A treia lege a termodinamicii: definiție, ecuație și exemple

Legile termodinamicii îi ajută pe oamenii de știință să înțeleagă sistemele termodinamice. A treia lege definește zero absolut și ajută la explicarea faptului că entropia sau dezordinea universului se îndreaptă către o valoare constantă, diferită de zero.

Entropia este adesea descrisă în cuvinte ca o măsură a cantității de tulburare dintr-un sistem. Această definiție a fost propusă pentru prima dată de Ludwig Boltzmann în 1877. El a definit entropia matematic astfel:

În această ecuație,Daeste numărul de microstate din sistem (sau numărul de moduri în care sistemul poate fi comandat),keste constanta Boltzmann (care se găsește prin împărțirea constantei gazului ideal la constanta lui Avogadro: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) șilneste logaritmul natural (un logaritm la bazăe​).

Două idei mari demonstrate cu această formulă sunt:

1. Entropia poate fi gândită în termeni de căldură, în mod specific ca cantitatea de energie termică dintr-un sistem închis, care nu este disponibilă pentru a face lucrări utile.
instagram story viewer
2. Cu cât sunt mai multe microstate sau modalități de a ordona un sistem, cu atât sistemul are mai multă entropie.

În plus, schimbarea entropiei unui sistem pe măsură ce trece de la o macrostată la alta poate fi descrisă ca:

UndeTeste temperatura șiÎeste căldura schimbată într-un proces reversibil pe măsură ce sistemul se deplasează între două stări.

A doua lege a termodinamicii afirmă că entropia totală a universului sau a unui sistem izolat nu scade niciodată. În termodinamică, un sistem izolat este unul în care nici căldura, nici materia nu pot intra sau ieși din limitele sistemului.

Cu alte cuvinte, în orice sistem izolat (inclusiv universul), schimbarea entropiei este întotdeauna zero sau pozitivă. Ceea ce înseamnă în esență acest lucru este că procesele aleatorii tind să conducă la mai multe tulburări decât ordine.

Un accent important cade petind săparte din acea descriere. Procese aleatoriiar puteaduce la mai multă ordine decât dezordine fără a încălca legile naturale, dar este mult mai puțin probabil să se întâmple.

În cele din urmă, schimbarea entropiei pentru univers va fi egală cu zero. În acel moment, universul va fi atins echilibrul termic, cu toată energia sub formă de energie termică la aceeași temperatură zero. Aceasta este adesea denumită moartea călduroasă a universului.

Majoritatea oamenilor din întreaga lume discută temperatura în grade Celsius, în timp ce câteva țări folosesc scara Fahrenheit. Oamenii de știință de pretutindeni folosesc însă Kelvins ca unitate fundamentală de măsurare a temperaturii absolute.

Această scară este construită pe o bază fizică specială: zero Kelvin absolut este temperatura la care încetează toate mișcările moleculare. De când căldurăestemișcare moleculară în sensul cel mai simplu, nici o mișcare nu înseamnă căldură. Fără căldură înseamnă o temperatură zero Kelvin.

Rețineți că acest lucru este diferit de un punct de îngheț, la fel ca zero grade Celsius - moleculele de gheață au încă mici mișcări interne asociate, cunoscute și sub denumirea de căldură. Cu toate acestea, schimbările de fază dintre solid, lichid și gaz conduc la schimbări masive ale entropiei ca posibilități diferite organizații moleculare, sau microstate, ale unei substanțe cresc brusc și rapid, fie scad odată cu temperatura.

A treia lege a termodinamicii afirmă că, pe măsură ce temperatura se apropie de zero absolut într-un sistem, entropia absolută a sistemului se apropie de o valoare constantă. Acest lucru a fost adevărat în ultimul exemplu, în care sistemul era întregul univers. Este valabil și pentru sistemele închise mai mici - continuarea răcirii unui bloc de gheață la temperaturi mai reci și mai reci va încetini molecula sa internă mișcări din ce în ce mai multe până când ajung la starea cel mai puțin dezordonată posibilă fizic, care poate fi descrisă folosind o valoare constantă a entropiei.

Majoritatea calculelor entropiei se referă la diferențele de entropie dintre sisteme sau stări ale sistemelor. Diferența în această a treia lege a termodinamicii este că aceasta duce la valori bine definite ale entropiei în sine ca valori pe scara Kelvin.

Pentru a deveni perfect nemișcați, moleculele trebuie, de asemenea, să fie în cea mai stabilă, ordonată cristalină ordonată, motiv pentru care zero absolut este, de asemenea, asociat cu cristale perfecte. O astfel de rețea de atomi cu un singur microstat nu este posibilă în realitate, dar aceste concepții ideale stau la baza celei de-a treia legi a termodinamicii și a consecințelor acesteia.

Un cristal care nu este perfect aranjat ar avea o anumită tulburare inerentă (entropie) în structura sa. Deoarece entropia poate fi descrisă și ca energie termică, aceasta înseamnă că ar avea o anumită energie sub formă de căldură - deci, hotărâtnuzero absolut.

Deși cristalele perfecte nu există în natură, o analiză a modului în care entropia se schimbă pe măsură ce o organizație moleculară abordează una dezvăluie mai multe concluzii:

• Cu cât este mai complexă o substanță - să spunem C₁₂H₂₂O₁₁ vs. H₂ - cu cât este mai probabil să aibă mai multă entropie, deoarece numărul de microstate posibile crește odată cu complexitatea.
• Substanțele cu structuri moleculare similare au entropii similare.
• Structurile cu atomi mai mici, mai puțin energici și legături mai direcționale, cum ar fi legăturile de hidrogen, auMai puținentropie întrucât au structuri mai rigide și ordonate.
  

În timp ce oamenii de știință nu au reușit niciodată să atingă zero absolut în mediile de laborator, ei se apropie tot mai mult tot timpul. Acest lucru are sens, deoarece a treia lege sugerează o limită a valorii entropiei pentru diferite sisteme, pe care le abordează pe măsură ce temperatura scade.

Cel mai important, legea a treia descrie un adevăr important al naturii: Orice substanță la o temperatură mai mare decât zero absolut (deci, orice substanță cunoscută) trebuie să aibă o cantitate pozitivă de entropie. În plus, deoarece definește zero absolut ca punct de referință, suntem capabili să cuantificăm cantitatea relativă de energie a oricărei substanțe la orice temperatură.

Aceasta este o diferență cheie față de alte măsurători termodinamice, cum ar fi energia sau entalpia, pentru care nu există un punct de referință absolut. Aceste valori au sens numai în raport cu alte valori.

Reunirea celei de-a doua și a treia legi a termodinamicii duce la concluzia că, în cele din urmă, întrucât toată energia din univers se schimbă în căldură, va ajunge la o temperatură constantă. Denumită echilibru termic, această stare a universului este neschimbată, dar la o temperaturăsuperiordecât zero absolut.

A treia lege susține, de asemenea, implicațiile primei legi a termodinamicii. Această lege prevede că schimbarea energiei interne pentru un sistem este egală cu diferența dintre căldura adăugată sistemului și munca depusă de sistem:

UndeUeste energie, Qeste căldură șiWeste muncă, toate măsurate în mod obișnuit în jouli, Btus sau calorii).

Această formulă arată că mai multă căldură într-un sistem înseamnă că va avea mai multă energie. La rândul său, asta înseamnă în mod necesar mai multă entropie. Gândiți-vă la un cristal perfect la zero absolut - adăugarea căldurii introduce o mișcare moleculară, iar structura nu mai este perfect ordonată; are o oarecare entropie.