Tredje lagen om termodynamik: definition, ekvation och exempel

Lagarna om termodynamik hjälper forskare att förstå termodynamiska system. Den tredje lagen definierar absolut noll och hjälper till att förklara att entropin eller störningen i universum är på väg mot ett konstant, icke-nollvärde.

Entropi beskrivs ofta i ord som ett mått på mängden störningar i ett system. Denna definition föreslogs först av Ludwig Boltzmann 1877. Han definierade entropi matematiskt så här:

I denna ekvation,Yär antalet mikrostationer i systemet (eller antalet sätt som systemet kan beställas),kär Boltzmann-konstanten (som hittas genom att dividera den ideala gaskonstanten med Avogadros konstant: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) ochlnär den naturliga logaritmen (en logaritm till basene​).

Två stora idéer som demonstreras med denna formel är:

1. Entropi kan betraktas i termer av värme, specifikt som mängden termisk energi i ett slutet system, som inte är tillgängligt för att göra användbart arbete.
2. Ju fler mikrostater eller sätt att beställa ett system, desto mer entropi har systemet.

Dessutom kan förändringen i ett systems entropi när det rör sig från en makrostat till en annan beskrivas som:

varTär temperatur ochFär värmeutbytet i en reversibel process när systemet rör sig mellan två tillstånd.

Den andra termodynamiklagen säger att den totala entropin i universum eller ett isolerat system aldrig minskar. I termodynamik är ett isolerat system ett där varken värme eller materia kan komma in eller ut ur systemets gränser.

Med andra ord, i något isolerat system (inklusive universum) är entropiändring alltid noll eller positiv. Vad detta egentligen betyder är att slumpmässiga processer tenderar att leda till mer störningar än ordning.

En viktig betoning ligger påbrukardel av den beskrivningen. Slumpmässiga processerskulle kunnaleda till mer ordning än oordning utan att bryta mot naturlagar, men det är bara mycket mindre sannolikt att det händer.

Så småningom kommer förändringen i entropi för universum totalt sett att vara noll. Vid den tidpunkten kommer universum att ha uppnått termisk jämvikt, med all energi i form av termisk energi vid samma icke-noll temperatur. Detta kallas ofta universums värmedöd.

De flesta människor världen över diskuterar temperaturen i grader Celsius, medan några länder använder Fahrenheit-skalan. Forskare överallt använder dock Kelvins som sin grundläggande enhet för absolut temperaturmätning.

Denna skala är byggd på en viss fysisk grund: Absolut noll Kelvin är den temperatur vid vilken all molekylär rörelse upphör. Sedan värmeärmolekylär rörelse i enklaste mening, ingen rörelse betyder ingen värme. Ingen värme betyder en temperatur på noll Kelvin.

Observera att detta skiljer sig från en fryspunkt, som noll grader Celsius - ismolekyler har fortfarande små inre rörelser associerade med dem, även kända som värme. Fasförändringar mellan fast, flytande och gas leder dock till massiva förändringar i entropi som möjligheter för olika molekylära organisationer, eller mikrostat, av ett ämne plötsligt och snabbt antingen öka eller minska med temperatur.

Den tredje lagen om termodynamik säger att när temperaturen närmar sig absolut noll i ett system närmar sig den absoluta entropin i systemet ett konstant värde. Detta var sant i det sista exemplet, där systemet var hela universum. Det gäller också för mindre slutna system - att fortsätta att kyla ett isblock till kallare och kallare temperaturer saktar ner dess interna molekyl rör sig mer och mer tills de når det minst störda tillstånd som är fysiskt möjligt, vilket kan beskrivas med hjälp av ett konstant värde av entropi.

De flesta entropi-beräkningar handlar om entropi-skillnader mellan system eller tillstånd av system. Skillnaden i denna tredje lag om termodynamik är att den leder till väldefinierade entropivärden som värden på Kelvin-skalan.

För att bli helt stilla måste molekyler också ha sitt mest stabila, ordnade kristallina arrangemang, varför absolut noll också är associerad med perfekta kristaller. Ett sådant galler av atomer med endast en mikrostat är inte möjligt i verkligheten, men dessa ideala uppfattningar ligger till grund för termodynamikens tredje lag och dess konsekvenser.

En kristall som inte är perfekt ordnad skulle ha någon inneboende störning (entropi) i sin struktur. Eftersom entropi också kan beskrivas som termisk energi betyder det att den skulle ha lite energi i form av värme - så bestämtinteabsolut noll.

Även om det inte finns perfekta kristaller i naturen, avslöjar en analys av hur entropi förändras när en molekylär organisation närmar sig flera slutsatser:

• Ju mer komplex ett ämne - säg C₁₂H₂₂O₁₁ mot. H₂ Ju mer entropi det är bundet att ha, eftersom antalet möjliga mikrostater ökar med komplexiteten.
• Ämnen med liknande molekylära strukturer har liknande entropier.
• Strukturer med mindre, mindre energiska atomer och mer riktade bindningar, som vätebindningar, harmindreentropi eftersom de har mer styva och ordnade strukturer.
  

Medan forskare aldrig har kunnat uppnå absolut noll i laboratorieinställningar, kommer de närmare och närmare hela tiden. Detta är vettigt eftersom den tredje lagen föreslår en gräns för entropivärdet för olika system, som de närmar sig när temperaturen sjunker.

Viktigast, den tredje lagen beskriver en viktig naturens sanning: Varje ämne vid en temperatur som är högre än absolut noll (alltså alla kända ämnen) måste ha en positiv mängd entropi. Eftersom den definierar absolut noll som referenspunkt kan vi dessutom kvantifiera den relativa energimängden för ett ämne vid vilken temperatur som helst.

Detta är en viktig skillnad från andra termodynamiska mätningar, såsom energi eller entalpi, för vilka det inte finns någon absolut referenspunkt. Dessa värden är meningsfulla endast i förhållande till andra värden.

Att sätta ihop termodynamikens andra och tredje lag leder till slutsatsen att när allt energi i universum förändras till värme så kommer det att nå en konstant temperatur. Kallas termisk jämvikt, detta tillstånd av universum är oförändrat, men vid en temperaturhögreän absolut noll.

Den tredje lagen stöder också konsekvenserna av termodynamikens första lag. Denna lag säger att förändringen i intern energi för ett system är lika med skillnaden mellan värmen som tillförs systemet och det arbete som utförs av systemet:

VarUär energi, Qär värme ochWär arbete, vanligtvis mätt i joule, Btus eller kalorier).

Denna formel visar att mer värme i ett system betyder att det kommer att ha mer energi. Det betyder i sin tur nödvändigtvis mer entropi. Tänk på en perfekt kristall vid absolut noll - tillsats av värme introducerar en viss molekylär rörelse, och strukturen är inte längre perfekt ordnad; den har viss entropi.