Trečiasis termodinamikos dėsnis: apibrėžimas, lygtis ir pavyzdžiai

Termodinamikos dėsniai padeda mokslininkams suprasti termodinamines sistemas. Trečiasis dėsnis apibrėžia absoliučią nulį ir padeda paaiškinti, kad visatos entropija arba sutrikimas eina link pastovios, nulio vertės.

Entropija dažnai apibūdinama žodžiais kaip sutrikimo kiekio sistemoje matas. Pirmą kartą šį apibrėžimą pasiūlė Ludwigas Boltzmannas 1877 m. Jis matematiškai apibrėžė entropiją:

Šioje lygtyjeYyra mikrovalstybių skaičius sistemoje (arba sistemos užsakymo būdų skaičius),kyra Boltzmanno konstanta (kuri randama padalijus idealią dujų konstantą iš Avogadro konstantos: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) irlnyra natūralusis logaritmas (logaritmas prie pagrindoe​).

Pagal šią formulę pademonstruotos dvi didelės idėjos:

1. Apie entropiją galima galvoti apie šilumą, konkrečiai - apie šilumos energijos kiekį uždaroje sistemoje, kurios negalima naudoti naudingam darbui.
2. Kuo daugiau mikrovalstybių ar sistemos užsakymo būdų, tuo sistema turi daugiau entropijos.

Be to, sistemos entropijos pokytis, kai ji pereina iš vieno makrolygio į kitą, gali būti apibūdinta taip:

kurTyra temperatūra irKlausimasyra šiluma, keičiama grįžtamojo proceso metu, sistemai judant tarp dviejų būsenų.

Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad bendra visatos ar izoliuotos sistemos entropija niekada nesumažėja. Termodinamikoje izoliuota sistema yra ta, kurioje nei šiluma, nei medžiaga negali patekti į sistemos ribas ar išeiti iš jų.

Kitaip tariant, bet kurioje izoliuotoje sistemoje (įskaitant visatą) entropijos pokytis visada yra lygus nuliui arba teigiamas. Iš esmės tai reiškia, kad atsitiktiniai procesai dažniausiai sukelia daugiau netvarkos nei tvarkos.

Svarbus akcentas tenkalinkęs įto aprašymo dalis. Atsitiktiniai procesaigalėjosukelti daugiau tvarkos nei netvarkos nepažeidžiant prigimtinių įstatymų, tačiau tikėtina, kad taip nutiks žymiai rečiau.

Galų gale visatos entropijos pokytis bus lygus nuliui. Tuo metu Visata bus pasiekusi šiluminę pusiausvyrą, o visa energija bus šiluminės energijos forma toje pačioje temperatūroje be nulio. Tai dažnai vadinama visatos karščio mirtimi.

Dauguma žmonių visame pasaulyje aptaria temperatūrą Celsijaus laipsniais, o kelios šalys naudoja Fahrenheito skalę. Tačiau mokslininkai visur naudoja Kelvinsą kaip pagrindinį absoliučios temperatūros matavimo vienetą.

Ši skalė sukurta pagal tam tikrą fizinį pagrindą: Absoliutus nulis Kelvinas yra temperatūra, kurioje nutrūksta visas molekulinis judėjimas. Nuo karščioyramolekulinis judėjimas paprasčiausia prasme, joks judėjimas nereiškia šilumos. Jokia šiluma reiškia nulinės Kelvino temperatūrą.

Atkreipkite dėmesį, kad tai skiriasi nuo užšalimo taško, pavyzdžiui, nulio laipsnių Celsijaus - ledo molekulės vis dar turi nedidelius vidinius judesius, dar vadinamus šiluma. Kietųjų, skystųjų ir dujų fazių pokyčiai vis dėlto lemia didžiulius entropijos pokyčius skirtingos medžiagos molekulinės organizacijos arba mikrovalstybės staiga ir greitai didėja arba mažėja kartu su temperatūra.

Trečiasis termodinamikos dėsnis teigia, kad temperatūrai artėjant prie absoliutaus nulio sistemoje, absoliuti sistemos entropija artėja prie pastovios vertės. Tai buvo tiesa paskutiniame pavyzdyje, kur sistema buvo visa visata. Tai pasakytina ir apie mažesnes uždaras sistemas - toliau šalinant ledo luitą vis šaltesnei temperatūrai, sulėtės jo vidinė molekulinė judesius vis daugiau, kol pasiekia mažiausiai fiziškai įmanoma netvarkingą būseną, kurią galima apibūdinti naudojant pastovią entropijos vertę.

Dauguma entropijos skaičiavimų nagrinėja entropijos skirtumus tarp sistemų ar sistemų būsenų. Šio trečiojo termodinamikos dėsnio skirtumas yra tas, kad jis lemia gerai apibrėžtas pačios entropijos, kaip Kelvino skalės, reikšmes.

Kad molekulės taptų visiškai nejudančios, jos taip pat turi būti stabiliausioje, sutvarkytoje kristalinėje struktūroje, todėl absoliutus nulis taip pat siejamas su tobulais kristalais. Tokia atomų gardelė, turinti tik vieną mikrovalstybę, iš tikrųjų neįmanoma, tačiau šios idealios koncepcijos yra trečiojo termodinamikos dėsnio ir jo pasekmių pagrindas.

Ne visiškai sutvarkyto kristalo struktūroje yra tam tikras sutrikimas (entropija). Kadangi entropiją taip pat galima apibūdinti kaip šiluminę energiją, tai reiškia, kad ji turėtų šiek tiek energijos šilumos pavidalu, taigi, neabejotinaineabsoliutus nulis.

Nors tobulų kristalų gamtoje nėra, analizuojant, kaip keičiasi entropija, artėjant molekulinei organizacijai, nustatomos kelios išvados:

• Kuo sudėtingesnė medžiaga - sakykime C₁₂H₂₂O₁₁ prieš H₂ - kuo daugiau jis turi entropijos, nes sudėtingėjant didėja galimų mikrovalstybių skaičius.
• Medžiagų, kurių molekulinė struktūra yra panaši, entropijos yra panašios.
• Konstrukcijos, turinčios mažesnius, mažiau energinius atomus ir daugiau krypties ryšių, kaip vandenilio jungtys, turimažiauentropija, nes jos turi tvirtesnes ir tvarkingesnes struktūras.
  

Nors laboratorijose mokslininkams niekada nepavyko pasiekti absoliutaus nulio, jie visą laiką vis artėja. Tai prasminga, nes trečiasis dėsnis siūlo ribą skirtingų sistemų entropijos vertei, kuriai jos artėja, kai temperatūra krinta.

Svarbiausia, kad trečiasis dėsnis apibūdina svarbią gamtos tiesą: bet kurios medžiagos, kurios temperatūra yra didesnė nei absoliutus nulis (taigi, visos žinomos medžiagos), turi būti teigiamas entropijos kiekis. Be to, kadangi jis absoliučią nulį apibrėžia kaip atskaitos tašką, mes galime įvertinti santykinį bet kurios medžiagos energijos kiekį bet kurioje temperatūroje.

Tai pagrindinis skirtumas nuo kitų termodinaminių matavimų, tokių kaip energija ar entalpija, kuriems nėra absoliutaus atskaitos taško. Tos vertybės turi prasmę tik palyginti su kitomis vertybėmis.

Sudėjus antrąjį ir trečiąjį termodinamikos dėsnius, daroma išvada, kad galiausiai, kai visa visatos energija pasikeis į šilumą, ji pasieks pastovią temperatūrą. Vadinama šilumine pusiausvyra, ši visatos būsena nekinta, tačiau esant temperatūraididesnisnei absoliutus nulis.

Trečiasis įstatymas taip pat palaiko pirmojo termodinamikos dėsnio pasekmes. Šis įstatymas teigia, kad sistemos vidinės energijos pokytis yra lygus skirtumui tarp į sistemą įdėtos šilumos ir sistemos atlikto darbo:

KurUyra energija, Qyra šiluma irWyra darbas, visi paprastai matuojami džauliais, bitais arba kalorijomis).

Ši formulė rodo, kad daugiau šilumos sistemoje reiškia, kad ji turės daugiau energijos. Tai savo ruožtu būtinai reiškia didesnę entropiją. Pagalvokite apie tobulą kristalą esant absoliučiam nuliui - pridedant šilumos įvedamas tam tikras molekulinis judėjimas, o struktūra nebėra tobulai sutvarkyta; jis turi tam tikrą entropiją.