თერმოდინამიკის მესამე კანონი: განმარტება, განტოლება და მაგალითები

თერმოდინამიკის კანონები ეხმარება მეცნიერებს თერმოდინამიკური სისტემების გაგებაში. მესამე კანონი განსაზღვრავს აბსოლუტურ ნულს და განმარტავს, რომ სამყაროს ენტროპია ან აშლილობა მიემართება მუდმივი, ნულოვანი მნიშვნელობისკენ.

ენტროპიას ხშირად აღწერენ სიტყვებით, როგორც სისტემაში არეულობის ოდენობა. ეს განმარტება პირველად შემოიტანა ლუდვიგ ბოლცმანმა 1877 წელს. მან ენტროპია მათემატიკურად ასე განსაზღვრა:

ამ განტოლებაშიიარის სისტემაში მიკროსტატების რაოდენობა (ან სისტემის შეკვეთის გზების რაოდენობა),კარის ბოლცმანის მუდმივა (რომელიც გვხვდება გაზის იდეალური მუდმივის დაყოფით ავოგადროს მუდმივზე: 1.380649 × 10⁻²³ კ / კ) დაlnარის ბუნებრივი ლოგარითმი (ლოგარითმი ფუძისაკენ)ე​).

ამ ფორმულით დემონსტრირებული ორი დიდი იდეაა:

1. ენტროპიაზე შეიძლება ვიფიქროთ სითბოს თვალსაზრისით, კერძოდ, თერმული ენერგიის რაოდენობა დახურულ სისტემაში, რომელიც არ არის ხელმისაწვდომი სასარგებლო სამუშაოს შესასრულებლად.
2. რაც უფრო მეტია მიკროსტაკები, ან სისტემის შეკვეთის გზები, მით მეტი სისტემაა ენტროპია.

გარდა ამისა, სისტემის ენტროპიის ცვლილება, როდესაც ის ერთი მაკროსტატისტიდან მეორეში გადადის, შეიძლება აღწერილი იყოს:

სადთარის ტემპერატურა დაQშექცევადი პროცესით გაცვლილი სითბოა, როდესაც სისტემა ორ მდგომარეობას შორის გადაადგილდება.

თერმოდინამიკის მეორე კანონი ამბობს, რომ სამყაროს ან იზოლირებული სისტემის ტოტალური ენტროპია არასდროს მცირდება. თერმოდინამიკაში იზოლირებული სისტემაა ის სისტემა, რომელშიც არც სითბოს და არც მატერიას არ შეუძლიათ სისტემის საზღვრებში შესვლა ან გამოსვლა.

სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ნებისმიერ იზოლირებულ სისტემაში (სამყაროს ჩათვლით), ენტროპიის ცვლილება ყოველთვის ნულოვანია ან დადებითი. ეს არსებითად ნიშნავს, რომ შემთხვევითი პროცესები უფრო მეტ არეულობას იწვევს, ვიდრე წესრიგს.

მნიშვნელოვანი აქცენტი კეთდებამიდრეკილიაამ აღწერის ნაწილი. შემთხვევითი პროცესებიშეეძლობუნებრივი წესების დარღვევის გარეშე უფრო მეტ წესრიგს იწვევს, ვიდრე უწესრიგობას, მაგრამ ეს ძალზე ნაკლებად მოხდება.

საბოლოოდ, ზოგადად სამყაროს ენტროპიის ცვლილება ნულის ტოლია. იმ ეტაპზე, სამყაროში მიაღწევს თერმული წონასწორობას, მთელი ენერგია თერმული ენერგიის სახით იმავე ნულოვანი ტემპერატურის მქონე. ამას ხშირად სამყაროს სითბოს სიკვდილს უწოდებენ.

მთელ მსოფლიოში ადამიანების უმეტესობა განიხილავს ტემპერატურას ცელსიუსით, ხოლო რამდენიმე ქვეყანა ფარენგეიტის სკალას იყენებს. მეცნიერები ყველგან იყენებენ კელვინსს, როგორც აბსოლუტური ტემპერატურის გაზომვის ფუნდამენტურ ერთეულს.

ეს მასშტაბი აგებულია კონკრეტულ ფიზიკურ საფუძველზე: აბსოლუტური ნულოვანი კელვინი არის ტემპერატურა, როდესაც ყველა მოლეკულური მოძრაობა წყდება. სითბოს შემდეგარისმოლეკულური მოძრაობა უმარტივესი გაგებით, არანაირი მოძრაობა არ ნიშნავს სითბოს. სიცხე არ ნიშნავს ნულოვანი კელვინის ტემპერატურას.

გაითვალისწინეთ, რომ ეს განსხვავდება გაყინვის წერტილისგან, მაგალითად ნულოვანი გრადუსი ცელსიუსით - ყინულის მოლეკულებს ჯერ კიდევ აქვთ მცირე შინაგანი მოძრაობები, რომლებსაც სითბოს უწოდებენ. მყარი, თხევადი და აირის ფაზის ცვლილებები, თუმცა, იწვევს ენტროპიის მასობრივ ცვლილებებს, როგორც ამის შესაძლებლობებს ნივთიერების სხვადასხვა მოლეკულური ორგანიზაციები, ან მიკროსადგურები, მოულოდნელად და სწრაფად იზრდება ან იკლებს ტემპერატურა

თერმოდინამიკის მესამე კანონი ამბობს, რომ როდესაც სისტემაში ტემპერატურა აბსოლუტურ ნულს უახლოვდება, სისტემის აბსოლუტური ენტროპია უახლოვდება მუდმივ მნიშვნელობას. ეს მართალი იყო ბოლო მაგალითში, სადაც ეს სისტემა იყო მთელი სამყარო. ეს ასევე შეესაბამება მცირე დახურულ სისტემებს - ყინულის ბლოკის გაცივება ცივ და ცივ ტემპერატურაზე შეანელებს მის შინაგან მოლეკულურ მოძრაობები უფრო და უფრო მეტია, ვიდრე ისინი მიაღწევენ ფიზიკურად ყველაზე ნაკლებად მოუწესრიგებელ მდგომარეობას, რომლის აღწერა შესაძლებელია ენტროპიის მუდმივი მნიშვნელობის გამოყენებით.

ენტროპიის გამოთვლების უმეტესობა ეხება ენტროპიის განსხვავებებს სისტემებს ან სისტემების მდგომარეობებს შორის. განსხვავება თერმოდინამიკის ამ მესამე კანონში იმაშია, რომ მას მივყავართ ენტროპიის კარგად განსაზღვრულ მნიშვნელობებთან, როგორც კელვინის მასშტაბის მნიშვნელობებთან.

სრულყოფილად რომ გახდნენ, მოლეკულები ასევე უნდა იყვნენ თავიანთ ყველაზე სტაბილურ, შეკვეთილ კრისტალურ განლაგებაში, რის გამოც აბსოლუტური ნულოვანი ასოცირდება სრულყოფილ კრისტალებთან. ატომების ასეთი გისოსები, მხოლოდ ერთი მიკროსადგურის მქონე, სინამდვილეში შეუძლებელია, მაგრამ ეს იდეალური წარმოდგენები ემყარება თერმოდინამიკის მესამე კანონს და მის შედეგებს.

კრისტალი, რომელიც არ არის სრულყოფილად განლაგებული, თავის სტრუქტურაში თანდაყოლილი აშლილობა (ენტროპია) ექნება. იმის გამო, რომ ენტროპია ასევე შეიძლება აღწერილი იყოს როგორც თერმული ენერგია, ეს ნიშნავს, რომ მას გარკვეული ენერგია ექნება სითბოს სახით - ასე რომ, გადაწყვეტილიარააბსოლუტური ნული.

მიუხედავად იმისა, რომ სრულყოფილი კრისტალები ბუნებაში არ არსებობს, იმის ანალიზი, თუ როგორ იცვლება ენტროპია მოლეკულური ორგანიზაციის მიახლოებისთანავე, აჩვენებს რამდენიმე დასკვნას:

• უფრო რთული ნივთიერება - თქვით C₁₂ჰ₂₂ო₁₁ წინააღმდეგ ჰ₂ - მით უფრო მეტი ენტროპია უნდა ჰქონდეს მას, რადგან სირთულეებთან ერთად შესაძლებელია მიკროსტატების რაოდენობა.
• მსგავსი მოლეკულური სტრუქტურის მქონე ნივთიერებებს მსგავსი ენტროპია აქვთ.
• სტრუქტურებს აქვთ მცირე, ნაკლებად ენერგიული ატომები და უფრო მიმართულებითი კავშირები, წყალბადის ობლიგაციების მსგავსადნაკლებიენტროპია, რადგან მათ უფრო ხისტი და შეკვეთილი სტრუქტურები აქვთ.
  

მიუხედავად იმისა, რომ ლაბორატორიულ პირობებში მეცნიერებს ვერასოდეს მიაღწიეს აბსოლუტურ ნულს, ისინი სულ უფრო და უფრო უახლოვდებიან. ამას აქვს აზრი, რადგან მესამე კანონი გვთავაზობს ენტროპიის მნიშვნელობის შეზღუდვას სხვადასხვა სისტემისთვის, რომელსაც ისინი ტემპერატურის ვარდნისას უახლოვდებიან.

რაც მთავარია, მესამე კანონი აღწერს ბუნების მნიშვნელოვან ჭეშმარიტებას: აბსოლუტურ ნულზე მეტი ტემპერატურის მქონე ნებისმიერი ნივთიერება (ამრიგად, ნებისმიერი ცნობილი ნივთიერება) უნდა ჰქონდეს ენტროპიის დადებითი რაოდენობა. გარდა ამისა, რადგან იგი აბსოლუტურ ნულს განსაზღვრავს, როგორც საცნობარო წერტილს, ჩვენ შეგვიძლია განვსაზღვროთ ნებისმიერი ნივთიერების ენერგიის ფარდობითი რაოდენობა ნებისმიერ ტემპერატურაზე.

ეს არის მთავარი განსხვავება სხვა თერმოდინამიკური გაზომვებისგან, მაგალითად ენერგია ან ენთალპია, რომელთათვისაც არ არსებობს აბსოლუტური საცნობარო წერტილი. ამ ღირებულებებს აქვს აზრი მხოლოდ სხვა ღირებულებებთან შედარებით.

თერმოდინამიკის მეორე და მესამე კანონის ერთობლიობას მივყავართ იმ დასკვნამდე, რომ საბოლოოდ, სამყაროში მთელი ენერგია სითბოს სახით შეიცვლება, ის მიაღწევს მუდმივ ტემპერატურას. თერმული წონასწორობა წოდებული, სამყაროს ეს მდგომარეობა უცვლელია, მაგრამ ტემპერატურაზეუფრო მაღალივიდრე აბსოლუტური ნულოვანი.

მესამე კანონი ასევე მხარს უჭერს თერმოდინამიკის პირველი კანონის შედეგებს. ამ კანონში ნათქვამია, რომ სისტემის შიდა ენერგიის ცვლილება უდრის სხვაობას სისტემაში დამატებულ სითბოს და სისტემის მიერ შესრულებულ სამუშაოს შორის:

სადუარის ენერგია, Qარის სითბო დავსამუშაოა, ყველა ჩვეულებრივ იზომება ჯოულებით, Btus ან კალორიებით).

ეს ფორმულა გვიჩვენებს, რომ სისტემაში მეტი სითბო ნიშნავს, რომ მას მეტი ენერგია ექნება. ეს თავის მხრივ ნიშნავს მეტ ენტროპიას. იფიქრეთ სრულყოფილ ბროლზე აბსოლუტურ ნულზე - სითბოს დამატება გარკვეულ მოლეკულურ მოძრაობას შემოაქვს და სტრუქტურა სრულყოფილად აღარ არის დალაგებული; მას აქვს გარკვეული ენტროპია.