Termodinamik yasaları, bilim adamlarının termodinamik sistemleri anlamalarına yardımcı olur. Üçüncü yasa mutlak sıfırı tanımlar ve evrenin entropisinin veya düzensizliğinin sabit, sıfır olmayan bir değere doğru gittiğini açıklamaya yardımcı olur.
Bir Sistemin Entropisi ve Termodinamiğin İkinci Yasası
Entropi, genellikle bir sistemdeki düzensizlik miktarının bir ölçüsü olarak kelimelerle tanımlanır. Bu tanım ilk olarak 1877'de Ludwig Boltzmann tarafından önerildi. Entropiyi matematiksel olarak şöyle tanımladı:
S=k\ln{Y}
Bu denklemde,Ysistemdeki mikro durum sayısıdır (veya sistemin sipariş edilebileceği yol sayısı),kBoltzmann sabitidir (ideal gaz sabitinin Avogadro sabitine bölünmesiyle bulunur: 1.380649 × 10−23 J/K) veiçindedoğal logaritmadır (tabakaya göre bir logaritmae).
Bu formülle gösterilen iki büyük fikir şunlardır:
- Entropi, ısı açısından, özellikle kapalı bir sistemdeki yararlı iş yapmak için mevcut olmayan termal enerji miktarı olarak düşünülebilir.
- Bir sistem ne kadar çok mikro durum veya düzenlenme yolu varsa, sistemin sahip olduğu entropi de o kadar fazladır.
Ek olarak, bir sistemin bir makro durumdan diğerine geçerken entropisindeki değişiklik şu şekilde tanımlanabilir:
neredeTsıcaklık veSsistem iki durum arasında hareket ederken, tersinir bir süreçte ısı alışverişidir.
Termodinamiğin ikinci yasası, evrenin veya yalıtılmış bir sistemin toplam entropisinin asla azalmadığını belirtir. Termodinamikte, yalıtılmış bir sistem, ne ısının ne de maddenin sistemin sınırlarına girip çıkamadığı sistemdir.
Başka bir deyişle, herhangi bir yalıtılmış sistemde (evren dahil), entropi değişimi her zaman sıfır veya pozitiftir. Bunun esas olarak anlamı, rastgele süreçlerin düzenden çok düzensizliğe yol açma eğiliminde olmasıdır.
önemli bir vurgu yapılıyoreğilimibu açıklamanın bir parçası. rastgele süreçlerabilirdoğa yasalarını ihlal etmeden düzensizlikten daha fazla düzene yol açar, ancak gerçekleşmesi çok daha az olasıdır.
Sonunda, genel olarak evrenin entropisindeki değişim sıfıra eşit olacaktır. Bu noktada, evren, tüm enerjinin aynı sıfırdan farklı sıcaklıkta termal enerji biçiminde olmasıyla, termal dengeye ulaşmış olacaktır. Bu genellikle evrenin ısı ölümü olarak adlandırılır.
Mutlak Sıfır Kelvin
Dünyanın dört bir yanındaki çoğu insan sıcaklığı Santigrat derece cinsinden tartışırken, birkaç ülke Fahrenheit ölçeğini kullanıyor. Bununla birlikte, bilim adamları her yerde Kelvinleri mutlak sıcaklık ölçümünün temel birimi olarak kullanırlar.
Bu ölçek belirli bir fiziksel temel üzerine kurulmuştur: Mutlak sıfır Kelvin, tüm moleküler hareketin durduğu sıcaklıktır. ısı beridır-diren basit anlamıyla moleküler hareket, hareket olmaması ısı olmaması anlamına gelir. Isı olmaması, sıfır Kelvin sıcaklık anlamına gelir.
Bunun, sıfır santigrat derece gibi bir donma noktasından farklı olduğuna dikkat edin - buz moleküllerinin hala ısı olarak da bilinen küçük iç hareketleri vardır. Bununla birlikte, katı, sıvı ve gaz arasındaki faz değişiklikleri, olasılıklar olarak entropide büyük değişikliklere yol açar. Bir maddenin farklı moleküler organizasyonları veya mikro halleri aniden ve hızla artar veya azalır. sıcaklık.
Termodinamiğin Üçüncü Yasası
Termodinamiğin üçüncü yasası, bir sistemde sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, sistemin mutlak entropisinin sabit bir değere yaklaştığını belirtir. Bu, sistemin tüm evren olduğu son örnekte doğruydu. Daha küçük kapalı sistemler için de geçerlidir - bir buz bloğunu daha soğuk ve daha düşük sıcaklıklara soğutmaya devam etmek, iç molekülerini yavaşlatacaktır. sabit bir entropi değeri kullanılarak tanımlanabilen, fiziksel olarak mümkün olan en az düzensiz duruma ulaşana kadar giderek daha fazla hareket eder.
Çoğu entropi hesaplaması, sistemler veya sistem durumları arasındaki entropi farklarıyla ilgilenir. Termodinamiğin bu üçüncü yasasındaki fark, Kelvin ölçeğinde değerler olarak iyi tanımlanmış entropi değerlerine yol açmasıdır.
Kristal Maddeler
Mükemmel bir şekilde hareketsiz olmak için, moleküllerin aynı zamanda en kararlı, düzenli kristal düzenlerinde olmaları gerekir, bu nedenle mutlak sıfır aynı zamanda mükemmel kristallerle ilişkilidir. Sadece bir mikro-durumlu böyle bir atom kafesi gerçekte mümkün değildir, ancak bu ideal kavramlar, termodinamiğin üçüncü yasasının ve sonuçlarının temelini oluşturur.
Kusursuz bir şekilde düzenlenmemiş bir kristalin yapısında bazı doğal düzensizlikler (entropi) olacaktır. Entropi aynı zamanda termal enerji olarak da tanımlanabileceğinden, bu, ısı şeklinde bir miktar enerjiye sahip olacağı anlamına gelir - bu nedenle, kesinlikledeğiltamamen sıfır.
Doğada mükemmel kristaller olmamasına rağmen, moleküler bir organizasyona yaklaştıkça entropinin nasıl değiştiğine dair bir analiz, birkaç sonucu ortaya çıkarır:
- Bir madde ne kadar karmaşıksa - C deyin12H22Ö11 vs. H2 – karmaşıklık ile olası mikro durumların sayısı arttıkça sahip olması gereken entropi de o kadar fazladır.
- Benzer moleküler yapılara sahip maddeler benzer entropiye sahiptir.
- Hidrojen bağları gibi daha küçük, daha az enerjili atomlara ve daha yönlü bağlara sahip yapılar,Daha azdaha katı ve düzenli yapılara sahip oldukları için entropi.
Termodinamiğin Üçüncü Yasasının Sonuçları
Bilim adamları laboratuvar ortamında hiçbir zaman mutlak sıfıra ulaşamasalar da, her zaman daha da yakınlaşıyorlar. Bu mantıklıdır, çünkü üçüncü yasa, sıcaklık düştükçe yaklaştıkları farklı sistemler için entropi değerine bir sınır önerir.
En önemlisi, üçüncü yasa, doğanın önemli bir gerçeğini tanımlar: Mutlak sıfırdan daha yüksek sıcaklıktaki herhangi bir madde (dolayısıyla bilinen herhangi bir madde), pozitif miktarda entropiye sahip olmalıdır. Ayrıca, mutlak sıfırı bir referans noktası olarak tanımladığı için, herhangi bir maddenin herhangi bir sıcaklıktaki bağıl enerji miktarını ölçebiliriz.
Bu, mutlak bir referans noktası olmayan enerji veya entalpi gibi diğer termodinamik ölçümlerden önemli bir farktır. Bu değerler yalnızca diğer değerlere göre anlamlıdır.
Termodinamiğin ikinci ve üçüncü yasalarını bir araya getirmek, sonunda evrendeki tüm enerjinin ısıya dönüştüğü için sabit bir sıcaklığa ulaşacağı sonucuna varır. Termal denge olarak adlandırılan evrenin bu durumu değişmez, ancak belirli bir sıcaklıktadır.daha yüksekmutlak sıfırdan daha
Üçüncü yasa, termodinamiğin birinci yasasının sonuçlarını da destekler. Bu yasa, bir sistemin iç enerjisindeki değişimin, sisteme eklenen ısı ile sistem tarafından yapılan iş arasındaki farka eşit olduğunu belirtir:
\Delta U = Q-W
Neredesenenerji, Sısıdır veWiştir, tümü tipik olarak joule, Btus veya kalori cinsinden ölçülür).
Bu formül, bir sistemde daha fazla ısının, daha fazla enerjiye sahip olacağı anlamına geldiğini gösterir. Bu da zorunlu olarak daha fazla entropi anlamına gelir. Mutlak sıfırda mükemmel bir kristal düşünün - ısı eklemek bir miktar moleküler hareket sağlar ve yapı artık mükemmel bir şekilde düzenlenmez; biraz entropisi var.
