Tredje lov om termodynamik: Definition, ligning og eksempler

Termodynamikens love hjælper forskere med at forstå termodynamiske systemer. Den tredje lov definerer absolut nul og hjælper med at forklare, at universets entropi eller forstyrrelse er på vej mod en konstant, ikke-nøjagtig værdi.
Entropy of a System and the Second Law of Thermodynamics -

Entropy is ofte beskrevet i ord som et mål for mængden af forstyrrelse i et system. Denne definition blev først foreslået af Ludwig Boltzmann i 1877. Han definerede entropi matematisk som denne:

S \u003d k × ln (Y)

I denne ligning er Y
antallet af mikrostater i systemet (eller antallet af måder, systemet kan bestilles), k
er Boltzmann-konstanten (som findes ved at dele den ideelle gaskonstant med Avogadros konstant: 1.380649 × 10 ^{−23 J /K) og ln
er den naturlige logaritme (en logaritme til basen e
).}

To store ideer demonstreret med denne formel er:

1. Entropi kan tænkes på med hensyn til varme, specifikt som mængden af termisk energi i et lukket system, som ikke er tilgængeligt til at udføre nyttigt arbejde.
   
2. Jo flere mikrostater, eller måder at bestille et system på, jo mere entropi har systemet.
   
   

   Derudover kan ændringen i entropi af et system, når det flytter fra et makrostat til et andet, beskrives som:
   

   hvor T
   er temperatur og Q
   er varmeveksleren redigeret i en reversibel proces, når systemet bevæger sig mellem to tilstande.
   

   Den anden lov om termodynamik siger, at universets samlede entropi eller et isoleret system aldrig falder. Inden for termodynamik er et isoleret system et system, hvor hverken varme eller stof kan komme ind eller ud af systemets grænser.
   

   Med andre ord, i ethvert isoleret system (inklusive universet) er entropiændring altid nul eller positiv. Hvad dette væsentligt betyder, er, at tilfældige processer har tendens til at føre til mere forstyrrelse end orden.
   

   En vigtig vægt falder på en tendens til en del af beskrivelsen. Tilfældige processer kan
   føre til mere orden end forstyrrelse uden at overtræde naturlove, men det er bare langt mindre sandsynligt, at der sker.
   

   Til sidst vil ændringen i entropi for universet generelt være nul. På det tidspunkt vil universet have nået termisk ligevægt, med al energi i form af termisk energi ved den samme temperatur uden temperatur. Dette kaldes ofte universets varmedød.
   Absolute Zero Kelvin
   

   De fleste mennesker rundt om i verden diskuterer temperatur i grader Celsius, mens nogle få lande bruger Fahrenheit-skalaen. Forskere overalt bruger imidlertid Kelvins som deres grundlæggende enhed for absolut temperaturmåling.
   

   Denne skala er bygget på et bestemt fysisk grundlag: Absolut nul Kelvin er den temperatur, hvor al molekylær bevægelse ophører. Da varme er molekylær bevægelse i den enkleste forstand, betyder ingen bevægelse ingen varme. Ingen varme betyder en temperatur på nul Kelvin.
   

   Bemærk, at dette adskiller sig fra et frysepunkt, ligesom nul grader Celsius - ismolekyler har stadig små indre bevægelser forbundet med dem, også kendt som varme. Faseændringer mellem fast, væske og gas fører imidlertid til store ændringer i entropi, da mulighederne for forskellige molekylære organisationer eller mikrostater af et stof pludseligt og hurtigt enten stiger eller falder med temperaturen.
   The Third Law of Termodynamik
   

   Termodynamikens tredje lov siger, at når temperaturen nærmer sig absolut nul i et system, nærmer systemets absolutte entropi sig en konstant værdi. Dette var sandt i det sidste eksempel, hvor systemet var hele universet. Det er også tilfældet for mindre lukkede systemer - hvis du fortsat nedkøler en isblok til koldere og koldere temperaturer vil bremse dens indre molekylære bevægelser mere og mere, indtil de når den mindst forstyrrede tilstand, der er fysisk muligt, hvilket kan beskrives ved hjælp af en konstant værdi af entropi.
   

   De fleste entropyberegninger omhandler entropiforskelle mellem systemer eller tilstande af systemer. Forskellen i denne tredje lov om termodynamik er, at den fører til veldefinerede værdier af entropi i sig selv som værdier på Kelvin-skalaen.
   Krystallinske stoffer
   

   For at blive perfekt stille skal molekyler også være i deres mest stabilt, ordnet krystallinsk arrangement, hvilket er grunden til, at absolut nul også er forbundet med perfekte krystaller. Et sådant gitteratomer med kun et mikrostat er ikke muligt i virkeligheden, men disse ideelle forestillinger understøtter den tredje lov om termodynamik og dens konsekvenser.
   

   En krystal, der ikke er perfekt arrangeret, ville have en iboende forstyrrelse (entropi) i dens struktur. Da entropi også kan beskrives som termisk energi, betyder det, at den vil have en vis energi i form af varme - så bestemt ikke en absolut nul.
   

   Selvom perfekte krystaller ikke findes i naturen , en analyse af, hvordan entropi ændrer sig, når en molekylær organisation nærmer sig, afslører adskillige konklusioner:
   
   

3. Det mere komplekse stof - siger C _{12H 22O 11 vs. H < sub> 2 - jo mere entropi det er bundet til at have, da antallet af mulige mikrostater øges med kompleksiteten.}
   
4. Stoffer med lignende molekylstrukturer har lignende entropier.
   
5. Strukturer med mindre, mindre energiske atomer og mere retningsbestemte bindinger, som brintbindinger, har mindre
   entropi, da de har mere stive og ordnede strukturer.
   
   
   Konsekvenser af den tredje lov om termodynamik |

   Mens forskere aldrig har været i stand til at opnå absolut nul i laboratorieindstillinger, kommer de tættere og tættere hele tiden. Dette giver mening, fordi den tredje lov antyder en grænse for entropiværdien for forskellige systemer, som de nærmer sig, når temperaturen falder.
   

   Det vigtigste beskriver den tredje lov en vigtig sandhed i naturen: Ethvert stof ved en temperatur større end absolut nul (således, ethvert kendt stof) skal have en positiv mængde entropi. Eftersom det desuden definerer absolut nul som et referencepunkt, er vi i stand til at kvantificere den relative mængde energi for et hvilket som helst stof ved enhver temperatur.
   

   Dette er en nøgleforskel fra andre termodynamiske målinger, såsom energi eller entalpi. , som der ikke er noget absolut referencepunkt for. Disse værdier giver kun mening i forhold til andre værdier.
   

   At sætte termodynamikkens anden og tredje lov sammen fører til den konklusion, at når alt energi i universet ændrer sig til varme, når det til en konstant temperatur. Denne tilstand af universet kaldes termisk ligevægt er uændret, men ved en temperatur højere
   end absolut nul.
   

   Den tredje lov understøtter også implikationer af den første lov om termodynamik. Denne lov hedder, at ændringen i den interne energi for et system er lig med forskellen mellem den varme, der tilføjes systemet, og det arbejde, der udføres af systemet:
   

   ΔU \u003d Q - W
   

   Hvor U
   er energi_, Q_ er varme og W
   er arbejde, alle typisk målt i joules, Btus eller kalorier).
   

   Denne formel viser, at mere varme i et system betyder, at det vil have mere energi. Det betyder nødvendigvis mere entropi. Tænk på en perfekt krystal ved absolut nul - tilføjelse af varme introducerer en vis molekylær bevægelse, og strukturen er ikke længere perfekt ordnet; det har en vis entropi.