Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

14.5: Третій закон термодинаміки

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    74806

    • Boundless
    • Boundless
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    цілі навчання

    • Поясніть, як абсолютний нуль впливає на ентропію

    Третій закон термодинаміки іноді констатують так: ентропія досконалого кристала при абсолютному нулі точно дорівнює нулю.

    При нульовому Кельвіні система повинна перебувати в стані з мінімально можливою енергією, таким чином, це твердження третього закону справедливо, якщо досконалий кристал має тільки один мінімальний енергетичний стан. Ентропія пов'язана з кількістю можливих мікростанів, і при наявності лише одного мікростану при нульовому Кельвіні ентропія дорівнює рівно нулю.

    Третій закон був розроблений хіміком Вальтером Нернстом протягом 1906-1912 років. Його часто називають теоремою Нернста або постулатом Нернста. Нернст припустив, що ентропія системи при абсолютному нулі буде чітко визначеною константою. Замість того, щоб бути 0, ентропія при абсолютному нулі може бути ненульовою константою, через те, що система може мати виродження (маючи кілька наземних станів при одній енергії).

    Говорячи простою мовою, третій закон стверджує, що ентропія досконалого кристала наближається до нуля, оскільки абсолютна температура наближається до нуля. Цей закон забезпечує абсолютну точку відліку для визначення ентропії. (Діаграма температурної ентропії азоту.) Ентропія (S), визначена щодо цієї точки, є абсолютною ентропією, представленої наступним чином:

    зображення

    Температурна ентропія азоту: діаграма температура-ентропія азоту. Червона крива зліва - крива плавлення. Абсолютна величина ентропії може бути визначена тут, завдяки третьому закону термодинаміки.

    \[\mathrm{S=k_B \log W,}\]

    де k B - постійна Больцмана, а W - кількість мікростанів. За умови, що базовий стан є унікальним (або\(\mathrm{W=1}\)), ентропія досконалої кристалічної решітки, визначена теоремою Нернста, дорівнює нулю за умови, що її наземний стан є унікальним, тому що\(\mathrm{\log (1) = 0}\).

    адіабатичні процеси

    Неможливо знизити температуру будь-якої системи до нульової температури за скінченну кількість скінченних операцій.

    цілі навчання

    • Проілюструйте ізентропний процес, наприклад, з точки зору адіабтичної демангетизації

    У нашому атомі на «Адіабатичні процеси» (категорія: Перший закон термодинаміки) ми дізналися, що адіабатичний процес - це будь-який процес, що відбувається без посилення або втрати тепла всередині системи. Ми також дізналися, що одноатомний ідеальний газ розширюється адіабатично. У цьому атомі ми обговорюємо адіабатичний процес охолодження, який можна використовувати для охолодження газу, а також про те, чи можна отримати абсолютний нуль у реальних системах.

    Абсолютний нуль?

    Раніше ми дізналися про третій закон термодинаміки, який говорить: ентропія досконалого кристала при абсолютному нулі точно дорівнює нулю.

    Відповідно до третього закону, причина того, що T = 0 не може бути досягнута, пояснюється наступним чином: Припустимо, що температура речовини може бути знижена в ізентропному процесі, змінивши параметр X з\(\mathrm{X_2}\) на\(\mathrm{X_1}\). Як приклад можна привести багатоступінчасту установку циклу адіабатичної намагнічення-розмагнічування, де магнітне поле вмикається і вимикається контрольованим способом. (Див. Нижче. Параметр X в даному випадку буде намагніченістю газу.)

    Припускаючи різницю ентропії при абсолютному нулі, T = 0 може бути досягнуто за скінченну кількість кроків. Однак, повертаючись до третього закону, при T=0 немає різниці ентропії, і тому для цього процесу знадобиться нескінченна кількість кроків (проілюстровано в).

    зображення

    Чи можна досягти абсолютного нуля? Діаграма температури ентропії. Горизонтальні лінії представляють ізентропні процеси, а вертикальні - ізотермічні процеси. Ліва сторона: Абсолютний нуль може бути досягнутий за кінцеву кількість кроків, якщо S (T = 0, X1) S (T = 0, X2). Праворуч: Потрібна нескінченна кількість кроків, оскільки S (0, X1) = S (0, X2).

    Адіабатичне розмагнічування охолодження

    Говорячи простою мовою, згадана вище схема охолодження відбувається шляхом повторення наступних кроків:

    1. Сильне магнітне поле застосовується для адіабатичного вирівнювання магнітних моментів частинок в газі.
    2. Магнітне поле зменшується адіабатично, а теплова енергія газу змушує «впорядковані» магнітні моменти знову стати випадковими.

    На другому етапі теплова енергія в газі використовується, щоб викликати розлад магнітних моментів. Тому температура газу знижується (звідси працює охолодження). Така схема називається адіабатичним розмагнічуванням охолодження.

    Ключові моменти

    • Ентропія пов'язана з кількістю можливих мікростанів, і при наявності лише одного мікростану при нульовому кельвіні ентропія дорівнює рівно нулю.
    • Третій закон термодинаміки забезпечує абсолютну точку відліку для визначення ентропії. Ентропія, визначена щодо цієї точки, - абсолютна ентропія.
    • Абсолютну ентропію можна записати як\(\mathrm{S=k_B \logW}\), де W - кількість доступних мікростанів.
    • Оскільки при різниці ентропії\(\mathrm{T=0}\) немає, потрібно нескінченне число етапів термодинамічного процесу охолодження, щоб досягти T = 0.
    • При адіабатичному розмагнічуванні охолодження енергія переходить від теплової ентропії до магнітної ентропії (або розладу магнітних моментів).
    • Той факт, що T=0 неможливо досягти в реальності, є прямим наслідком третього закону термодинаміки.

    Ключові умови

    • мікростан: конкретна детальна мікроскопічна конфігурація системи.
    • абсолютний нуль: найхолодніша можлива температура: нуль за шкалою Кельвіна і приблизно -273,15° C і -459.67° F Повна відсутність тепла; температура, при якій рух всіх молекул припиниться.
    • виродження: Кажуть, що два або більше різних квантових станів є виродженими, якщо всі вони знаходяться на одному енергетичному рівні.
    • ізентропний: Маючи постійну ентропію.
    • розмагнічування: Процес видалення магнітного поля з об'єкта.

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    • Курація та доопрацювання. Надано: Boundless.com. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ

    • абсолютний нуль. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/absolute_zero. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Третій закон термодинаміки. Надано: Вікіпедія. Розташований за адресою: en.wikipedia.org/wiki/third_l... термодинаміка. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • виродження. Надано: Вікіпедія. Розташований за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Виродження. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • мікростан. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/мікродержава. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Ентропія (класична термодинаміка). Надано: Вікіпедія. Розташований за адресою: en.wikipedia.org/wiki/ентропія... термодинаміка). Ліцензія: CC BY: Зазначення авторства
    • абсолютний нуль. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/absolute_zero. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Магнітне охолодження. Надано: Вікіпедія. Розташовано за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Magnetic_refrigeration. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Третій закон термодинаміки. Надано: Вікіпедія. Розташований за адресою: en.wikipedia.org/wiki/third_l... термодинаміка. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • розмагнічування. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/розмагнічування. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • ізентропний. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/isentropic. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Ентропія (класична термодинаміка). Надано: Вікіпедія. Розташований за адресою: en.wikipedia.org/wiki/ентропія... термодинаміка). Ліцензія: CC BY: Зазначення авторства
    • Третій закон термодинаміки. Надано: Вікіпедія. Розташований за адресою: en.wikipedia.org/wiki/third_l... термодинаміка. Ліцензія: Суспільне надбання: Немає відомих авторських прав