Treći zakon termodinamike: definicija, jednadžba i primjeri

Zakoni termodinamike pomažu znanstvenicima da razumiju termodinamičke sustave. Treći zakon definira apsolutnu nulu i pomaže objasniti da entropija ili poremećaj svemira ide prema konstantnoj, nula vrijednosti.

Entropija se često opisuje riječima kao mjera količine poremećaja u sustavu. Ovu je definiciju prvi predložio Ludwig Boltzmann 1877. godine. Entropiju je definirao matematički ovako:

U ovoj jednadžbi,Yje broj mikrodržava u sustavu (ili broj načina na koje se sustav može naručiti),kje Boltzmannova konstanta (koja se pronalazi dijeljenjem idealne plinske konstante s Avogadrovom konstantom: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) ilnje prirodni logaritam (logaritam za bazue​).

Dvije velike ideje demonstrirane ovom formulom su:

1. Entropiju možemo smatrati toplinom, posebno količinom toplinske energije u zatvorenom sustavu koja nije dostupna za obavljanje korisnih poslova.
2. Što više mikrodržava ili načina naručivanja sustava, sustav ima više entropije.

Uz to, promjena entropije sustava pri prelasku iz jedne makrostanje u drugu može se opisati kao:

gdjeTje temperatura iPje toplina koja se izmjenjuje u reverzibilnom procesu dok se sustav kreće između dva stanja.

Drugi zakon termodinamike kaže da ukupna entropija svemira ili izoliranog sustava nikada ne opada. U termodinamici je izolirani sustav onaj u kojem ni toplina ni materija ne mogu ući niti izići iz granica sustava.

Drugim riječima, u bilo kojem izoliranom sustavu (uključujući svemir), promjena entropije uvijek je nula ili pozitivna. To u biti znači da slučajni procesi obično vode više neredu nego redu.

Važan naglasak pada nanastojatidio tog opisa. Slučajni procesimoglidovesti do više reda nego do nereda bez kršenja prirodnih zakona, ali je mnogo manja vjerojatnost da će se dogoditi.

Na kraju, promjena entropije za svemir sveukupno će biti jednaka nuli. Tada će svemir doseći toplinsku ravnotežu, sa svom energijom u obliku toplinske energije na istoj temperaturi koja nije nula. To se često naziva toplotnom smrću svemira.

Većina ljudi širom svijeta raspravlja o temperaturi u Celzijevim stupnjevima, dok nekoliko zemalja koristi Fahrenheitovu ljestvicu. Međutim, znanstvenici svugdje koriste Kelvine kao svoju temeljnu jedinicu apsolutnog mjerenja temperature.

Ova se skala gradi na određenoj fizičkoj osnovi: Apsolutna nula Kelvina je temperatura na kojoj prestaje svako molekularno gibanje. Od vrućinejemolekularno kretanje u najjednostavnijem smislu, nijedno gibanje ne znači ni toplinu. Nijedna toplina ne znači temperaturu od nula Kelvina.

Imajte na umu da se to razlikuje od točke ledišta, poput nula stupnjeva Celzijevih - molekule leda i dalje imaju male unutarnje pokrete povezane s njima, također poznate kao toplina. Fazne promjene između krute tvari, tekućine i plina, međutim, dovode do masovnih promjena u entropiji kao mogućnosti za različite molekularne organizacije ili mikrostani tvari naglo i brzo ili se povećavaju ili smanjuju temperatura.

Treći zakon termodinamike kaže da se, kako se temperatura približava apsolutnoj nuli u sustavu, apsolutna entropija sustava približava konstantnoj vrijednosti. To je bilo točno u posljednjem primjeru, gdje je sustav bio čitav svemir. To vrijedi i za manje zatvorene sustave - nastavak hlađenja bloka leda na hladnije i hladnije temperature usporit će njegovu unutarnju molekularnu kreće se sve više i više sve dok ne dosegnu najmanje poremećeno stanje koje je fizički moguće, a koje se može opisati konstantnom vrijednošću entropije.

Većina proračuna entropije obrađuje razlike entropije između sustava ili stanja sustava. Razlika u ovom trećem zakonu termodinamike je u tome što dovodi do dobro definiranih vrijednosti same entropije kao vrijednosti na Kelvinovoj skali.

Da bi postale savršeno mirne, molekule također moraju biti u svom najstabilnijem, uređenom kristalnom rasporedu, zbog čega je apsolutna nula također povezana sa savršenim kristalima. Takva rešetka atoma sa samo jednom mikrostanom u stvarnosti nije moguća, ali ove idealne koncepcije podupiru treći zakon termodinamike i njegove posljedice.

Kristal koji nije savršeno uređen imao bi svojstveni poremećaj (entropiju) u svojoj strukturi. Budući da se entropija može opisati i kao toplinska energija, to znači da bi imala nešto energije u obliku topline - dakle, odlučnoneapsolutna nula.

Iako savršeni kristali u prirodi ne postoje, analiza kako se entropija mijenja s približavanjem molekularne organizacije otkriva nekoliko zaključaka:

• Što je tvar složenija - recimo C₁₂H₂₂O₁₁ nasuprot H₂ - što više entropije mora imati, jer se broj mogućih mikrostana povećava s kompleksnošću.
• Tvari sa sličnom molekularnom strukturom imaju slične entropije.
• Strukture s manjim, manje energetskim atomima i usmjerenijim vezama, poput vodikovih veza, imajumanjeentropija jer imaju kruće i uređenije strukture.
  

Iako znanstvenici nikada nisu uspjeli postići apsolutnu nulu u laboratorijskim postavkama, stalno se zbližavaju i približavaju. To ima smisla jer treći zakon sugerira ograničenje vrijednosti entropije za različite sustave kojima se približavaju kako temperatura pada.

Što je najvažnije, treći zakon opisuje važnu prirodnu istinu: Svaka tvar na temperaturi većoj od apsolutne nule (dakle, bilo koja poznata tvar) mora imati pozitivnu količinu entropije. Nadalje, budući da definira apsolutnu nulu kao referentnu točku, u mogućnosti smo kvantificirati relativnu količinu energije bilo koje tvari na bilo kojoj temperaturi.

To je ključna razlika od ostalih termodinamičkih mjerenja, poput energije ili entalpije, za koje ne postoji apsolutna referentna točka. Te vrijednosti imaju smisla samo u odnosu na druge vrijednosti.

Sastavljanjem drugog i trećeg zakona termodinamike dolazi se do zaključka da će na kraju, kako se sva energija u svemiru promijeni u toplinu, doseći konstantnu temperaturu. Nazvano toplinskom ravnotežom, ovo stanje svemira je nepromjenjivo, ali na temperaturivišenego apsolutna nula.

Treći zakon također podržava implikacije prvog zakona termodinamike. Ovaj zakon kaže da je promjena unutarnje energije za sustav jednaka razlici između topline dodane sustavu i rada sustava:

GdjeUje energija, Qje toplina iWje posao, a sve se obično mjeri u džulima, Btusima ili kalorijama).

Ova formula pokazuje da više topline u sustavu znači da će imati više energije. To zauzvrat nužno znači više entropije. Zamislite savršeni kristal na apsolutnoj nuli - dodavanje topline uvodi neko molekularno gibanje i struktura više nije savršeno uređena; ima neku entropiju.