Wat Is De Derde Wet Van De Thermodynamica?

{h1}

Volgens de derde wet van de thermodynamica is de entropie van een perfect kristal nul wanneer de temperatuur van het kristal gelijk is aan het absolute nulpunt (0 kelvin).

De derde wet van de thermodynamica houdt zich bezig met het beperkende gedrag van systemen wanneer de temperatuur het absolute nulpunt nadert. De meeste thermodynamica-berekeningen gebruiken alleen entropie verschillen, dus het nulpunt van de entropieschaal is vaak niet belangrijk. We bespreken de Derde Wet echter voor doeleinden van volledigheid omdat deze de toestand van nul-entropie beschrijft.

De derde wet zegt: "De entropie van een perfect kristal is nul wanneer de temperatuur van het kristal gelijk is aan het absolute nulpunt (0 K)." Volgens Purdue University, "Het kristal moet perfect zijn, of anders zal er een inherente aandoening zijn, het moet ook op 0 K zijn, anders zal er thermische beweging in het kristal zijn, wat leidt tot wanorde."

Siabal Mitra, een professor in de fysica aan de Missouri State University, geeft een andere implicatie van deze wet. "Eén versie van de Derde Wet zegt dat het een oneindig aantal stappen zou vereisen om het absolute nulpunt te bereiken, wat betekent dat je er nooit zult komen. Als je het absolute nulpunt zou bereiken, zou het de Tweede Wet schenden, omdat als je een koellichaam op het absolute nulpunt, dan kon je een machine bouwen die 100 procent efficiënt was. "

In theorie zou het mogelijk zijn om een ​​perfect kristal te laten groeien waarin alle roosterruimtes bezet zijn door identieke atomen. In het algemeen wordt echter aangenomen dat het onmogelijk is om een ​​temperatuur van absolute nul te bereiken (hoewel wetenschappers vrij dichtbij zijn gekomen). Daarom bevat alle materie op zijn minst enige entropie vanwege de aanwezigheid van wat warmte-energie.

Geschiedenis

De derde wet van de thermodynamica werd voor het eerst geformuleerd door de Duitse chemicus en natuurkundige Walther Nernst. In zijn boek "A Survey of Thermodynamics" (American Institute of Physics, 1994) citeert Martin Bailyn Nernst's verklaring van de Derde Wet als: "Het is onmogelijk voor welke procedure dan ook om naar de isotherm te leiden T = 0 in een eindig aantal stappen. "Dit stelt in essentie een temperatuur absolute nul als onbereikbaar op ongeveer dezelfde manier als de snelheid van het licht c. Theorie stelt en experimenten hebben aangetoond dat hoe snel iets ook beweegt, het altijd gemaakt kan worden om sneller te gaan, maar het kan nooit de snelheid van het licht bereiken. Op dezelfde manier, hoe koud een systeem ook is, het kan altijd kouder worden gemaakt, maar het kan nooit het absolute nulpunt bereiken.

In haar boek "The Story of Physics" (Arcturus, 2012) schreef Anne Rooney: "De derde wet van de thermodynamica vereist het concept van een minimumtemperatuur waaronder geen temperatuur ooit kan dalen - bekend als het absolute nulpunt." Ze vervolgde: "Robert Boyle besprak eerst het concept van een minimaal mogelijke temperatuur in 1665, in" Nieuwe experimenten en observaties die te maken hebben met kou ", waarin hij het idee noemde als: primum frigidum."

Absoluut nul wordt verondersteld voor het eerst berekend met redelijke precisie in 1779 door Johann Heinrich Lambert. Hij baseerde deze berekening op de lineaire relatie tussen de druk en de temperatuur van een gas. Wanneer een gas in een beperkte ruimte wordt verwarmd, neemt de druk ervan toe. Dit komt omdat de temperatuur van een gas een maat is voor de gemiddelde snelheid van de moleculen in het gas. Hoe heter het wordt, hoe sneller de moleculen bewegen en hoe groter de druk die ze uitoefenen wanneer ze botsen met de wanden van de container. Het was redelijk voor Lambert om aan te nemen dat als de temperatuur van het gas op het absolute nulpunt zou worden gebracht, de beweging van de gasmoleculen volledig kon worden gestopt, zodat ze geen druk meer konden uitoefenen op de wanden van de kamer.

Als men de temperatuur-drukverhouding van het gas in een grafiek met de temperatuur op de grafiek uitzet X (horizontale) as en druk op de Y (verticale) as, vormen de punten een opwaarts hellende rechte lijn die een lineair verband aangeeft tussen temperatuur en druk. Het zou dus vrij eenvoudig moeten zijn om de rij naar achteren uit te breiden en de temperatuur te lezen waar de lijn de temperatuur passeert Xas, d.w.z. waar Y = 0, wijzend op nuldruk. Met behulp van deze techniek berekende Lambert het absolute nulpunt minus 270 graden Celsius (minus 454 Fahrenheit), wat opmerkelijk dicht bij de modern geaccepteerde waarde van minus 273,15 C (minus 459,67 F) lag.

De Kelvin-temperatuurschaal

De persoon die het meest geassocieerd wordt met het concept van het absolute nulpunt is William Thomson, 1st Baron Kelvin. De temperatuureenheid met zijn naam, de Kelvin (K), wordt het meest gebruikt door wetenschappers over de hele wereld. Temperatuurverhogingen in de Kelvin-schaal hebben dezelfde grootte als in de schaal van Celsius, maar omdat deze begint op het absolute nulpunt, in plaats van het vriespunt van water, kan deze direct worden gebruikt in wiskundige berekeningen, met name in vermenigvuldiging en deling. 100 K is bijvoorbeeld twee keer zo heet als 50 K. Een monster van opgesloten gas van 100 K bevat ook twee keer zoveel thermische energie, en het heeft tweemaal de druk zoals het zou hebben bij 50 K. Dergelijke berekeningen kunnen niet worden gedaan met behulp van de Celsius of Fahrenheit schalen, dat wil zeggen, 100 C is niet tweemaal zo heet als 50° C, noch is 100° F twee keer zo heet als 50° F

Implicaties van de Derde Wet

Omdat een temperatuur van het absolute nulpunt fysiek onbereikbaar is, kan de Derde Wet worden aangepast om op de echte wereld van toepassing te zijn: de entropie van een perfect kristal nadert nul als de temperatuur het absolute nulpunt nadert.We kunnen uit experimentele gegevens extrapoleren dat de entropie van een perfect kristal nul bereikt bij het absolute nulpunt, maar we kunnen dit nooit empirisch aantonen.

Volgens David McKee, hoogleraar natuurkunde aan de Missouri Southern State University: "Er is een gebied met ultra-lage temperaturen onderzoek, en elke keer dat je je omdraait is er een nieuw record laag. Tegenwoordig is nanokelvin (nK = 10−9 K) temperaturen zijn redelijk eenvoudig te bereiken en iedereen werkt nu aan picokelvins (pK =, 10−12 K). "Op dit moment werd de record-lage temperatuur in 1999 bereikt door de YKI-groep van het laboratorium met lage temperatuur van de Aalto University in Finland. Ze koelden een stuk rhodiummetaal tot 100 pK, oftewel 100 biljoenste van een graad Celsius boven het absolute nulpunt haalt het vorige record van 280 pK dat ze in 1993 hebben gezet.

Hoewel een temperatuur van het absolute nulpunt niet bestaat in de natuur, en we het niet in het laboratorium kunnen bereiken, is het concept van het absolute nulpunt van cruciaal belang voor berekeningen met betrekking tot temperatuur en entropie. Veel metingen impliceren een relatie tot een bepaald uitgangspunt. Als we een afstand aangeven, moeten we ons afvragen, op welke afstand? Wanneer we een tijd stellen, moeten we ons afvragen, sinds wanneer? Het definiëren van de nulwaarde op de temperatuurschaal geeft betekenis aan positieve waarden op die schaal. Wanneer een temperatuur wordt aangegeven als 100 K, betekent dit dat de temperatuur 100 K boven het absolute nulpunt ligt, wat twee keer zo ver boven het absolute nulpunt is als 50 K en de helft tot 200 K.

Bij de eerste lezing lijkt de Derde Wet vrij eenvoudig en voor de hand liggend. Het dient echter en de laatste periode aan het einde van een lang en consequent verhaal dat de aard van warmte en thermische energie volledig beschrijft.

Extra middelen

  • De ChemWiki Dynamic Textbook van de universiteit van Californië, Davis, beschrijft de derde wet en entropie.
  • Purdue University heeft een les over "Entropie en de 2e en 3e Wetten van de thermodynamica."
  • Cornell University: "De derde wet van de thermodynamica onderwijzen"

Video Supplement: Eerste Hoofdwet van de Thermodynamica.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com