熱力学の法則は、科学者が熱力学系を理解するのに役立ちます。 3番目の法則は絶対零度を定義し、宇宙のエントロピーまたは無秩序が一定の非ゼロ値に向かっていることを説明するのに役立ちます。
システムのエントロピーと熱力学の第二法則
エントロピーは、システム内の無秩序の量の尺度として言葉で説明されることがよくあります。 この定義は、1877年にルートヴィッヒボルツマンによって最初に提案されました。 彼はエントロピーを数学的に次のように定義しました。
S = k \ ln {Y}
この方程式では、Yシステム内のマイクロステートの数（またはシステムを注文できる方法の数）、kはボルツマン定数です（理想気体定数をアボガドロ定数で割って求められます：1.380649×10−23 J / K）とln自然対数（底辺の対数）ですe).
この式で示される2つの大きなアイデアは次のとおりです。
- エントロピーは、熱の観点から、特に閉鎖系の熱エネルギーの量として考えることができます。これは、有用な仕事をするために利用できません。
- ミクロ状態、またはシステムの順序付け方法が多いほど、システムのエントロピーは大きくなります。
さらに、あるマクロ状態から別のマクロ状態に移動するときのシステムのエントロピーの変化は、次のように説明できます。
どこT温度とQシステムが2つの状態間を移動するときに、可逆プロセスで交換される熱です。
熱力学の第二法則は、宇宙または孤立系の総エントロピーが決して減少しないことを示しています。 熱力学では、孤立したシステムとは、熱も物質もシステムの境界に出入りできないシステムです。
言い換えれば、孤立したシステム（宇宙を含む）では、エントロピーの変化は常にゼロまたは正です。 これが本質的に意味することは、ランダムなプロセスは秩序よりも多くの無秩序につながる傾向があるということです。
重要な重点は傾向がありますその説明の一部。 ランダムプロセスたぶん...だろう自然法則に違反することなく、無秩序よりも秩序につながるが、それが起こる可能性は非常に低い。
最終的に、宇宙全体のエントロピーの変化はゼロに等しくなります。 その時点で、宇宙は熱平衡に達し、すべてのエネルギーは同じ非ゼロ温度での熱エネルギーの形になります。 これはしばしば宇宙の熱的死と呼ばれます。
絶対零度ケルビン
世界中のほとんどの人が摂氏で温度について話し合っていますが、華氏スケールを使用している国もあります。 ただし、世界中の科学者は、絶対温度測定の基本単位としてケルビンを使用しています。
このスケールは、特定の物理的基準に基づいて作成されています。絶対零度ケルビンは、すべての分子運動が停止する温度です。 熱なのでです最も単純な意味での分子運動、運動がないということは熱がないことを意味します。 熱がないということは、温度がゼロケルビンであることを意味します。
これは、摂氏0度などの凝固点とは異なることに注意してください。氷の分子には、熱としても知られる小さな内部運動が関連付けられています。 ただし、固体、液体、気体の間の相変化は、次の可能性としてエントロピーに大きな変化をもたらします。 物質のさまざまな分子組織またはミクロ状態は、急激かつ急速に増加または減少します。 温度。
熱力学の第三法則
熱力学の第3法則は、システム内の温度が絶対零度に近づくと、システムの絶対エントロピーが一定値に近づくことを示しています。 これは、システムが宇宙全体であった最後の例にも当てはまりました。 これは、より小さな閉鎖系にも当てはまります。氷のブロックをより低温に冷却し続けると、内部の分子が遅くなります。 エントロピーの一定値を使用して説明できる、物理的に可能な最小の無秩序状態に達するまで、モーションはますます増えます。
ほとんどのエントロピー計算は、システム間またはシステムの状態間のエントロピーの違いを扱います。 熱力学のこの第3法則の違いは、ケルビンスケールの値としてエントロピー自体の明確な値が得られることです。
結晶性物質
完全に静止するためには、分子も最も安定した秩序だった結晶配列でなければなりません。そのため、絶対零度も完全結晶に関連付けられています。 ミクロ状態が1つしかないこのような原子の格子は実際には不可能ですが、これらの理想的な概念は、熱力学の第3法則とその結果を裏付けています。
完全に配置されていない結晶は、その構造に固有の無秩序（エントロピー）があります。 エントロピーは熱エネルギーとしても説明できるため、これは熱の形でエネルギーを持っていることを意味します。ない絶対零度。
完全結晶は自然界には存在しませんが、分子組織が近づくにつれてエントロピーがどのように変化するかを分析すると、いくつかの結論が明らかになります。
- より複雑な物質–たとえばC12H22O11 対。 H2 –複雑になると可能なマイクロステートの数が増えるため、エントロピーが大きくなります。
- 同様の分子構造を持つ物質は、同様のエントロピーを持っています。
- より小さく、エネルギーの少ない原子と、水素結合のようなより方向性のある結合を持つ構造には、もっと少なくより堅固で秩序だった構造を持っているため、エントロピー。
熱力学の第三法則の結果
科学者は実験室の設定で絶対零度を達成することはできませんでしたが、彼らは常に近づいています。 これは理にかなっています。なぜなら、3番目の法則は、さまざまなシステムのエントロピー値の制限を示唆しており、温度が下がるとそれに近づくからです。
最も重要なことは、第3の法則は、自然の重要な真実を説明していることです。絶対零度を超える温度の物質（つまり、既知の物質）は、正の量のエントロピーを持っている必要があります。 さらに、絶対零度を基準点として定義しているため、任意の温度での任意の物質の相対的なエネルギー量を定量化できます。
これは、絶対基準点がないエネルギーやエンタルピーなどの他の熱力学的測定との重要な違いです。 これらの値は、他の値と比較してのみ意味があります。
熱力学の第2法則と第3法則をまとめると、最終的には、宇宙のすべてのエネルギーが熱に変わると、一定の温度に達するという結論に至ります。 熱平衡と呼ばれるこの宇宙の状態は変化しませんが、ある温度ではより高い絶対零度より。
第3法則は、熱力学の第1法則の意味もサポートしています。 この法則は、システムの内部エネルギーの変化は、システムに追加された熱とシステムによって行われた仕事との差に等しいと述べています。
\ Delta U = Q-W
どこUエネルギーです、Q熱であり、W仕事であり、通常はすべてジュール、Btus、またはカロリーで測定されます）。
この式は、システム内の熱が多いほど、システムのエネルギーが増えることを示しています。 つまり、必然的にエントロピーが増えることを意味します。 絶対零度の完全結晶を考えてみてください。熱を加えると分子運動が発生し、構造が完全に秩序化されなくなります。 エントロピーがあります。