A termodinamika törvényei segítik a tudósokat a termodinamikai rendszerek megértésében. A harmadik törvény meghatározza az abszolút nullát, és segít megmagyarázni, hogy az univerzum entrópiája vagy rendezetlensége állandó, nem nulla érték felé tart.
Egy rendszer entrópiája és a termodinamika második törvénye
Az entrópiát gyakran szavakkal írják le, mint a rendszer rendellenességeinek mértékét. Ezt a meghatározást először Ludwig Boltzmann javasolta 1877-ben. Matematikailag így határozta meg az entrópiát:
S = k \ ln {Y}
Ebben az egyenletbenYa rendszerben lévő mikropéldányok száma (vagy a rendszer megrendelésének száma),ka Boltzmann-állandó (amely az ideális gázállandó elosztásával Avogadro állandójával oszlik meg: 1.380649 × 10−23 J / K) éslna természetes logaritmus (az alapra vonatkozó logaritmus)e).
Két nagy ötlet, amelyet ezzel a képlettel bemutattak:
- Az entrópiát a hő szempontjából lehet elképzelni, nevezetesen a hőenergia mennyiségét egy zárt rendszerben, amely nem áll rendelkezésre hasznos munkák elvégzésére.
- Minél több a mikrostatúra vagy a rendszer megrendelésének módja, annál több entrópiával rendelkezik a rendszer.
Ezenkívül a rendszer entrópiájának változása, amikor az egyik makrostátumról a másikra mozog, a következőképpen írható le:
holTa hőmérséklet ésQa reverzibilis folyamat során cserélt hő, amikor a rendszer két állapot között mozog.
A termodinamika második törvénye kimondja, hogy a világegyetem vagy egy elszigetelt rendszer teljes entrópiája soha nem csökken. A termodinamikában egy elszigetelt rendszer az, amelyben sem hő, sem anyag nem léphet be, illetve nem léphet ki a rendszer határain.
Más szavakkal, bármely izolált rendszerben (ideértve az univerzumot is) az entrópia változása mindig nulla vagy pozitív. Ez lényegében azt jelenti, hogy a véletlenszerű folyamatok általában több rendezetlenséghez vezetnek, mint rendhez.
Fontos hangsúlyt fektet ahajlamosrésze ennek a leírásnak. Véletlenszerű folyamatoktudotttöbb rendhez vezet, mint rendetlenség a természeti törvények megsértése nélkül, de ez csak jóval kevésbé valószínű.
Végül az entrópia változása az univerzumban összességében nulla lesz. Ezen a ponton az univerzum eléri a hőegyensúlyt, az összes energia hőenergia formájában ugyanazon a nulla hőmérsékleten. Ezt gyakran nevezik az univerzum hőhalálának.
Abszolút nulla Kelvin
Világszerte a legtöbb ember Celsius-fokban tárgyalja a hőmérsékletet, míg néhány ország a Fahrenheit-skálát használja. A tudósok azonban mindenhol a Kelvins-t használják az abszolút hőmérséklet-mérés alapvető egységeként.
Ez a skála egy adott fizikai alapra épül: Az abszolút nulla Kelvin az a hőmérséklet, amelyen minden molekuláris mozgás megszűnik. Hőség ótavanmolekuláris mozgás a legegyszerűbb értelemben, semmilyen mozgás nem jelent hőt. A hő nem nulla Kelvin hőmérsékletet jelent.
Ne feledje, hogy ez eltér a fagyásponttól, például nulla Celsius fok - a jégmolekuláknak még mindig vannak kis belső mozgásai, amelyek hőnek is hívják. A szilárd, folyékony és gáz közötti fázisváltozások azonban az entrópia, mint a lehetőségek, hatalmas változásokhoz vezetnek az anyag különböző molekuláris szervezetei vagy mikrostátumai hirtelen és gyorsan növekednek vagy csökkennek az anyaggal együtt hőfok.
A termodinamika harmadik törvénye
A termodinamika harmadik törvénye kimondja, hogy amint a hőmérséklet egy rendszerben az abszolút nullához közelít, a rendszer abszolút entrópiája állandó értékhez közelít. Ez igaz volt az utolsó példában, ahol a rendszer az egész univerzum volt. Ez igaz a kisebb zárt rendszerekre is - ha egy jégtömböt továbbra is egyre hidegebbre hűtenek, az lassítja a belső molekuláris mozog egyre jobban, amíg el nem éri a fizikailag lehetséges legkevésbé rendezetlen állapotot, amelyet az entrópia állandó értékének felhasználásával lehet leírni.
A legtöbb entrópia számítás a rendszerek vagy a rendszerek állapota közötti entrópia különbségekkel foglalkozik. A termodinamika ezen harmadik törvényében az a különbség, hogy maga az entrópia, mint a Kelvin-skála értékei, jól definiált értékekhez vezet.
Kristályos anyagok
Ahhoz, hogy tökéletesen mozdulatlanná váljanak, a molekuláknak a legstabilabb, rendezettebb kristályos elrendezésben is kell lenniük, ezért az abszolút nulla a tökéletes kristályokhoz is társul. Ilyen, csak egy mikrostátumú atomrács a valóságban nem lehetséges, de ezek az ideális felfogások a termodinamika harmadik törvényét és következményeit támasztják alá.
A nem tökéletesen elrendezett kristály szerkezetében valamilyen eredendő rendellenesség (entrópia) lenne. Mivel az entrópia hőenergiának is nevezhető, ez azt jelenti, hogy valamilyen energia lenne hő formájában - tehát határozottannemabszolút nulla.
Bár a természetben nem léteznek tökéletes kristályok, annak elemzése, hogy az entrópia miként változik a molekuláris szervezet közeledtével, számos következtetést tár fel:
- Minél összetettebb egy anyag - mondjuk C12H22O11 vs. H2 - minél több entrópiája van, mivel a lehetséges mikrostátusok száma az összetettséggel növekszik.
- A hasonló molekulaszerkezetű anyagok entrópiája hasonló.
- A kisebb, kevésbé energikus atomokkal és több irányú kötésekkel rendelkező szerkezetek, például a hidrogénkötések, rendelkeznekKevésbéentrópia, mivel merevebb és rendezettebb szerkezetűek.
A termodinamika harmadik törvényének következményei
Bár a tudósok soha nem tudták elérni az abszolút nullát laboratóriumi körülmények között, folyamatosan közelebb kerülnek egymáshoz. Ennek azért van értelme, mert a harmadik törvény határozza meg az entrópia értékének korlátozását a különböző rendszerek számára, amelyet a hőmérséklet csökkenésével megközelítenek.
A legfontosabb, hogy a harmadik törvény a természet fontos igazságát írja le: Minden olyan anyagnak, amelynek hőmérséklete meghaladja az abszolút nullát (tehát minden ismert anyagnak) pozitív mennyiségű entrópiával kell rendelkeznie. Továbbá, mivel az abszolút zérust referenciapontként definiálja, képesek vagyunk számszerűsíteni bármely anyag relatív energiamennyiségét bármilyen hőmérsékleten.
Ez kulcsfontosságú különbség a többi termodinamikai méréssel szemben, mint például az energia vagy az entalpia, amelyekhez nincs abszolút referenciapont. Ezeknek az értékeknek csak a többi értékhez képest van értelme.
A termodinamika második és harmadik törvényének összerakása arra a következtetésre vezet, hogy végül, miközben az univerzumban az összes energia hővé változik, állandó hőmérsékletet fog elérni. Termikus egyensúlynak nevezik, az univerzum ezen állapota változatlan, de hőmérsékletenmagasabbmint abszolút nulla.
A harmadik törvény a termodinamika első törvényének következményeit is támogatja. Ez a törvény kimondja, hogy a rendszer belső energiájának változása megegyezik a rendszerhez adott hő és a rendszer által végzett munka különbségével:
\ Delta U = Q-W
HolUaz energia, Qhő ésWmunka, mindezt általában joule-ban, Btus-ban vagy kalóriában mérve).
Ez a képlet azt mutatja, hogy egy rendszerben több hő azt jelenti, hogy több energiája lesz. Ez viszont szükségszerűen több entrópiát jelent. Gondoljon egy tökéletes kristályra abszolút nulla esetén - a hő hozzáadása bizonyos molekuláris mozgást eredményez, és a szerkezet már nem tökéletesen rendezett; van némi entrópiája.