergiaksi, se tarkoittaa, että sillä olisi jonkin verran energiaa lämmön muodossa - siis päättäväisestieiabsoluuttinen nolla.

Vaikka luonnossa ei ole täydellisiä kiteitä, analyysi siitä, miten entropia muuttuu molekyylirakenteen lähestyessä, paljastaa useita johtopäätöksiä:

• Mitä monimutkaisempi aine on - sano C₁₂H₂₂O₁₁ vs. H₂ - mitä enemmän entropiaa sillä on, sillä mahdollisten mikrotilojen määrä kasvaa monimutkaisuuden myötä.
• Aineilla, joilla on samanlainen molekyylirakenne, on samanlaiset entropiat.
• Rakenteilla, joilla on pienempiä, vähemmän energisiä atomeja ja enemmän suuntasidoksia, kuten vetysidoksilla, onVähemmänentropia, koska niillä on jäykemmät ja järjestäytyneimmät rakenteet.
  

Vaikka tiedemiehet eivät ole koskaan pystyneet saavuttamaan absoluuttista nollaa laboratorio-olosuhteissa, he lähestyvät koko ajan. Tämä on järkevää, koska kolmas laki ehdottaa rajaa entropian arvolle eri järjestelmille, joihin ne lähestyvät lämpötilan laskiessa.

Mikä tärkeintä, kolmannessa laissa kuvataan tärkeä luonnon totuus: Kaikilla aineilla, joiden lämpötila on absoluuttista nollaa korkeammalla lämpötilalla (siis kaikilla tunnetuilla aineilla) on oltava positiivinen määrä entropiaa. Lisäksi, koska se määrittelee absoluuttisen nollan vertailupisteeksi, voimme kvantifioida minkä tahansa aineen suhteellisen energiamäärän missä tahansa lämpötilassa.

Tämä on keskeinen ero muihin termodynaamisiin mittauksiin, kuten energiaan tai entalpiaan, jolle ei ole absoluuttista vertailupistettä. Nämä arvot ovat järkeviä vain suhteessa muihin arvoihin.

Termodynamiikan toisen ja kolmannen lain yhdistäminen johtaa johtopäätökseen, että lopulta, kun kaikki maailmankaikkeuden energia muuttuu lämmöksi, se saavuttaa vakion lämpötilan. Tätä kutsutaan termiseksi tasapainoksi, tämä maailmankaikkeuden tila on muuttumaton, mutta lämpötilassakorkeampikuin absoluuttinen nolla.

Kolmas laki tukee myös ensimmäisen termodynamiikan lain vaikutuksia. Tämän lain mukaan järjestelmän sisäisen energian muutos on yhtä suuri kuin järjestelmään lisätyn lämmön ja järjestelmän tekemän työn välinen ero:

MissäUon energiaaQon lämpöä jaWon työ, kaikki mitataan tyypillisesti jouleina, Btusina tai kaloreina).

Tämä kaava osoittaa, että enemmän lämpöä järjestelmässä tarkoittaa, että sillä on enemmän energiaa. Tämä puolestaan ​​tarkoittaa välttämättä enemmän entropiaa. Ajattele täydellistä kristallia absoluuttisessa nollassa - lämmön lisääminen tuo jonkin verran molekyyliliikettä, eikä rakenne ole enää täysin järjestetty; sillä on jonkin verran entropiaa.