Трећи закон термодинамике: дефиниција, једначина и примери

Закони термодинамике помажу научницима да разумеју термодинамичке системе. Трећи закон дефинише апсолутну нулу и помаже да се објасни да се ентропија или поремећај универзума креће ка константној, нула-вредности.

Ентропија се често описује речима као мера величине поремећаја у систему. Ову дефиницију је први предложио Лудвиг Болтзманн 1877. године. Ентропију је математички дефинисао овако:

У овој једначини,Ије број микродржава у систему (или број начина на које се систем може наручити),кје Болцманова константа (која се проналази дељењем идеалне гасне константе са Авогадровом константом: 1.380649 × 10⁻²³ Ј / К) илнје природни логаритам (логаритам за базуе​).

Две велике идеје демонстриране овом формулом су:

1. Ентропија се може сматрати топлотом, посебно као количином топлотне енергије у затвореном систему, која није доступна за обављање корисних послова.
2. Што више микродржава или начина наручивања система, систем има више ентропије.

Поред тога, промена ентропије система при преласку из једне макростање у другу може се описати као:

гдеТ.је температура иКје топлота која се размењује у реверзибилном процесу док се систем креће између два стања.

Други закон термодинамике каже да се укупна ентропија свемира или изолованог система никада не смањује. У термодинамици, изоловани систем је онај у коме ни топлота ни материја не могу ући или изаћи из граница система.

Другим речима, у било ком изолованом систему (укључујући свемир), промена ентропије је увек нула или позитивна. Шта ово у суштини значи је да случајни процеси воде ка више нереда него реда.

Важан нагласак пада наимају тенденцију дадео тог описа. Случајни процесимогаодовести до више реда него до нереда без кршења природних закона, али је много мање вероватно да ће се то догодити.

На крају, промена ентропије за свемир биће једнака нули. У том тренутку свемир ће достићи топлотну равнотежу, са свом енергијом у облику топлотне енергије на истој температури која није нула. Ово се често назива топлотном смрћу универзума.

Већина људи широм света расправља о температури у степенима Целзијуса, док неколико земаља користи Фахренхеитову скалу. Научници свуда, међутим, користе Келвинс као своју основну јединицу апсолутног мерења температуре.

Ова скала је изграђена на одређеној физичкој основи: Апсолутна нула Келвина је температура на којој престаје свако молекуларно кретање. Од врућинејемолекуларно кретање у најједноставнијем смислу, ниједно кретање не значи топлоту. Ниједна топлота не значи температуру од нула Келвина.

Имајте на уму да се ово разликује од тачке смрзавања, попут нула степени Целзијуса - молекули леда и даље имају мале унутрашње покрете повезане са њима, такође познате као топлота. Фазне промене између чврстог, течног и гасног, међутим, доводе до масовних промена у ентропији као могућности за различите молекуларне организације или микростанице супстанце нагло и брзо се повећавају или смањују температура.

Трећи закон термодинамике каже да се, како се температура приближава апсолутној нули у систему, апсолутна ентропија система приближава константној вредности. То је било тачно у последњем примеру, где је систем био читав универзум. Тачно је и за мање затворене системе - наставак хлађења блока леда на хладније и хладније температуре успорит ће његову унутрашњу молекуларну све више и више док не достигну најмање поремећено стање које је физички могуће, а које се може описати константном вредношћу ентропије.

Већина прорачуна ентропије обрађује разлике ентропије између система или стања система. Разлика у овом трећем закону термодинамике је у томе што доводи до добро дефинисаних вредности саме ентропије као вредности на Келвиновој скали.

Да би постали потпуно мирни, молекули такође морају бити у свом најстабилнијем, уређеном кристалном распореду, због чега је апсолутна нула такође повезана са савршеним кристалима. Таква решетка атома са само једном микростањем у стварности није могућа, али ове идеалне концепције подупиру трећи закон термодинамике и његове последице.

Кристал који није савршено уређен имао би својствени поремећај (ентропију) у својој структури. Будући да се ентропија такође може описати као топлотна енергија, то значи да би имала мало енергије у облику топлоте - дакле, одлучнонеапсолутна нула.

Иако савршени кристали у природи не постоје, анализа како се ентропија мења како се молекуларна организација приближава једном открива неколико закључака:

• Што је супстанца сложенија - рецимо Ц.₁₂Х.₂₂О.₁₁ вс. Х.₂ - што ће више ентропије имати, јер се број могућих микростана повећава са комплексношћу.
• Супстанце са сличном молекуларном структуром имају сличне ентропије.
• Структуре са мањим, мање енергетским атомима и усмеренијим везама, попут водоничних, имајумањеентропија јер имају ригидније и уређеније структуре.
  

Иако научници никада нису успели да постигну апсолутну нулу у лабораторијским поставкама, они се све више приближавају и приближавају. То има смисла јер трећи закон предлаже ограничење вредности ентропије за различите системе којима се приближавају како температура опада.

Што је најважније, трећи закон описује важну истину природе: Свака супстанца на температури већој од апсолутне нуле (дакле, било која позната супстанца) мора имати позитивну количину ентропије. Даље, јер дефинише апсолутну нулу као референтну тачку, у могућности смо да квантификујемо релативну количину енергије било које супстанце на било којој температури.

Ово је кључна разлика од осталих термодинамичких мерења, као што су енергија или енталпија, за које не постоји апсолутна референтна тачка. Те вредности имају смисла само у односу на друге вредности.

Састављањем другог и трећег закона термодинамике долази се до закључка да ће на крају, како се сва енергија у универзуму претвори у топлоту, достићи константну температуру. Названо термичком равнотежом, ово стање универзума је непроменљиво, али на температуривишенего апсолутна нула.

Трећи закон такође подржава импликације првог закона термодинамике. Овај закон каже да је промена унутрашње енергије система једнака разлици између топлоте додате систему и рада система:

ГдеУје енергија, Кје топлота иВје посао, све се обично мери у џулима, Бтусима или калоријама).

Ова формула показује да више топлоте у систему значи да ће имати више енергије. То заузврат нужно значи више ентропије. Замислите савршени кристал на апсолутној нули - додавање топлоте уводи неко молекуларно кретање и структура више није савршено уређена; има неку ентропију.