열역학 제 3 법칙: 정의, 방정식 및 예

열역학 법칙은 과학자들이 열역학 시스템을 이해하는 데 도움이됩니다. 세 번째 법칙은 절대 0을 정의하고 우주의 엔트로피 또는 무질서가 0이 아닌 상수 값으로 향하고 있음을 설명하는 데 도움이됩니다.

엔트로피는 종종 시스템의 장애 정도를 측정하는 것으로 말로 설명됩니다. 이 정의는 1877 년 Ludwig Boltzmann에 의해 처음 제안되었습니다. 그는 다음과 같이 수학적으로 엔트로피를 정의했습니다.

이 방정식에서와이시스템의 미시 상태 수 (또는 시스템을 주문할 수있는 방법 수)케이볼츠만 상수 (이상 기체 상수를 아보가드로 상수로 나눈 값: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) 및ln자연 로그 (밑수에 대한 로그이자형​).

이 공식으로 입증 된 두 가지 큰 아이디어는 다음과 같습니다.

1. 엔트로피는 열, 특히 유용한 작업을 수행하는 데 사용할 수없는 닫힌 시스템의 열 에너지 양으로 생각할 수 있습니다.
2. 미시 상태가 많거나 시스템을 주문하는 방법이 많을수록 시스템의 엔트로피가 많아집니다.

또한 한 매크로 상태에서 다른 매크로 상태로 이동할 때 시스템 엔트로피의 변화는 다음과 같이 설명 할 수 있습니다.

어디티온도이고큐시스템이 두 상태 사이를 이동할 때 가역적 프로세스에서 교환되는 열입니다.

열역학의 두 번째 법칙은 우주 또는 고립 된 시스템의 전체 엔트로피가 결코 감소하지 않는다고 말합니다. 열역학에서 격리 된 시스템은 열이나 물질이 시스템의 경계에 들어 오거나 나갈 수없는 시스템입니다.

즉, 우주를 포함한 모든 고립 된 시스템에서 엔트로피 변화는 항상 0 또는 양수입니다. 이것이 본질적으로 의미하는 것은 무작위 과정이 질서보다 더 많은 무질서를 유발하는 경향이 있다는 것입니다.

중요한 강조점은경향이그 설명의 일부. 무작위 프로세스할 수 있었다자연 법칙을 어 기지 않고 무질서보다 질서를 더 많이 이끌어 내지 만 일어날 가능성은 훨씬 적습니다.

결국 우주 전체의 엔트로피 변화는 0이 될 것입니다. 그 시점에서 우주는 동일한 0이 아닌 온도에서 열 에너지 형태의 모든 에너지와 함께 열 평형에 도달 할 것입니다. 이것은 종종 우주의 열사 (heat death)라고 불립니다.

전 세계 대부분의 사람들은 섭씨 온도에 대해 논의하지만 일부 국가에서는 화씨 눈금을 사용합니다. 그러나 모든 과학자들은 절대 온도 측정의 기본 단위로 켈빈을 사용합니다.

이 척도는 특정 물리적 기반에 기반합니다. 절대 제로 켈빈은 모든 분자 운동이 중단되는 온도입니다. 열 이후이다가장 단순한 의미에서 분자 운동, 운동 없음은 열이 없음을 의미합니다. 열이 없음은 온도가 0 켈빈임을 의미합니다.

이것은 섭씨 0 도와 같은 빙점과 다릅니다. 얼음 분자는 여전히 열이라고도하는 작은 내부 운동과 관련되어 있습니다. 그러나 고체, 액체 및 기체 사이의 상 변화는 다음과 같은 가능성으로 엔트로피의 막대한 변화를 초래합니다. 물질의 다른 분자 조직 또는 미시 상태가 갑자기 빠르게 증가하거나 감소합니다. 온도.

열역학의 세 번째 법칙은 온도가 시스템에서 절대 영도에 가까워지면 시스템의 절대 엔트로피가 일정한 값에 가까워 진다고 말합니다. 이것은 시스템이 전체 우주인 마지막 예에서 사실입니다. 더 작은 폐쇄 시스템의 경우에도 마찬가지입니다. 얼음 블록을 더 차갑고 더 낮은 온도로 계속 냉각하면 내부 분자가 느려집니다. 일정한 엔트로피 값을 사용하여 설명 할 수있는 물리적으로 가능한 가장 덜 무질서한 상태에 도달 할 때까지 점점 더 많은 동작을합니다.

대부분의 엔트로피 계산은 시스템 또는 시스템 상태 간의 엔트로피 차이를 처리합니다. 이 세 번째 열역학 법칙의 차이점은 엔트로피 자체의 값이 켈빈 척도의 값으로 잘 정의된다는 것입니다.

완벽하게 고정되기 위해서는 분자가 가장 안정적이고 정돈 된 결정 배열에 있어야합니다. 이것이 절대 0도 완벽한 결정과 관련이있는 이유입니다. 미시 상태가 하나 뿐인 원자 격자는 실제로는 불가능하지만 이러한 이상적인 개념은 열역학 제 3 법칙과 그 결과를 뒷받침합니다.

완벽하게 배열되지 않은 결정은 구조에 내재 된 장애 (엔트로피)가있을 수 있습니다. 엔트로피는 열 에너지로도 설명 될 수 있기 때문에 이것은 열 형태의 에너지를 가질 수 있음을 의미합니다.아니절대 제로.

완벽한 결정은 자연에 존재하지 않지만 분자 조직이 하나에 접근함에 따라 엔트로피가 어떻게 변하는 지 분석하면 몇 가지 결론을 알 수 있습니다.

• 물질이 복잡할수록 C라고 말하세요.₁₂H₂₂영형₁₁ 대 H₂ -복잡성에 따라 가능한 미시 상태의 수가 증가함에 따라 더 많은 엔트로피를 가질 수 있습니다.
• 유사한 분자 구조를 가진 물질은 유사한 엔트로피를 가지고 있습니다.
• 더 작고 에너지가 적은 원자와 수소 결합과 같은 방향 결합이 더 많은 구조는적게더 단단하고 질서있는 구조를 가지고 있기 때문에 엔트로피.
  

과학자들은 실험실 환경에서 절대 영점을 달성 할 수 없었지만 항상 더 가까워집니다. 이것은 세 번째 법칙이 서로 다른 시스템의 엔트로피 값에 대한 한계를 제안하기 때문에 이치에 맞습니다.

가장 중요한 것은 세 번째 법칙이 자연의 중요한 진리를 설명한다는 것입니다. 절대 영도보다 높은 온도의 물질 (즉, 알려진 물질)은 양의 엔트로피를 가져야합니다. 또한 절대 0을 기준점으로 정의하기 때문에 모든 온도에서 물질의 상대적인 에너지 양을 정량화 할 수 있습니다.

이것은 절대 기준점이없는 에너지 또는 엔탈피와 같은 다른 열역학적 측정과의 주요 차이점입니다. 이러한 값은 다른 값과 관련해서 만 의미가 있습니다.

열역학의 제 2 법칙과 제 3 법칙을 합치면 결국 우주의 모든 에너지가 열로 변하면 일정한 온도에 도달 할 것이라는 결론에 도달합니다. 열 평형이라고 불리는이 우주 상태는 변하지 않지만 온도는더 높은절대 0보다.

세 번째 법칙은 또한 열역학의 첫 번째 법칙의 의미를 뒷받침합니다. 이 법칙은 시스템의 내부 에너지 변화가 시스템에 추가 된 열과 시스템이 수행하는 작업 간의 차이와 같다고 말합니다.

어디유에너지이다, Q열이고W모두 일반적으로 줄, Btus 또는 칼로리로 측정됩니다).

이 공식은 시스템의 더 많은 열이 더 많은 에너지를 갖게됨을 의미합니다. 이는 반드시 더 많은 엔트로피를 의미합니다. 절대 영도에서 완벽한 결정을 생각해보십시오. 열을 추가하면 분자 운동이 발생하고 구조가 더 이상 완벽하게 정렬되지 않습니다. 엔트로피가 있습니다.