Tretji zakon termodinamike: opredelitev, enačba in primeri

Zakoni termodinamike pomagajo znanstvenikom razumeti termodinamične sisteme. Tretji zakon opredeljuje absolutno ničlo in pomaga razložiti, da se entropija ali motnja vesolja usmerja k konstantni, različni od nič.

Entropijo pogosto opisujejo z besedami kot merilo količine motnje v sistemu. To definicijo je leta 1877 prvič predlagal Ludwig Boltzmann. Entropijo je definiral matematično takole:

V tej enačbiY.je število mikrostanov v sistemu (ali število načinov, kako sistem lahko naročite),kje Boltzmannova konstanta (ki jo dobimo z delitvijo idealne plinske konstante z Avogadrovo konstanto: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) inlnje naravni logaritem (logaritem do osnovee​).

Dve veliki ideji, prikazani s to formulo, sta:

1. Entropijo lahko razumemo kot toploto, zlasti kot količino toplotne energije v zaprtem sistemu, ki ni na voljo za koristno delo.
2. Več mikrodržav ali načinov naročanja sistema ima več entropije.

Poleg tega lahko spremembo entropije sistema pri prehodu iz ene makrostanje v drugo opišemo kot:

kjeTje temperatura inVje izmenjava toplote v reverzibilnem procesu, ko se sistem premika med dvema stanjem.

Drugi zakon termodinamike pravi, da se celotna entropija vesolja ali izoliranega sistema nikoli ne zmanjša. V termodinamiki je izoliran sistem tisti, v katerem niti toplota niti snov ne moreta vstopiti ali izstopiti iz meja sistema.

Z drugimi besedami, v katerem koli izoliranem sistemu (vključno z vesoljem) je sprememba entropije vedno nič ali pozitivna. To v bistvu pomeni, da naključni procesi ponavadi vodijo v več nereda kot v red.

Pomemben poudarek je naponavadidel tega opisa. Naključni procesilahkovodijo v več reda kot v neurejenost, ne da bi kršili naravne zakone, vendar je veliko manj verjetno, da se bodo zgodile.

Sčasoma bo sprememba entropije za vesolje enaka nič. Takrat bo vesolje doseglo toplotno ravnovesje z vso energijo v obliki toplotne energije pri enaki temperaturi, ki ni enaka ničli. To se pogosto imenuje toplotna smrt vesolja.

Večina ljudi po vsem svetu razpravlja o temperaturi v stopinjah Celzija, nekaj držav pa uporablja Fahrenheitovo lestvico. Znanstveniki povsod pa uporabljajo Kelvine kot svojo osnovno enoto absolutnega merjenja temperature.

Ta lestvica je zgrajena na določeni fizični osnovi: Absolutna nič Kelvina je temperatura, pri kateri preneha vsa molekularna gibanja. Od vročinejemolekularno gibanje v najpreprostejšem pomenu, nobeno gibanje ne pomeni nobene toplote. Nobena toplota ne pomeni temperature nič Kelvina.

Upoštevajte, da se to razlikuje od ledišča, na primer nič stopinj Celzija - molekule ledu imajo z njimi še vedno majhne notranje gibe, znane tudi kot toplota. Fazne spremembe med trdnim, tekočim in plinom pa povzročajo velike spremembe v entropiji kot možnosti za različne molekularne organizacije ali mikrodržave snovi nenadoma in hitro se bodisi povečajo ali zmanjšajo temperatura.

Tretji zakon termodinamike pravi, da se, ko se temperatura v sistemu približa absolutni ničli, absolutna entropija sistema približa konstantni vrednosti. To je veljalo v zadnjem primeru, kjer je bil sistem celotno vesolje. Velja tudi za manjše zaprte sisteme - nadaljevanje hlajenja bloka ledu na hladnejše in hladnejše temperature bo upočasnilo njegovo notranjo molekularno giba se vedno bolj, dokler ne dosežejo najmanj neurejenega stanja, ki je fizično mogoče, kar lahko opišemo s konstantno vrednostjo entropije.

Večina izračunov entropije obravnava razlike v entropiji med sistemi ali stanji sistemov. Razlika v tem tretjem zakonu termodinamike je, da vodi do natančno določenih vrednosti same entropije kot vrednosti na Kelvinovi lestvici.

Da postanejo molekule popolnoma mirne, morajo biti tudi v svoji najbolj stabilni, urejeni kristalinični ureditvi, zato je absolutna ničla povezana tudi s popolnimi kristali. Takšna mreža atomov z eno samo mikrodružbo v resnici ni mogoča, vendar te idealne predstave podpirajo tretji zakon termodinamike in njegove posledice.

Kristal, ki ni popolnoma urejen, bi imel v svoji strukturi neko lastno motnjo (entropijo). Ker entropijo lahko opišemo tudi kot toplotno energijo, to pomeni, da bi imela nekaj energije v obliki toplote - torej odločnoneabsolutna ničla.

Čeprav popolni kristali v naravi ne obstajajo, analiza, kako se spreminja entropija, ko se molekularna organizacija približuje enemu, razkrije več sklepov:

• Bolj kompleksna je snov - recimo C₁₂H₂₂O₁₁ vs. H₂ - več entropije naj bi imela, saj se število možnih mikrostanov povečuje s kompleksnostjo.
• Snovi s podobno molekularno strukturo imajo podobne entropije.
• Strukture z manjšimi, manj energijskimi atomi in bolj usmerjenimi vezmi, kot so vodikove vezi, imajomanjentropije, saj imajo bolj toge in urejene strukture.
  

Čeprav znanstvenikom v laboratorijskih nastavitvah nikoli ni uspelo doseči absolutne ničle, se ves čas zbližujejo. To je smiselno, ker tretji zakon predlaga mejo vrednosti entropije za različne sisteme, ki se jim približujejo, ko temperatura pade.

Najpomembneje pa je, da tretji zakon opisuje pomembno resnico narave: Vsaka snov pri temperaturi, višji od absolutne ničle (torej katera koli znana snov), mora imeti pozitivno količino entropije. Poleg tega, ker definira absolutno ničlo kot referenčno točko, lahko kvantificiramo relativno količino energije katere koli snovi pri kateri koli temperaturi.

To je ključna razlika od drugih termodinamičnih meritev, kot sta energija ali entalpija, za katere ni absolutne referenčne točke. Te vrednosti so smiselne le glede na druge vrednosti.

Sestavljanje drugega in tretjega zakona termodinamike vodi do zaključka, da bo sčasoma, ko se vsa energija v vesolju spremeni v toploto, dosegla konstantno temperaturo. To stanje vesolja, ki se imenuje toplotno ravnovesje, se ne spreminja, vendar pri temperaturivišjekot absolutna ničla.

Tretji zakon podpira tudi posledice prvega zakona termodinamike. Ta zakon določa, da je sprememba notranje energije sistema enaka razliki med toploto, dodano sistemu, in delom, ki ga sistem opravi:

KjeUje energija, Qje toplota inWje delo, ki se običajno meri v džulih, Btusih ali kalorijah).

Ta formula kaže, da več toplote v sistemu pomeni, da bo imel več energije. To pa nujno pomeni več entropije. Zamislite si popoln kristal pri absolutni ničli - dodajanje toplote uvede nekaj molekularnega gibanja in struktura ni več popolnoma urejena; ima nekaj entropije.