Le leggi della termodinamica aiutano gli scienziati a comprendere i sistemi termodinamici. La terza legge definisce lo zero assoluto e aiuta a spiegare che l'entropia, o disordine, dell'universo si sta dirigendo verso un valore costante, diverso da zero.
Entropia di un sistema e La seconda legge della termodinamica

L'entropia è spesso descritto a parole come una misura della quantità di disturbo in un sistema. Questa definizione fu proposta per la prima volta da Ludwig Boltzmann nel 1877. Definì matematicamente l'entropia in questo modo:

S \u003d k × ln (Y)

In questa equazione, Y
è il numero di microstati nel sistema (o il numero di modi in cui il sistema può essere ordinato), k
è la costante di Boltzmann (che si trova dividendo la costante di gas ideale per la costante di Avogadro: 1.380649 × 10 ^{−23 J /K) e ln
è il logaritmo naturale (un logaritmo alla base e
).}

Due grandi idee dimostrate con questa formula sono:

1. L'entropia può essere considerata in termini di calore, in particolare come la quantità di energia termica in un sistema chiuso, che non è disponibile per svolgere un lavoro utile.
   
2. Più microstati, o modi di ordinare un sistema, maggiore è l'entropia del sistema.
   
   

   Inoltre, il cambiamento nell'entropia di un sistema mentre si sposta da un macrostato a un altro può essere descritto come:
   

   dove T
   è la temperatura e Q
   è lo scambiatore di calore in un processo reversibile mentre il sistema si muove tra due stati.
   

   La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia totale dell'universo o di un sistema isolato non diminuisce mai. In termodinamica, un sistema isolato è uno in cui né il calore né la materia possono entrare o uscire dai confini del sistema.
   

   In altre parole, in qualsiasi sistema isolato (incluso l'universo), il cambiamento di entropia è sempre zero o positivo. Ciò significa essenzialmente che i processi casuali tendono a portare a più disordine che all'ordine.
   

   Un'enfasi importante cade sulla tende a fare parte di quella descrizione. I processi casuali potrebbero portare a più ordine del disordine senza violare le leggi naturali, ma è semplicemente molto meno probabile che accada.
   

   Alla fine, il cambiamento di entropia per l'universo nel suo insieme sarà uguale a zero. A quel punto, l'universo avrà raggiunto l'equilibrio termico, con tutta l'energia sotto forma di energia termica alla stessa temperatura diversa da zero. Questa è spesso definita la morte termica dell'universo.
   Zero Kelvin assoluto
   

   La maggior parte delle persone nel mondo parla della temperatura in gradi Celsius, mentre alcuni paesi usano la scala Fahrenheit. Gli scienziati di tutto il mondo, tuttavia, usano i Kelvin come unità fondamentale per la misurazione della temperatura assoluta.
   

   Questa scala è costruita su una base fisica particolare: lo zero assoluto Kelvin è la temperatura alla quale cessano tutti i movimenti molecolari. Poiché il calore è il movimento molecolare nel senso più semplice, nessun movimento significa nessun calore. Nessun calore significa una temperatura di zero Kelvin.
   

   Nota che questo è diverso da un punto di congelamento, come zero gradi Celsius - le molecole di ghiaccio hanno ancora piccoli movimenti interni associati a loro, noto anche come calore. I cambiamenti di fase tra solido, liquido e gas, tuttavia, portano a enormi cambiamenti nell'entropia poiché le possibilità per le diverse organizzazioni molecolari, o microstati, di una sostanza improvvisamente e rapidamente aumentano o diminuiscono con la temperatura.
   La terza legge di Termodinamica
   

   La terza legge della termodinamica afferma che quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto in un sistema, l'entropia assoluta del sistema si avvicina a un valore costante. Questo era vero nell'ultimo esempio, in cui il sistema era l'intero universo. È anche vero per i sistemi chiusi più piccoli: continuare a raffreddare un blocco di ghiaccio a temperature sempre più fredde rallenterà sempre di più i suoi movimenti molecolari interni fino a raggiungere lo stato meno disordinato che è fisicamente possibile, che può essere descritto usando una costante valore dell'entropia.
   

   La maggior parte dei calcoli dell'entropia si occupa delle differenze di entropia tra sistemi o stati di sistemi. La differenza in questa terza legge della termodinamica è che porta a valori ben definiti dell'entropia stessa come valori sulla scala Kelvin.
   Sostanze cristalline
   

   Per rimanere perfettamente immobili, anche le molecole devono essere nella loro parte più disposizione cristallina stabile e ordinata, motivo per cui lo zero assoluto è anche associato a cristalli perfetti. Un simile reticolo di atomi con un solo microstato non è possibile nella realtà, ma queste concezioni ideali sono alla base della terza legge della termodinamica e delle sue conseguenze.
   

   Un cristallo che non è perfettamente organizzato avrebbe qualche disordine intrinseco (entropia) nella sua struttura. Poiché l'entropia può anche essere descritta come energia termica, ciò significa che avrebbe una certa energia sotto forma di calore - quindi, decisamente non
   zero assoluto.
   

   Sebbene non esistano cristalli perfetti in natura , un'analisi di come l'entropia cambia quando un'organizzazione molecolare si avvicina a una rivela diverse conclusioni:
   
   

3. Quanto più complessa è una sostanza - diciamo C _{12H 22O 11 vs. H < sub> 2 - maggiore è l'entropia che deve avere, poiché il numero di microstati possibili aumenta con la complessità.}
   
4. Le sostanze con strutture molecolari simili hanno entropie simili.
   
5. Strutture con minori, minori atomi energetici e legami più direzionali, come i legami idrogeno, hanno meno entropia poiché hanno strutture più rigide e ordinate.
   
   
   Conseguenze della Terza Legge della Termodinamica
   

   Sebbene gli scienziati non siano mai stati in grado di raggiungere lo zero assoluto in ambienti di laboratorio, si avvicinano sempre di più. Questo ha senso perché la terza legge suggerisce un limite al valore di entropia per i diversi sistemi, che si avvicinano quando la temperatura scende.
   

   Soprattutto, la terza legge descrive un'importante verità della natura: qualsiasi sostanza alla temperatura maggiore di zero assoluto (quindi qualsiasi sostanza nota) deve avere una quantità positiva di entropia. Inoltre, poiché definisce lo zero assoluto come punto di riferimento, siamo in grado di quantificare la quantità relativa di energia di qualsiasi sostanza a qualsiasi temperatura.
   

   Questa è una differenza chiave rispetto ad altre misurazioni termodinamiche, come l'energia o l'entalpia , per il quale non esiste un punto di riferimento assoluto. Questi valori hanno senso solo rispetto ad altri valori.
   

   Mettere insieme la seconda e la terza legge della termodinamica porta alla conclusione che alla fine, quando tutta l'energia dell'universo si trasforma in calore, raggiungerà una temperatura costante. Chiamato equilibrio termico, questo stato dell'universo è immutabile, ma a una temperatura superiore rispetto allo zero assoluto.
   

   La terza legge supporta anche le implicazioni della prima legge della termodinamica. Questa legge afferma che il cambiamento di energia interna per un sistema è uguale alla differenza tra il calore aggiunto al sistema e il lavoro svolto dal sistema:
   

   ΔU \u003d Q - W
   

   Dove U
   è energia_, Q_ è calore e W
   è lavoro, tutto tipicamente misurato in joule, Btus o calorie).
   

   Questa formula mostra che più calore in un sistema Ciò a sua volta significa necessariamente più entropia. Pensa a un cristallo perfetto allo zero assoluto - l'aggiunta di calore introduce un certo movimento molecolare e la struttura non è più perfettamente ordinata; ha qualche entropia.