Termodinamikaren hirugarren legea

Termodinamikaren hirugarren legea, termodinamikaren bigarren legearen jarraipen bat da non zero absolutua eskuraezina dela esaten digu.

«

Kristal perfektu baten entropia zero absolutuan nulua da

»

Zero absolutuan dauden molekulek, lor dezaketen energia mailarik txikienean daude, baina balore hau ez da inoiz nulua izango, Heisenbergen ziurgabetasunaren printzipioaren arabera. Kristal perfektuentzat, sistemaren entropia nulua da eta sistema osatzen duten molekulen desordena minimoa. Gure sistemak inperfekzioak edukiko balitu, beti egongo litzateke entropia kantitate txiki bat, beraz, sistemaren desordena ez litzateke minimoa izango. Hirugarren legeak esaten diguna da egoera honetara iristea ezinzezkoa dela prozesu finituen bitartez behintzat (nahiz eta kristal perfektua izan).

Historia

Walther Nernst

Termodinamikaren hirugarren legea Walther Nernst kimikariak garatu zuen 1906-1912 urte bitartean, Nersten teorema izenekoa. Lege honen arabera sistema baten entropia zero absolutuan konstante definitu bat da. Hau da, zero absolutuan dagoenean sistema oinarrizko egoeran dagoenez entropia oinarrizko egoeratik egin duen aldaketa delako. Beraz honela enuntziatu zuen legea: T=0 lortzea ezinezkoa da urrats kopuru mugatu batean.

Hortik urte batzuetara Gilbert N. Lewis eta Merle Randall-ek legearen beste bertsio bat enuntziatu zuten 1923. urtean: Material kristalino perfektu baten entropia zero absolutuan nulua da.

Ikuspegi matematikoa

Fisika klasikoaren ikuspegitik, Clausiusek definitu zuen nola kalkulatu daitekeen sistema termodinamikoaren entropia aldaketa:

$\Delta S=\int {\frac {{\rm {d}}Q}{T}}.$

non S sistemaren entropia aldaketa den, Q sistemari eman (edo kendu) diogun bero itzulgarria eta T tenperatura.

Fisika estadistikoaren ikuspegitik, honela kalkula genezake sistema termodinamikaren entropia diferentzia:

${\displaystyle S-S_{0}=k_{\text{B}}\ln \,\Omega \ }$

non S sistemaren entropia den, S0 sistemaren hasierako entropia, k_B Boltzmannen konstantea eta $\Omega$ sistema makroskopiko horrek eduki ditzakeen mikroegoera kopurua. Normalean, sistemak zero absolutuan edukiko lukeen entropia aukeratzen da hasierako baldintzatzat, hain zuzen, $S_{0}=0$ ($\Omega =1$ delako, aukera bakarra sistema antolatzeko). Nahiz eta balore hau esperimentalki ezin daitekeen lortu, kalkulu teorikoak egiteko balio digu.

Hirugarren legearen ondorioak

Zero absolutuaren kontzeptua

Celsius-Kelvin

Materiala hiru egoeratan bilatu daiteke, solido, likido eta gas. Materiala gas egoeran badago molekulak asko mugitzen dira eta desordenatuta egoten dira, likido badago molekulen arteko erakarpen-indarrak handiagoak dira eta gutxiago mugitzen dira lotuago daudelako. Eta materiala solido badago molekulak ordenatuta egoten dira eta gutxi mugitzen dira edo bibratu egiten dute. Materiala egoeraz aldatzeko beroa eman edo kendu egin behar zaio, beroa emanez erakarpen indarrak hautsi egiten dira eta beroa kenduz hasierako egoerara itzultzeko joera izango dute molekulek.

Tenperatura, materiaren egoera fiskoan oinarritzen denez, Kelvin eskala definitu daiteke non molekulek lor dezaketen tenperaturarik gutxiena zero Kelvin den , zero absolutua deritzona (-273,15 °C).

Tenperatura honetan, sistema termodinamiko ideal baten entropia nulua da baina honek ez du esan nahi kristalak ez duela barne energiarik, atomoko nukleoen eta elektroien arteko erakarpen eta aldarapenek energia potentzial elektrikoa sortzen dute eta horrez gain elektroien energia zinetikoa dago elektroiak mugimenduan daudelako. Eneregia honi zero puntuko enegia deritzo eta sistemak ezingo du inoiz energia nulua izan.

Egoera honetara esperimentalki iristea ezinezkoa da; substantzien bero espezifikoa gero eta txikiagoa delako zero kelvinetara gerturatzean. Honen ondorioz, edozein erradiaziok sistemaren tenperatura igoko luke.

Molekulei zero absolutuan gertatuko zitzaizkion fenomenoak estrapolatzen dira , baina ez dakigu ziur nolakoa izango litzateken molekulen portaera tenperatura honetan.

Mekanika klasikoaren arabera molekulak geldirik daude zero absolutuan baina mekanika kuantikoaren arabera ez, Heisenbergen ziurgabetasun printzipioaren arabera beti dago energia minimo bat orduan molekulak mugimenduan daude , nahiz eta oso mugimendu txikia izan.

Entropia absolutua

Temodinamikaren 3. legeari esker, elementu ezberdinen entropía absolutua jakin dezakegu presio eta temperatura erreferentzialetan. Horrela, entropía absolutu estandarra 1 atm-ko presoan eta T tenperaturan substantzia batek edukiko duen entropía da, termodinamikaren 3. legearekin kalkulatuta. Formula honekin edozein substantziaren entropia absolutua kalkulatu dezakegu (temperatura kelvinetan):

$S(T)=\textstyle \int \limits _{0}^{T}\displaystyle Cp*dT/T$

Unibertsoaren entropia

Unibertsoa, termodinamikaren ikuspuntutik, sistema batek eta hau inguratzen duen guztiak definituta dago, horregatik, sistema isolatua da, hau da, ez dago ezer unibertsotik kanpo. Beraz, unibertsoa sistemak eta inguruneak osatzen dutenez, eta sistemaren eta ingurunearen entropiak kalkula daitekeenez, bien batura izango da unibertsoaren entropia, eta hauen aldaketen batura, unibertsoaren entropiaren aldaketa.

$\Delta$S_unib = $\Delta$S_ing + $\Delta$S_sis

Clausius-en teoremak dioenez, unibertsoaren entropia aldaketa nulua edo positiboa izan daiteke, zero bada, sistemak jasandako erreakzio edo aldaketa itzulgarria dela diogu, positiboa bada, berriz, itzulezina.

$\Delta$S_unib $\geq$ 0

Hau honela izanik, termodinamikaren 2. legea enuntziatzeko beste modu bat dugu:

«

Unibertsoaren entropia aldaketa, erreazkzio itzulgarrietan nulua den, eta itzulezinetan positiboa den egoera funtzioa da.

»

Erreferentziak

3. http://www.livescience.com/50942-third-law-thermodynamics.html Noiz kontsultatuea:2017-04-30

4. Rodríguez Enuncio, Juan A.; Ruiz Sánchez, Juan J.; Urieta Navarro, José S. Termodinámica química, Editorial Sitensis

5. Fishbane, Paul M.; Gasiorowicz, Stephen; Thornton, Stephen T., Fisika zienztialari eta ingeniarientzat, Euskal herriko unibertsitatearen argitalpen zerbitzua.

Ikusi gainera

-Termodinamkaren lehenengo legea

-Termodinamikaren bigarren legea

-Termodinamika

-Entropia

Kanpo estekak

• Datuak: Q29166