• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Tredje lagen om termodynamik: definition, ekvation och exempel

    Termodynamikens lagar hjälper forskare att förstå termodynamiska system. Den tredje lagen definierar absolut noll och hjälper till att förklara att universets entropi eller störning är på väg mot ett konstant, icke-nollt värde.
    Entropy of a System and The Second Law of Thermodynamics -

    Entropy is ofta beskrivs i ord som ett mått på mängden störning i ett system. Denna definition föreslogs först av Ludwig Boltzmann 1877. Han definierade entropi matematiskt så här:

    S \u003d k × ln (Y)

    I denna ekvation är Y
    antalet mikrostater i systemet (eller antalet sätt systemet kan beställas), k
    är Boltzmann-konstanten (som hittas genom att dela den ideala gaskonstanten med Avogadros konstant: 1.380649 × 10 −23 J /K) och ln
    är den naturliga logaritmen (en logaritm till basen e
    ).

    Två stora idéer demonstrerade med denna formel är:

    1. Entropi kan tänkas beträffande värme, speciellt som mängden termisk energi i ett slutet system, som inte är tillgängligt för att göra användbart arbete.
    2. Ju fler mikrostater, eller sätt att beställa ett system, desto mer entropi har systemet.

      Dessutom kan förändringen i systemets entropi när det rör sig från en makrostat till en annan beskrivas som:

      där T är temperatur och Q
      är värmeväxlaren redigeras i en reversibel process när systemet rör sig mellan två tillstånd.

      Den andra lagen för termodynamik säger att universumets totala entropi eller ett isolerat system aldrig minskar. Inom termodynamik är ett isolerat system ett system där varken värme eller materia kan komma in eller lämna systemets gränser.

      Med andra ord, i något isolerat system (inklusive universum) är entropiförändring alltid noll eller positiv. Vad detta i huvudsak betyder är att slumpmässiga processer tenderar att leda till mer störningar än ordning.

      En viktig betoning faller på en del av den beskrivningen. Slumpmässiga processer kan
      leda till mer ordning än störningar utan att bryta mot naturlagar, men det är bara mycket mindre troligt att hända.

      Så småningom kommer förändringen i entropi för universum totalt sett lika med noll. Vid den tidpunkten kommer universum att ha nått termisk jämvikt, med all energi i form av termisk energi vid samma temperatur som inte är noll. Detta kallas ofta universums värmedöd.
      Absolute Zero Kelvin

      De flesta världen över diskuterar temperatur i grader Celsius, medan några få länder använder Fahrenheit-skalan. Forskare överallt använder emellertid Kelvin som sin grundläggande enhet för absolut temperaturmätning.

      Denna skala är byggd på en viss fysisk grund: Absolut noll Kelvin är temperaturen vid vilken all molekylrörelse upphör. Eftersom värme är molekylrörelse i enklaste mening betyder ingen rörelse ingen värme. Ingen värme betyder en temperatur på noll Kelvin.

      Observera att detta skiljer sig från en fryspunkt, som noll grader Celsius - molekyler av is har fortfarande små inre rörelser associerade med dem, även känd som värme. Fasförändringar mellan fast, vätska och gas leder emellertid till enorma förändringar i entropi eftersom möjligheterna för olika molekylorganisationer, eller mikrostater, för ett ämne plötsligt och snabbt antingen ökar eller minskar med temperaturen.
      The Third Law of Termodynamik

      Termodynamikens tredje lag säger att när temperaturen närmar sig absolut noll i ett system, närmar sig systemets absoluta entropi ett konstant värde. Detta var sant i det sista exemplet, där systemet var hela universum. Det är också sant för mindre stängda system - att fortsätta kyla ett isblock till kallare och kallare temperaturer kommer att bromsa dess inre molekylrörelser mer och mer tills de når det minst störda tillståndet som är fysiskt möjligt, vilket kan beskrivas med en konstant värdet på entropin.

      De flesta entropiberäkningar handlar om entropidifferenser mellan system eller systemstillstånd. Skillnaden i denna tredje termodynamiklag är att den leder till väl definierade värden för entropi i sig som värden på Kelvin-skalan.
      Kristallina ämnen

      För att bli perfekt stilla måste molekyler också vara i sitt mest ett stabilt, ordnat kristallint arrangemang, varför absolut noll också är associerad med perfekta kristaller. Ett sådant gitteratomer med bara en mikrostat är inte möjligt i verkligheten, men dessa ideala föreställningar understödjer termodynamikens tredje lag och dess konsekvenser.

      En kristall som inte är perfekt anordnad skulle ha någon inneboende störning (entropi) i sin struktur. Eftersom entropi också kan beskrivas som värmeenergi, betyder det att den skulle ha lite energi i form av värme - så, definitivt inte en absolut noll.

      Även om perfekta kristaller inte finns i naturen , en analys av hur entropi förändras när en molekylär organisation närmar sig en avslöjar flera slutsatser:

    3. Ju mer komplex ett ämne - säg C 12H 22O 11 vs. H < sub> 2 - ju mer entropi det är bundet att ha, eftersom antalet möjliga mikrostater ökar med komplexiteten.
    4. Ämnen med liknande molekylstrukturer har liknande entropier.
    5. Strukturer med mindre, mindre energiska atomer och mer riktade bindningar, som vätebindningar, har mindre
      entropi eftersom de har styvare och ordnade strukturer.


      Konsekvenser av termodynamikens tredje lag |

      Medan forskare aldrig har kunnat uppnå absolut noll i laboratorieinställningar, kommer de närmare och närmare hela tiden. Detta är vettigt eftersom den tredje lagen föreslår en gräns för entropivärdet för olika system, som de närmar sig när temperaturen sjunker.

      Det viktigaste är att den tredje lagen beskriver en viktig sanning i naturen: Alla ämnen vid en temperatur större än absolut noll (alltså någon känd substans) måste ha en positiv mängd entropi. Eftersom det definierar absolut noll som en referenspunkt kan vi dessutom kvantifiera den relativa energimängden för vilket ämne som helst vid vilken temperatur som helst.

      Detta är en nyckelskillnad från andra termodynamiska mätningar, t.ex. , för vilken det inte finns någon absolut referenspunkt. Dessa värden är meningsfulla endast i förhållande till andra värden.

      Att sätta ihop den andra och tredje lagen i termodynamiken leder till slutsatsen att när all energi i universum förändras till värme kommer den att nå en konstant temperatur. Kallade termisk jämvikt är detta tillstånd av universum oförändrat, men vid en temperatur högre än än absolut noll.

      Den tredje lagen stöder också implikationer av den första lagen i termodynamiken. Denna lag säger att förändringen i intern energi för ett system är lika med skillnaden mellan värmen som tillförs systemet och det arbete som utförs av systemet:

      ΔU \u003d Q - W

      Var U är energi_, Q_ är värme och W
      är arbete, allt uppmätt i joule, Btus eller kalorier).

      Denna formel visar att mer värme i ett system betyder att den kommer att ha mer energi. Det innebär i sin tur mer entropi. Tänk på en perfekt kristall vid absolut noll - att lägga till värme introducerar viss molekylrörelse, och strukturen är inte längre perfekt ordnad; det har viss entropi.

    © Vetenskap http://sv.scienceaq.com