Tretí zákon termodynamiky: definícia, rovnica a príklady

Zákony termodynamiky pomáhajú vedcom porozumieť termodynamickým systémom. Tretí zákon definuje absolútnu nulu a pomáha vysvetliť, že entropia alebo porucha vesmíru smeruje k stálej nenulovej hodnote.

Entropia je často opísaná slovami ako miera množstva poruchy v systéme. Túto definíciu prvýkrát navrhol Ludwig Boltzmann v roku 1877. Matematicky definoval entropiu takto:

V tejto rovniciY.je počet mikrostavov v systéme (alebo počet spôsobov, ako je možné systém objednať),kje Boltzmannova konštanta (ktorá sa zistí vydelením konštanty ideálneho plynu Avogadrovou konštantou: 1,380649 × 10⁻²³ J / K) alnje prirodzený logaritmus (logaritmus k základnie​).

Týmto vzorcom sa demonštrujú dve veľké myšlienky:

1. Na entropiu sa dá myslieť z hľadiska tepla, konkrétne ako množstva tepelnej energie v uzavretom systéme, ktoré nie je k dispozícii na vykonávanie užitočnej práce.
2. Čím viac mikrostavov alebo spôsobov objednania systému, tým viac entropie systém má.

Zmena entropie systému pri prechode z jedného makrostátu do druhého sa dá označiť ako:

kdeTje teplota aQje teplo vymieňané v reverzibilnom procese, keď sa systém pohybuje medzi dvoma stavmi.

Druhý zákon termodynamiky hovorí, že celková entropia vesmíru alebo izolovaného systému sa nikdy neznižuje. V termodynamike je izolovaný systém taký, v ktorom ani teplo, ani hmota nemôžu vstúpiť alebo opustiť hranice systému.

Inými slovami, v akomkoľvek izolovanom systéme (vrátane vesmíru) je zmena entropie vždy nulová alebo pozitívna. To v podstate znamená, že náhodné procesy majú tendenciu viesť k väčšiemu narušeniu ako k poriadku.

Dôležitý dôraz sa kladie namajú tendenciusúčasťou tohto opisu. Náhodné procesymoholviesť k väčšiemu poriadku ako neporiadku bez porušenia prírodných zákonov, ale je omnoho menej pravdepodobné, že k nemu dôjde.

Zmena entropie pre vesmír sa bude celkovo rovnať nule. V tom bode dosiahne vesmír tepelnú rovnováhu so všetkou energiou vo forme tepelnej energie pri rovnakej nenulovej teplote. Toto sa často označuje ako tepelná smrť vesmíru.

Väčšina ľudí na celom svete diskutuje o teplote v stupňoch Celzia, zatiaľ čo niekoľko krajín používa stupnice Fahrenheita. Vedci všade však používajú Kelvin ako svoju základnú jednotku absolútneho merania teploty.

Táto stupnica je postavená na konkrétnom fyzikálnom základe: Absolútna nula Kelvina je teplota, pri ktorej zastaví všetok molekulárny pohyb. Od horúčavyjemolekulárny pohyb v tom najjednoduchšom zmysle, žiadny pohyb neznamená žiadne teplo. Žiadne teplo neznamená teplotu nula Kelvinov.

Všimnite si, že sa to líši od bodu mrazu, napríklad nulových stupňov Celzia - molekuly ľadu s nimi stále súvisia malé vnútorné pohyby, známe tiež ako teplo. Fázové zmeny medzi tuhou, kvapalnou a plynnou látkou však vedú k masívnym zmenám entropie, pokiaľ ide o možnosti rôzne molekulárne organizácie alebo mikroštáty látky náhle a rýchlo buď stúpajú alebo klesajú s teplota.

Tretí zákon termodynamiky hovorí, že keď sa teplota v systéme blíži k absolútnej nule, absolútna entropia systému sa blíži ku konštantnej hodnote. To platilo v poslednom príklade, keď systémom bol celý vesmír. To platí aj pre menšie uzavreté systémy - pokračovanie v ochladzovaní bloku ľadu na chladnejšie a chladnejšie teploty spomalia jeho vnútornú molekulárnu pohyby stále viac a viac, kým nedosiahnu fyzicky možný najmenej narušený stav, ktorý je možné opísať pomocou konštantnej hodnoty entropie.

Väčšina výpočtov entropie sa zaoberá rozdielmi entropie medzi systémami alebo stavmi systémov. Rozdiel v tomto treťom zákone termodynamiky spočíva v tom, že vedie k presne definovaným hodnotám samotnej entropie ako hodnôt na Kelvinovej stupnici.

Aby boli molekuly úplne nehybné, musia byť tiež v najstabilnejšom usporiadanom kryštalickom usporiadaní, a preto je absolútna nula spojená aj s dokonalými kryštálmi. Takáto mriežka atómov s iba jedným mikrostavom nie je v skutočnosti možná, ale tieto ideálne koncepcie sa opierajú o tretí zákon termodynamiky a jeho dôsledky.

Kryštál, ktorý nie je dokonale usporiadaný, by mal vo svojej štruktúre nejakú inherentnú poruchu (entropiu). Pretože entropiu možno tiež označiť ako tepelnú energiu, znamená to, že by mala určitú energiu vo forme tepla - teda rozhodnenieabsolútna nula.

Aj keď dokonalé kryštály v prírode neexistujú, analýza toho, ako sa entropia mení, keď sa blíži molekulárna organizácia, odhalí niekoľko záverov:

• Zložitejšia látka - povedzme C₁₂H₂₂O₁₁ vs. H₂ - čím viac entropie to bude mať, pretože počet možných mikrostavov sa so zložitosťou zvyšuje.
• Látky s podobnými molekulovými štruktúrami majú podobné entropie.
• Štruktúry s menšími, menej energetickými atómami a viac smerovými väzbami, ako sú vodíkové väzby, majúmenejentropia, pretože majú tuhšie a usporiadanejšie štruktúry.
  

Aj keď sa vedcom nikdy nepodarilo v laboratóriu dosiahnuť absolútnu nulu, neustále sa približujú. To dáva zmysel, pretože tretí zákon navrhuje obmedzenie hodnoty entropie pre rôzne systémy, ku ktorým sa približujú pri poklese teploty.

Najdôležitejšie je, že tretí zákon popisuje dôležitú prírodnú pravdu: Každá látka pri teplote vyššej ako absolútna nula (teda každá známa látka) musí mať pozitívne množstvo entropie. Ďalej, pretože definuje absolútnu nulu ako referenčný bod, sme schopní kvantifikovať relatívne množstvo energie akejkoľvek látky pri akejkoľvek teplote.

Toto je zásadný rozdiel od ostatných termodynamických meraní, ako napríklad energie alebo entalpie, pre ktoré neexistuje absolútny referenčný bod. Tieto hodnoty majú zmysel iba v porovnaní s inými hodnotami.

Spojenie druhého a tretieho zákona termodynamiky vedie k záveru, že nakoniec, keď sa všetka energia vo vesmíre zmení na teplo, dosiahne konštantnú teplotu. Tento stav vesmíru, ktorý sa nazýva tepelná rovnováha, sa nemení, ale dosahuje teplotuvyššieako absolútna nula.

Tretí zákon tiež podporuje dôsledky prvého zákona termodynamiky. Tento zákon stanovuje, že zmena vnútornej energie v systéme sa rovná rozdielu medzi teplom pridaným do systému a prácou vykonanou v systéme:

KdeUje energia, Qje teplo aŽje práca, všetko sa zvyčajne meria v jouloch, Btus alebo kalóriách).

Tento vzorec ukazuje, že viac tepla v systéme znamená, že bude mať viac energie. To zase nevyhnutne znamená viac entropie. Myslite na dokonalý kryštál pri absolútnej nule - pridaním tepla sa zavádza určitý molekulárny pohyb a štruktúra už nie je dokonale usporiadaná; má to určitú entropiu.