Tredje lov om termodynamikk: definisjon, ligning og eksempler

Lovene om termodynamikk hjelper forskere med å forstå termodynamiske systemer. Den tredje loven definerer absolutt null og hjelper til med å forklare at entropi, eller uorden, i universet er på vei mot en konstant, ikke-null verdi.

Entropi blir ofte beskrevet med ord som et mål på mengden uorden i et system. Denne definisjonen ble først foreslått av Ludwig Boltzmann i 1877. Han definerte entropi matematisk slik:

I denne ligningen,Yer antall mikrostater i systemet (eller antall måter systemet kan bestilles),ker Boltzmann-konstanten (som blir funnet ved å dele den ideelle gasskonstanten med Avogadros konstant: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) oglner den naturlige logaritmen (en logaritme til basene​).

To store ideer demonstrert med denne formelen er:

1. Entropi kan tenkes på varme, spesielt som mengden termisk energi i et lukket system, som ikke er tilgjengelig for å gjøre nyttig arbeid.
2. Jo flere mikrostater eller måter å bestille et system på, desto mer entropi har systemet.

I tillegg kan endringen i entropi av et system når det beveger seg fra en makrostat til en annen, beskrives som:

hvorTer temperatur ogQer varmen som utveksles i en reversibel prosess når systemet beveger seg mellom to tilstander.

Den andre loven om termodynamikk sier at den totale entropien til universet eller et isolert system aldri avtar. I termodynamikk er et isolert system et der verken varme eller materie kan komme inn eller ut av systemets grenser.

Med andre ord, i ethvert isolert system (inkludert universet) er entropiendring alltid null eller positiv. Hva dette egentlig betyr er at tilfeldige prosesser har en tendens til å føre til mer uorden enn orden.

En viktig vekt faller påen tendens til ådel av den beskrivelsen. Tilfeldige prosesserkunneføre til mer orden enn uorden uten å bryte naturlover, men det er bare langt mindre sannsynlig å skje.

Til slutt vil endringen i entropi for universet generelt være lik null. På det tidspunktet vil universet ha nådd termisk likevekt, med all energi i form av termisk energi ved den samme temperaturen som null. Dette blir ofte referert til som universets varmedød.

De fleste mennesker rundt om i verden diskuterer temperatur i grader Celsius, mens noen få land bruker Fahrenheit-skalaen. Forskere overalt bruker imidlertid Kelvins som deres grunnleggende enhet for absolutt temperaturmåling.

Denne skalaen er bygget på et bestemt fysisk grunnlag: Absolutt null Kelvin er temperaturen der all molekylær bevegelse opphører. Siden varmeermolekylær bevegelse i enkleste forstand, ingen bevegelse betyr ingen varme. Ingen varme betyr en temperatur på null Kelvin.

Merk at dette er forskjellig fra et frysepunkt, som null grader Celsius - molekyler av is har fortsatt små indre bevegelser knyttet til seg, også kjent som varme. Faseendringer mellom fast, væske og gass fører imidlertid til massive endringer i entropi som mulighetene for forskjellige molekylære organisasjoner, eller mikrostater, av et stoff plutselig og raskt enten øke eller redusere med temperatur.

Den tredje loven om termodynamikk sier at når temperaturen nærmer seg absolutt null i et system, nærmer den absolutte entropien seg en konstant verdi. Dette var sant i det siste eksemplet, der systemet var hele universet. Det gjelder også for mindre lukkede systemer - å fortsette å kjøle en isblokk til kaldere og kaldere temperaturer vil redusere dens indre molekylære bevegelser mer og mer til de når den minst uordnede tilstanden som er fysisk mulig, som kan beskrives ved hjelp av en konstant verdi av entropi.

De fleste entropi-beregninger omhandler entropi-forskjeller mellom systemer eller tilstander av systemer. Forskjellen i denne tredje loven om termodynamikk er at den fører til veldefinerte verdier av selve entropien som verdier på Kelvin-skalaen.

For å bli helt stille, må molekyler også være i sitt mest stabile, ordnede krystallinske arrangement, og derfor er absolutt null også assosiert med perfekte krystaller. Et slikt gitter av atomer med bare en mikrostat er ikke mulig i virkeligheten, men disse ideelle oppfatningene underbygger termodynamikkens tredje lov og dens konsekvenser.

En krystall som ikke er perfekt ordnet, vil ha en eller annen iboende lidelse (entropi) i strukturen. Fordi entropi også kan beskrives som termisk energi, betyr dette at den vil ha litt energi i form av varme - så bestemtikkeabsolutt null.

Selv om perfekte krystaller ikke eksisterer i naturen, avslører en analyse av hvordan entropi endres når en molekylær organisasjon nærmer seg en, flere konklusjoner:

• Jo mer sammensatt et stoff - si C₁₂H₂₂O₁₁ vs. H₂ Jo mer entropi det er bundet til å ha, ettersom antall mulige mikrostater øker med kompleksiteten.
• Stoffer med lignende molekylære strukturer har lignende entropier.
• Strukturer med mindre, mindre energiske atomer og mer retningsbundne bindinger, som hydrogenbindinger, harmindreentropi ettersom de har mer stive og ordnede strukturer.
  

Mens forskere aldri har klart å oppnå absolutt null i laboratorieinnstillinger, kommer de nærmere og nærmere hele tiden. Dette er fornuftig fordi den tredje loven antyder en grense for entropiværdien for forskjellige systemer, som de nærmer seg når temperaturen synker.

Viktigst, den tredje loven beskriver en viktig naturens sannhet: Ethvert stoff ved en temperatur større enn absolutt null (altså et kjent stoff) må ha en positiv mengde entropi. Videre, fordi det definerer absolutt null som referansepunkt, er vi i stand til å kvantifisere den relative energimengden til et hvilket som helst stoff ved hvilken som helst temperatur.

Dette er en viktig forskjell fra andre termodynamiske målinger, for eksempel energi eller entalpi, som det ikke er noe absolutt referansepunkt for. Disse verdiene gir bare mening i forhold til andre verdier.

Å sette sammen den andre og tredje loven om termodynamikk fører til konklusjonen at når alt energi i universet endres til varme, vil det til slutt nå en konstant temperatur. Kalt termisk likevekt, er denne tilstanden i universet uendret, men ved en temperaturhøyereenn absolutt null.

Den tredje loven støtter også implikasjonene av termodynamikkens første lov. Denne loven sier at endringen i intern energi for et system er lik forskjellen mellom varmen tilført systemet og arbeidet som gjøres av systemet:

HvorUer energi, Qer varme ogWer arbeid, alt målt i joule, Btus eller kalorier).

Denne formelen viser at mer varme i et system betyr at det vil ha mer energi. Det betyr igjen nødvendigvis mer entropi. Tenk på en perfekt krystall ved absolutt null - tilsetning av varme introduserer litt molekylær bevegelse, og strukturen er ikke lenger perfekt ordnet; den har litt entropi.