Третий закон термодинамики простыми словами: 2.6. Третий закон термодинамики (тепловой закон Нернста)

2.6. Третий закон термодинамики (тепловой закон Нернста)

2.6. Третий закон термодинамики (тепловой закон Нернста)

Как уже указывалось, первый и второй законы термодинамики были сформулированы как принципы невозможности двигателей первого и второго рода.

Третий закон термодинамики сформулирован как принцип невозможности достижения абсолютного нуля температур.

Рассматривая максимально возможные теплоту и работу химических реакций вблизи абсолютного нуля температуры, немецкий физик и физикохимик В. Нернст (1864–1941) заметил, что для конденсированных систем при T → 0 производные теплоты и работы по температуре становятся равными друг другу и также стремятся к нулю. Базируясь на этом, он своей теоремой (теорема Нернста) установил, что вблизи абсолютного нуля температуры значение всех теплоемкостей становится равным нулю и энтропии S всех веществ, находящихся в равновесном состоянии, становятся неизменными и равными между собой. Этот вывод, называемый тепловым законом Нернста, в дальнейшем подтвержден практикой расчетов и экспериментальными данными определения теплоемкостей. В дальнейшем М. Планк показал, что абсолютные значения энтропии при T → 0 для различных веществ не только равны друг другу, но и могут быть приняты равными нулю, т. е. для всех веществ при T → 0 имеем S 0 =0.

Из вышеуказанного рассуждения следует, что ни путем отвода тепла (т. е. охлаждением тела), ни путем совершения какой-либо работы вблизи абсолютного нуля понизить температуру тела невозможно. Этот вывод формулируется как весьма важный закон: абсолютный нуль температуры недостижим. Опыт показывает, что, говоря словами самого Нернста, «в соответствии с результатами квантовой теории для каждого твердого тела существует в окрестности абсолютного нуля некий температурный интервал, в котором само понятие температуры практически теряет смысл», или, проще говоря, в этом температурном интервале свойства тела (объём, тепловое расширение, сжимаемость и т. д.) не зависят от температуры. Это поле термической нечувствительности различно у разных тел; у алмаза, согласно Нернсту, оно простирается не менее чем на 40 градусов от абсолютного нуля.5 … Па, а темпера­тура – до 280 К. Визна­чити масу газу, яку випустили з балона.

помогите пожалуйста Может ли рабочий при помощи системы блоков поднять груз массой 300кг прилагая силу 500H? как это зделать​

1. Как меняется направление луча света (см. рис. 143) после того, как в сосуд наливают воду? 2. Какие выводы получены из опытов по пре- ломлению света … (см. рис. 143, 144)? 3. Какие положения выполняют- ся при преломлении света?​

Три лампочки розраховані на однакову напругу і різну потужність, ввімкнуті в коло паралельно. Яка з них буде світитися яскравіше? Чому?

Пожалуйста помогите! Важнейший пример скалярного произведения в физике – работа силы. Если на частицу, движущуюся по прямой, действует постоянная сила … `F`, то механической работой `A` этой силы при перемещении частицы `Δr` называют скалярное произведение `Af=F*Δr`. Пусть материальная точка переместилась из точки `1` в точку `2`. Все числовые данные указаны на рис. 52. В процессе движения на тело действовали (кроме других) две постоянные силы – «вертикальная» (вниз) `F1=10 «Н»` и «горизонтальная» (вправо) `F2=5 «Н»`. Вычислите работы обеих сил `A(F1,12)`, `A(F2,12)`, а также сумму этих работ и работу равнодействующей этих двух сил `A(R,12)` `(R=F1+F2)`. Нельзя ли было сразу догадаться, что работа `A(R,12)` будет иметь именно это значение?

Пожалуйста помогите! Важнейший пример скалярного произведения в физике – работа силы. Если на частицу, движущуюся по прямой, действует постоянная сила … `F`, то механической работой `A` этой силы при перемещении частицы `Δr` называют скалярное произведение `Af=F*Δr`. Пусть материальная точка переместилась из точки `1` в точку `2`. Все числовые данные указаны на рис. 52. В процессе движения на тело действовали (кроме других) две постоянные силы – «вертикальная» (вниз) `F1=10 «Н»` и «горизонтальная» (вправо) `F2=5 «Н»`. Вычислите работы обеих сил `A(F1,12)`, `A(F2,12)`, а также сумму этих работ и работу равнодействующей этих двух сил `A(R,12)` `(R=F1+F2)`. Нельзя ли было сразу догадаться, что работа `A(R,12)` будет иметь именно это значение?

предмет находится на двойном фокусном расстоянии от собирающей линзы. Расстояние от предмета до его изображения равно равна 40 сантиметров .чему рав … на оптическая сила линзы​

СРОЧНО!!!! ⚠️⚠️ на рисунку зображено графік зміни стану ідеального газу в координатах рТ, де р-тиск, Т-абсолютна температура. маса газу-стала. визначт … е, яку роботу виконав газ під час переходу зі стану 2 в стан 3.

теорема Нернста и третье начало термодинамики кратко

Ранее мы рассмотрели первое и второе начала термодинамики, настало самое время поговорить о третьем. Иначе картина будет просто неполной.

И снова об энтропии

Помните красивое слово «энтропия

»?  Для тех, кто подзабыл, напомним, и попробуем рассказать о том, что такое энтропия такое простыми словами:

Энтропия – это мера хаоса в какой-либо системе.

В качестве системы может выступать Ваш письменный стол или кастрюля с борщом, или даже эта, ну как ее… Вселенная!

Чем меньше в  системе порядка, тем больше энтропия. Например, в шкафу все вещи разбросаны как попало. Энтропия такой системы больше, чем в том же шкафу после того, как Вы решили вдруг прибраться и все сложили по полочкам.

Энтропия растет

Если говорить об определении энтропии в термодинамике, то она является функцией состояния термодинамической системы, то есть не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое.

Абсолютный ноль

Абсолютным нулем температуры называют такой нижний предел температуры, которую во Вселенной  может иметь физическое тело.

Абсолютный ноль принят за начало температурной шкалы Кельвина. Если переводить в привычную нам шкалу Цельсия, то его значение равно -273,15 градусов.

Абсолютный ноль — это очень холодно

В рамках классической термодинамики абсолютного нуля достичь нельзя, да и на практике тоже не удастся. Можно только сколь угодно близко подобраться, чем с удовольствием и занимаются ученые.

Что же творится с вещами у абсолютного нуля? При этой температуре энергия теплового движения атомов и молекул становится равной нулю, прекращается всякое хаотическое движения частиц, и последние образуют упорядоченную структуру без всяких колебаний атомов кристаллической решетки и прочих беспорядков.

Кстати, самая низкая температура во Вселенной была зарегистрирована в туманности Бумаранг и равняется примерно  -271 градусу Цельсия.

Туманность Бумеранг

Третье начало термодинамики

Третье начало термодинамики – фундаментальный закон, который не вытекает из первых двух начал и также основывается на экспериментальных данных. Его еще называют теоремой Нернста.

О чем говорит этот закон? Он рассматривает поведение энтропии у абсолютного нуля и гласит:

Энтропия правильно образованного кристалла при абсолютном нуле равна нулю.

Или вот еще одна формулировка третьего начала термодинамики: Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система.

В чем же смысл третьего начала? В том, что охладить тело до значения абсолютного нуля невозможно! Иначе стал бы возможен вечный двигатель второго рода. А если бы он стал возможен, с нашим миром определенно начало бы твориться неизвестно что. Так что вот и хорошо, что есть третье начало термодинамики!

Абсолютный ноль недостижим

Друзья! Сегодня мы кратко рассмотрели третье начало термодинамики и еще раз освежили в памяти представление об энтропии в контексте основ термодинамики. Если хотите быстро научиться решать задачки по термодинамике, написать реферат или курсовую – добро пожаловать к

нашим авторам. Поможем, объясним, решим качественно и быстро!

Автор: Иван

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Третий закон термодинамики

1. Первый и второй законы термодинамики не позволяют определить значение S0 энтропии системы при абсолютном нуле температуры (T = 0°К). В связи с этим оказывается невозможным теоретический расчет абсолютных значений энтропии,изохорно-изотермного и изобарно-изотермного потенциалов системы, а также константы равновесия.
2. На основании обобщения экспериментальных исследований свойств различных веществ при сверхнизких температурах был установлен закон, устранивший указанную трудность и получивший название принципа Нернста или третьего закона термодинамики. В формулировке Нернста он гласит: в любом изотермическом процессе, проведенном при абсолютном нуле температуры, изменение энтропии системы равно нулю, т. е.
DS (T=0) = 0, S = S0 = const,

независимо от изменения любых других параметров состояния (например, объема, давления, напряженности внешнего силового поля и т. д.). Иными словами, при абсолютном нуле температуры изотермический процесс является также и изоэнтропийным.

3. Из третьего закона термодинамики следует, что для всех тел при T = 0°К обращаются в нуль теплоемкости Сp и СV и термодинамический коэффициент расширяемости a. Из него также вытекает вывод о невозможности осуществления такого процесса, в результате которого тело охладилось бы до температуры T = 0°К (принцип недостижимости абсолютного нуля температуры).
4. Принцип Нернста был развит Планком, предположившим, что S0 = 0: при абсолютном нуле температуры энтропия системы равна нулю. Физическое истолкование принципа Нернста в формулировке Планка дается в статистической физике.
Условие S0 = 0 при T = 0°К является следствием квантового характера процессов, происходящих в любой системе при низких температурах, и выполняется только для систем находящихся при Т = 0°К в состоянии устойчивого, а не метастабильного равновесия. На основании гипотезы Планка можно определить абсолютные значения энтропии системы в произвольном равновесном состоянии.

Второй закон термодинамики, формулировки, энтропия. Процессы: обратимые, необратимые

Тестирование онлайн

Второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики — один из самых общих и фундаментальных законов природы. Неизвестно ни одного процесса, где он нарушался бы. Если какой-либо процесс запрещен первым законом, то можно быть уверенным, что этот процесс никогда не произойдет.

Но первый закон ничего не объясняет, в каком направлении происходят процессы. Например, при падении камня вся его кинетическая энергия исчезает при ударе о землю, но при этом увеличивается внутренняя энергия самого камня и окружающих его тел, так что закон сохранения энергии не нарушается. Но первому закону термодинамики не противоречил бы и обратный процесс, при котором к лежащему на земле камню перешло бы от окружающих предметов некоторое количество теплоты, в результате чего камень поднялся бы на некоторую высоту. Однако никто никогда не наблюдал таких самопроизвольно подскакивающих камней.

Разбить яйца и сделать яичницу не сложно, воссоздать же сырые яйца из готовой яичницы — невозможно. Запах из открытого флакона духов наполняет комнату — однако обратно во флакон его не соберешь. И причина такой необратимости процессов, происходящих во Вселенной, кроется во втором начале термодинамики, который, при всей его кажущейся простоте, является одним из самых трудных и часто неверно понимаемых законов классической физики.

Опыт показывает, что разные виды энергии не равноценны в отношении способности превращаться в другие виды энергии.

Второе начало термодинамики имеет несколько формулировок. Формулировка Клаузиуса: невозможен процесс перехода теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой.

Формулировка Томсона: невозможен процесс, результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, взятой от одного какого-то тела. Эта формулировка накладывает ограничение на превращение внутренней энергии в механическую. Невозможно построить машину (вечный двигатель второго рода), которая совершала бы работу только за счет получения теплоты из окружающей среды.

Формулировка Больцмана: Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Давайте посмотрим, как она работает, на примере воды. В жидком состоянии вода представляет собой довольно неупорядоченную структуру, поскольку молекулы свободно перемещаются друг относительно друга, и пространственная ориентация у них может быть произвольной. Другое дело лед — в нем молекулы воды упорядочены, будучи включенными в кристаллическую решетку. Формулировка второго начала термодинамики Больцмана, условно говоря, гласит, что лед, растаяв и превратившись в воду (процесс, сопровождающийся снижением степени упорядоченности и повышением энтропии) сам по себе никогда из воды не возродится. Энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах — то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки. Или, холодильник не работает, если он не включен в розетку! Или, частицы, оказавшись в беспорядочном хаотичном состоянии не возвращаются в порядок самопроизвольно.

Обратимые и необратимые процессы

Газ находится в сосуде, закрытом поршнем. Выдвигаем поршень. Это необратимый процесс, потому что его нельзя вернуть в обратное состояние через те же промежуточные состояния системы!

Чтобы расширить газ обратимым образом, нужно выдвигать поршень бесконечно медленно. При этом давление газа будет во всем объеме одинаковым.

Необратимыми являются процессы, при которых механическая энергия переходит во внутреннюю при наличие трения. В отсутствие трения все механические процессы протекали бы обратимо.

Таким образом, равновесные обратимые процессы являются абстракцией из-за существующих трения и теплообмена.

Второй закон термодинамики можно сформулировать без уточнения вида процесса. При этом формулировка будет эквивалентна вышеизложенным: вблизи каждого равновесного состояния любой термодинамической системы существуют другие равновесные состояния, недостижимые из первого адиабатическим путем.

Принцип адиабатической недостижимости означает, что практически все реальные процессы происходят с теплообменом: адиабатические процессы — это редкое исключение. Рядом с каждым равновесным состоянием есть множество других, переход в которые обязательно требует теплообмена, и лишь в немногие из них можно попасть адиабатически.

третий закон термодинамики простыми словами — 9 рекомендаций на Babyblog.ru

Возрождение интереса к ангелам в наши дни далеко не случайно.

Новая космология ставит новые вопросы. Разрастаются масштабы

деятельности ангелов во Вселенной. Нам необходимо осознать роль

сверхчеловеческого разума в мироздании. Мы должны пересмотреть старую

ангелологию и установить новые отношения с миром ангелов.

Чему учит нас обширная ангелологическая традиция? Что могут

поведать нам об ангелах Дионисий Ареопагит, Хильдегарда Бингенская и

Фома Аквинский?

Ангелы часто описываются, как светоносные существа, отблески

сияющего Божества. В одном из пассажей Фомы

Аквинского, где говорилось, что ангелы перемещаются в пространстве без

потери времени. Это напоминает рассуждения

Эйнштейна о свете. Можно ли сказать, что ангелы- это фотоны, носители

света?

В расуждениях Аквината об ангелах можно обнаружить

потрясающие соответствия квантовой теории и теории относительности.

Ангелы — квантовое явление: это единицы действия. Их присутствие

обнаруживается исключительно в движении: ангелы — кванты действия. С

нашей точки зрения, когда ангелы перемещаются в пространстве, проходит

какое-то время; но с точки зрения ангелов, это — мгновенное

перемещение, не требующее никаких затрат времени. Именно так

Эйнштейн описывает перемещение фотонов света. Мы, как сторонние

наблюдатели, можем измерить скорость света, но с точки зрения самого

света движение происходит без потери времени. Свет не стареет. Свет

времен «большого взрыва», случившегося 15 миллиардов лет назад, все

еще окружает нас в виде космического микроволнового фонового

излучения. Столько лет прошло, а он по-прежнему вокруг нас и совсем не

слабеет.

Так что современная физика изобилует весьма примечательными

параллелями традиционным учениям об ангелах. Думаю, это потому, что

физику и ангелологию интересуют схожие проблемы. Как перемещается то,

у чего нет массы и тела? По Аквинату, у ангелов нет ни массы, ни тела. То

же самое относится и к фотонам: у них нет массы, их можно обнаружить

только в движении.

Ангелы,имеют световую природу, связанную с огнем и теплообменом, как и материя.

Специалист в области квантовой физики Дэвид Бом сказал: «Материя

— это замороженный свет». Материя — вибрирующие субатомные и

атомарные частицы — улавливает энергию света. Но вещество может и

отдавать свет. Например, когда горит бумага, высвобождается энергия

солнца, уловленная листьями деревьев в процессе фотосинтеза и скрытая в

древесине.

Так же законы термодинамики, сформулированные в XIX веке, — это величайшее

научное прозрение. Они гласят, что все виды энергии могут

трансформироваться друг в друга и что энергия — сердце всех вещей.

Наиболее очевидная форма энергии — огонь, но энергия незримо

присутствует во всем остальном. Источник ее, согласно утверждениям

современной космологии, — это первичный сгусток энергии, давший начало

Вселенной.

Теория относительности гласит, что «физические тела не могут

двигаться со скоростью света, потому что с приближением к скорости света

их масса будет невероятно увеличиваться. С этой скоростью может

перемещаться только сам свет, поскольку у фотонов нет массы».

Где же находятся Ангелы?

Ангелы не находятся в каком-либо месте, а, напротив,

содержат его в себе, кажутся несколько загадочными. По-видимому,

ангельское присутствие отличается от того, что мы обычно называем

«присутствием».

Ближайший аналог — свойства полей. Можно, например,

сказать, что гравитационное поле содержится во Вселенной — а можно и

наоборот: что Вселенная находится в гравитационном поле. Точно так же и

с электромагнитным полем, через которое проходит свет: оно содержит то,

на что оказывает воздействие. Мы находимся в электромагнитном поле,

которое позволяет нам видеть предметы и самим быть видимыми. Оно

воздействует на нас, а мы — на него.

И тут мы снова возвращаемся к ангелам и фотонам. Фотон — это квант

действия, движения. Его можно локализовать в действии. То же самое

Аквинат говорит об ангелах. Кроме того, фотон не является материей в

обычном смысле слова. У него нет массы. То есть фотон не обладает

телесной природой

Ангелы нематериальны и бесплотны, но они объемлют материальные

тела и обнаруживают свое присутствие в действии, движении. Фактически,

именно об этом говорит квантовая теория.

Согласно квантовой теории, такие частицы, как фотон или электрон, в

промежутке между действиями существуют в виде «волновой функции».

Распространение волновой функции — это распределение вероятности. Ее

местонахождение можно определить, только когда она проявляет себя в

действии. В определенной точке вся эта волна вероятности разрушается —

происходит так называемый коллапс волновой функции.

Один из парадоксов квантовой теории заключается в том, что если

пропускать одиночные фотоны строго по одному за раз через аппарат с

двумя прорезями, то на фотопленке обнаружится схема интерференции,

как если бы волновые функции проходили через обе прорези. При

воздействии фотона на какое-либо из зерен серебра на пленке эти волны

разрушаются.

Интересно, что волновая функция в квантовой теории математически

представлена многомерной формулой. Это не трехмерное пространство. Это

своего рода воображаемое пространство, математическая, а не физическая

реальность.

Действия таких квантовых частиц, как фотоны, прерывисты. Когда

фотон покидает Солнце, это квант действия. Когда он сталкивается с чем-

то на Земле, это другое действие. Но между двумя этими точками он

существует исключительно в виде волновой функции. Когда она проявляет

себя в действии, ее можно локализовать. Это не значит, что она

находилась в этой точке раньше, — это означает лишь то, что в своем

действии она в этой точке разрушается или конденсируется. Предсказать, в

какой точке она будет действовать, можно лишь в терминах вероятности —

то есть необусловленности, свободы.

Таким образом, то, что Аквинат говорит о перемещениях ангелов,

очень напоминает положения квантовой теории о перемещениях фотонов и

других квантовых частиц

Основная часть электромагнитного спектра нашему зрению

недоступна. То, что воспринимается глазом, связано не столько с природой

излучения, сколько с природой самого зрения. Во всех видах

электромагнитного излучения задействованы фотоны.

Если ангелы — передатчики видимого и невидимого света, это значит,

что они испускают, помимо всего прочего, ультрафиолетовый и

инфракрасный свет, космические лучи, радиоволны, микроволны и Х-лучи.

Ангелы задействованы в обширной сети излучения, которая связывает друг

с другом все части творения, космоса, и объединяет все человечество

посредством электромагнитных технологий — радио и телевидения.

Ангелы не просто знают — они действуют. Поля организма оказывают

воздействие на ангела, и благодаря этому воздействию ангел получает

непосредственный доступ к самой сердцевине организма. И наоборот, —

ангел воздействует на организм, создавая новые паттерны активности

полей.

Об иерархии .

В наше время лучше использовать термин «холархия»,

, потому что слово «иерархия» —

слишком нагруженное и дискредитировало себя . В современном мире оно подразумевает в том числе и политическое давление. Лучшая часть слова «иерархия» — это «иер-». Для большинства

людей «иерархия» — это что-то связанное с эксплуатацией: те, кто

наверху, эксплуатируют тех, кто внизу. Но, конечно же, это не так.

«Иерос» — греческое слово, означающее «священный». Просто небеса и

земля утратили в наших глазах свою священную природу, отсюда и все

наши затруднения.

Поэтому « холархия» — это то, что надо. «Иерос» по-гречески значит

«священный, святой». По-английски «святой» — holy — сходно по

звучанию с whole — «целый». То же самое и по-гречески: «холос» —

значит «целый».

Теперь о природе вещей. Природа состоит из разных уровней, образующих иерархию.

Лучше всего называть ее иерархией вложенных уровней. Например, кристалл как

целое состоит из молекул. Каждая из этих молекул как целое состоит из

атомов. Каждый атом — организм, состоящий из ядра и электронов; в ядро

как целое входят нейтроны, протоны и силы, удерживающие их вместе, и

так далее.

В основе природных холархий лежат организующие поля. Еще их называют

«морфологическими полями»:

они определяют форму и структуру системы. У каждой галактики, каждой

планетной системы, каждой планеты есть свое морфологическое поле.

Структурные уровни — это также и уровни морфологических полей. Даже и

без этой моей гипотезы морфологических полей мы знаем о

гравитационном поле Галактики и гравитационном поле Солнечной

системы, благодаря которому планеты обращаются вокруг Солнца; знаем

мы и о существовании гравитационного поля Земли, которое удерживает

нас на Земле, а Луну- на земной орбите. А еще есть электрические и

магнитные поля Галактики, Солнца и Земли. Даже если мы ограничимся

несовершенными представлениями современной науки, то уже получим

иерархии, или холархии, полей.

То же самое относится и к электромагнитным полям в кристалле: в

поле кристалла находятся молекулярные поля, а внутри них — поля

атомов, электронов и атомного ядра, причем не только электромагнитные

поля, но и квантовые.

Современные теории полей пришли на смену традиционным

представлениям о душе как о невидимом структурирующем принципе. Даже

свойства электричества и магнита вплоть до XVII веке описывались как

некие невидимые силы («души»), заключенные в магните или электрически

заряженном теле и способные действовать на расстоянии.

Поля — современное название для невидимых организующих сил

природы. С древних времен эти силы назывались «душами». Душу мира,

апima mundi, теперь зовут «гравитационным полем». Душу магнита стали

на зывать «магнитным полем», душу электричества — «электрическим

полем». Души растений и животных, души, отвечающие за развитие

эмбриона и рост тела, получили в современной биологии развития

название «морфогенетических полей». Души животных можно было бы

назвать «полями инстинкта и поведения», а про нашу умственную

деятельность сказать, что она «регулируется ментальными полями».

Не душа находится в теле, а тело — в душе. На какое

расстояние распространяется действие полей нашей души — или, говоря

иначе, действие наших мыслей, надежд, грез, страстей, познаний? В каком-

то смысле все, о чем мы говорим, заключено в поле нашей души. Мы можем

говорить о том, что знаем, — или думаем, что знаем. Так мы достигаем

пределов Вселенной, и наши поля, то есть наши души, растут. Это можно

назвать «пробуждением поля человека». От порожденного Новым временем

представления о ничтожности души, заключенной в шишковидной железе

или коре головного мозга, мы движемся к пониманию души как

организующего принципа, всеобъемлющего сознания.

Наши познавательные способности выходят за пределы

мозга, охватывая все то, что мы воспринимаем, испытываем, переживаем и

знаем. Ментальные поля во много раз превосходят мозг своими размерами:

по мере того, как расширяются наши представления о мире, о космосе,

ментальные поля обретают поистине космические масштабы.

Поскольку ангелы, как мы считаем, организованы холархически, у них,

возможно, тоже есть поля. Ангелов можно рассматривать как особые

проявления активности этих полей (речь идет, скорее всего, о волновых

функциях) — точно так же, как фотоны можно считать

проявлениями энергии, заключенной в электромагнитных полях.

Поэтому у ангелов, как и у квантов, два аспекта: они каким-то образом

соотносятся со своей областью активности и в то же время проявляют себя

в качестве квантов этой активности.

Эти многослойные структурные уровни мы наблюдаем повсюду. Наше

собственное тело состоит из органов, тканей, клеток, органоидов и

молекул. Мы как организмы представляем собой часть более крупных

систем; мы — частицы социума, а социум подобен организму на более

высоком структурном уровне. Социумы — частицы экосистем. Существуют и

еще более высокие уровни: наша планета — Гайя, Солнечная система

(тоже своего рода организм), Галактика, группы галактик.

С этой точки зрения, на каждом уровне мы обнаруживаем целое,

состоящее из частей, но превосходящее их сумму. Не бывает планеты вне

планетной системы, она обязательно будет частью более крупного целого.

Не бывает планетной системы вне галактики (по крайней мере, насколько

нам известно).

Так и Ангельская природа имеет иерархическую структуру.

Ангельские чины

Дионисий различает девять ангельских чинов:

Первая иерархия:

Престолы

Херувимы

Серафимы

Вторая иерархия:

Власти

Силы

Господства

Третья иерархия:

Начала

Архангелы

Ангелы

Точки соприкосновения природы Ангелов в науке, религии и философии

• Ангелы весьма многочисленны; их количество измеряется поистине

астрономическими числами. Помимо человеческого сознания, в космосе

существует множество других видов разума.

• Ангелы существовали с момента возникновения Вселенной.

• Они образуют иерархии вложенных уровней.

• Они — разумные существа, управляющие природой.

• У ангелов особые отношения со светом, огнем, пламенем и

фотонами. Между учением Аквината о природе ангелов и учением

Эйнштейна о фотонах наблюдаются поразительные параллели: ангелы и

фотоны схожи по способу передвижения; и те и другие не стареют и не

имеют массы.

• Ангелы от природы музыкальны и трудятся в гармонии друг с

другом.

• Ангелы, как правило, дружелюбны. Христос обладает властью над

ангелами.

• У ангелов особые отношения с человеческим сознанием. Люди —

мост между земным миром и космическим разумом.

• Ангелы, по-видимому, сыграли особую роль в происхождении языка.

• Ангелы вдохновляют пророков, пробуждают воображение и

интуицию и потому особенно дружественны творческим людям.

• Ангелы дивятся нам. Люди своими действиями могут влиять на весь

космос, и посредниками им служат ангелы.

• Их главное занятие — хвала.

• В отношениях с людьми ангелы выполняют самые разнообразные

функции: они вдохновляют, приносят вести, защищают и направляют.

• Они присутствуют на богослужении.

• Добрые и злые ангелы влияют на решения, которые мы принимаем.

• Ангелы не обладают материальным телом, но могут на время

принимать телесный облик для того, чтобы вступать в общение с людьми и

приходить им на помощь.

• Они сопровождают людей на пути из земной жизни в последующую.

По книге Мзтью Фокс, Руперт Шелдрейк «ФИЗИКА АНГЕЛОВ»

Энтропия? Это просто! / Хабр

Этот пост является вольным переводом ответа, который Mark Eichenlaub дал на вопрос What’s an intuitive way to understand entropy?, заданный на сайте Quora

Энтропия. Пожалуй, это одно из самых сложных для понимания понятий, с которым вы можете встретиться в курсе физики, по крайней мере если говорить о физике классической. Мало кто из выпускников физических факультетов может объяснить, что это такое. Большинство проблем с пониманием энтропии, однако, можно снять, если понять одну вещь. Энтропия качественно отличается от других термодинамических величин: таких как давление, объём или внутренняя энергия, потому что является свойством не системы, а того, как мы эту систему рассматриваем. К сожалению в курсе термодинамики её обычно рассматривают наравне с другими термодинамическими функциями, что усугубляет непонимание.

Если в двух словах, то

Энтропия — это то, как много информации вам не известно о системе

Например, если вы спросите меня, где я живу, и я отвечу: в России, то моя энтропия для вас будет высока, всё-таки Россия большая страна. Если же я назову вам свой почтовый индекс: 603081, то моя энтропия для вас понизится, поскольку вы получите больше информации.

Почтовый индекс содержит шесть цифр, то есть я дал вам шесть символов информации. Энтропия вашего знания обо мне понизилась приблизительно на 6 символов. (На самом деле, не совсем, потому что некоторые индексы отвечают большему количеству адресов, а некоторые — меньшему, но мы этим пренебрежём).

Или рассмотрим другой пример. Пусть у меня есть десять игральных костей (шестигранных), и выбросив их, я вам сообщаю, что их сумма равна 30. Зная только это, вы не можете сказать, какие конкретно цифры на каждой из костей — вам не хватает информации. Эти конкретные цифры на костях в статистической физике называют микросостояниями, а общую сумму (30 в нашем случае) — макросостоянием. Существует 2 930 455 микросостояний, которые отвечают сумме равной 30. Так что энтропия этого макросостояния равна приблизительно 6,5 символам (половинка появляется из-за того, что при нумерации микросостояний по порядку в седьмом разряде вам доступны не все цифры, а только 0, 1 и 2).

А что если бы я вам сказал, что сумма равна 59? Для этого макросостояния существует всего 10 возможных микросостояний, так что его энтропия равна всего лишь одному символу. Как видите, разные макросостояния имеют разные энтропии.

Пусть теперь я вам скажу, что сумма первых пяти костей 13, а сумма остальных пяти — 17, так что общая сумма снова 30. У вас, однако, в этом случае имеется больше информации, поэтому энтропия системы для вас должна упасть. И, действительно, 13 на пяти костях можно получить 420-ю разными способами, а 17 — 780-ю, то есть полное число микросостояний составит всего лишь 420х780 = 327 600. Энтропия такой системы приблизительно на один символ меньше, чем в первом примере.

Мы измеряем энтропию как количество символов, необходимых для записи числа микросостояний. Математически это количество определяется как логарифм, поэтому обозначив энтропию символом S, а число микросостояний символом Ω, мы можем записать:

S = log Ω

Это есть ничто иное как формула Больцмана (с точностью до множителя k, который зависит от выбранных единиц измерения) для энтропии. Если макросостоянию отвечают одно микросостояние, его энтропия по этой формуле равна нулю. Если у вас есть две системы, то полная энтропия равна сумме энтропий каждой из этих систем, потому что log(AB) = log A + log B.

Из приведённого выше описания становится понятно, почему не следует думать об энтропии как о собственном свойстве системы. У системы есть опеделённые внутренняя энергия, импульс, заряд, но у неё нет определённой энтропии: энтропия десяти костей зависит от того, известна вам только их полная сумма, или также и частные суммы пятёрок костей.

Другими словами, энтропия — это то, как мы описываем систему. И это делает её сильно отличной от других величин, с которыми принято работать в физике.

Классической системой, которую рассматривают в физике, является газ, находящийся в сосуде под поршнем. Микросостояние газа — это положение и импульс (скорость) каждой его молекулы. Это эквивалентно тому, что вы знаете значение, выпавшее на каждой кости в рассмотренном раньше примере. Макросостояние газа описывается такими величинами как давление, плотность, объём, химический состав. Это как сумма значений, выпавших на костях.

Величины, описывающие макросостояние, могут быть связаны друг с другом через так называемое «уравнение состояния». Именно наличие этой связи позволяет, не зная микросостояний, предсказывать, что будет с нашей системой, если начать её нагревать или перемещать поршень. Для идеального газа уравнение состояния имеет простой вид:

p = ρT

хотя вы, скорее всего, лучше знакомы с уравнением Клапейрона — Менделеева pV = νRT — это то же самое уравнение, только с добавлением пары констант, чтобы вас запутать. Чем больше микросостояний отвечают данному макросостоянию, то есть чем больше частиц входят в состав нашей системы, тем лучше уравнение состояния её описывают. Для газа характерные значения числа частиц равны числу Авогадро, то есть составляют порядка 10²³.

Величины типа давления, температуры и плотности называются усреднёнными, поскольку являются усреднённым проявлением постоянно сменяющих друг друга микросостояний, отвечающих данному макросостоянию (или, вернее, близким к нему макросостояниям). Чтобы узнать в каком микросостоянии находится система, нам надо очень много информации — мы должны знать положение и скорость каждой частицы. Количество этой информации и называется энтропией.

Как меняется энтропия с изменением макросостояния? Это легко понять. Например, если мы немного нагреем газ, то скорость его частиц возрастёт, следовательно, возрастёт и степень нашего незнания об этой скорости, то есть энтропия вырастет. Или, если мы увеличим объём газа, отведя поршень, увеличится степень нашего незнания положения частиц, и энтропия также вырастет.

Если мы рассмотрим вместо газа какое-нибудь твёрдое тело, особенно с упорядоченной структурой, как в кристаллах, например, кусок металла, то его энтропия будет невелика. Почему? Потому что зная положение одного атома в такой структуре, вы знаете и положение всех остальных (они же выстроены в правильную кристаллическую структуру), скорости же атомов невелики, потому что они не могут улететь далеко от своего положения и лишь немного колеблются вокруг положения равновесия.

Если кусок металла находится в поле тяготения (например, поднят над поверхностью Земли), то потенциальная энергия каждого атома в металле приблизительно равна потенциальной энергии других атомов, и связанная с этой энергией энтропия низка. Это отличает потенциальную энергию от кинетической, которая для теплового движения может сильно меняться от атома к атому.

Если кусок металла, поднятый на некоторую высоту, отпустить, то его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую энергию, но энтропия возрастать практически не будет, потому что все атомы будут двигаться приблизительно одинаково. Но когда кусок упадёт на землю, во время удара атомы металла получат случайное направление движения, и энтропия резко увеличится. Кинетическая энергия направленного движения перейдёт в кинетическую энергию теплового движения. Перед ударом мы приблизительно знали, как движется каждый атом, теперь мы эту информацию потеряли.

Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия (замкнутой системы) никогда не уменьшается. Мы теперь можем понять, почему: потому что невозможно внезапно получить больше информации о микросостояниях. Как только вы потеряли некую информацию о микросостоянии (как во время удара куска металла об землю), вы не можете вернуть её назад.

Давайте вернёмся обратно к игральным костям. Вспомним, что макросостояние с суммой 59 имеет очень низкую энтропию, но и получить его не так-то просто. Если бросать кости раз за разом, то будут выпадать те суммы (макросостояния), которым отвечает большее количество микросостояний, то есть будут реализовываться макросостояния с большой энтропией. Самой большой энтропией обладает сумма 35, и именно она и будет выпадать чаще других. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики. Любое случайное (неконтролируемое) взаимодействие приводит к росту энтропии, по крайней мере до тех пор, пока она не достигнет своего максимума.

И ещё один пример, чтобы закрепить сказанное. Пусть у нас имеется контейнер, в котором находятся два газа, разделённых расположенной посередине контейнера перегородкой. Назовём молекулы одного газа синими, а другого — красными.

Если открыть перегородку, газы начнут перемешиваться, потому что число микросостояний, в которых газы перемешаны, намного больше, чем микросостояний, в которых они разделены, и все микросостояния, естественно, равновероятны. Когда мы открыли перегородку, для каждой молекулы мы потеряли информацию о том, с какой стороны перегородки она теперь находится. Если молекул было N, то утеряно N бит информации (биты и символы, в данном контексте, это, фактически, одно и тоже, и отличаются только неким постоянным множителем).

Ну и напоследок рассмотрим решение в рамках нашей парадигмы знаменитого парадокса демона Максвелла. Напомню, что он заключается в следующем. Пусть у нас есть перемешанные газы из синих и красных молекул. Поставим обратно перегородку, проделав в ней небольшое отверстие, в которое посадим воображаемого демона. Его задача — пропускать слева направо только красных, и справа налево только синих. Очевидно, что через некоторое время газы снова будут разделены: все синие молекулы окажутся слева от перегородки, а все красные — справа.

Получается, что наш демон понизил энтропию системы. С демоном ничего не случилось, то есть его энтропия не изменилась, а система у нас была закрытой. Получается, что мы нашли пример, когда второй закон термодинамики не выполняется! Как такое оказалось возможно?

Решается этот парадокс, однако, очень просто. Ведь энтропия — это свойство не системы, а нашего знания об этой системе. Мы с вами знаем о системе мало, поэтому нам и кажется, что её энтропия уменьшается. Но наш демон знает о системе очень много — чтобы разделять молекулы, он должен знать положение и скорость каждой из них (по крайней мере на подлёте к нему). Если он знает о молекулах всё, то с его точки зрения энтропия системы, фактически, равна нулю — у него просто нет недостающей информации о ней. В этом случае энтропия системы как была равна нулю, так и осталась равной нулю, и второй закон термодинамики нигде не нарушился.

Но даже если демон не знает всей информации о микросостоянии системы, ему, как минимум, надо знать цвет подлетающей к нему молекулы, чтобы понять, пропускать её или нет. И если общее число молекул равно N, то демон должен обладать N бит информации о системе — но именно столько информации мы и потеряли, когда открыли перегородку. То есть количество потерянной информации в точности равно количеству информации, которую необходимо получить о системе, чтобы вернуть её в исходное состояние — и это звучит вполне логично, и опять же не противоречит второму закону термодинамики.

Третий закон термодинамики

Третий закон

Согласно третьему закону термодинамики энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле точно равна нулю.

Цели обучения

Объясните, как абсолютный ноль влияет на энтропию

Основные выводы

Ключевые моменты

• Энтропия связана с количеством возможных микросостояний, и при наличии только одного микросостояния при нулевом градусе Кельвина энтропия в точности равна нулю.
• Третий закон термодинамики обеспечивает абсолютную точку отсчета для определения энтропии. Энтропия, определенная относительно этой точки, является абсолютной энтропией.
• Абсолютная энтропия может быть записана как [latex] \ text {S} = \ text {k} _ \ text {B} \ text {log} \ text {W} [/ latex], где W — количество доступных микросостояний .

Ключевые термины

• микросостояние : конкретная подробная микроскопическая конфигурация системы.
• абсолютный ноль : Самая низкая возможная температура: ноль по шкале Кельвина и приблизительно -273.15 ° C и -459,67 ° F. Полное отсутствие тепла; температура, при которой движение всех молекул прекратится.
• вырождение : два или более различных квантовых состояния называются вырожденными, если все они находятся на одном уровне энергии.

Третий закон термодинамики иногда формулируется следующим образом: Энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле в точности равна нулю.

При нулевом градусе Кельвина система должна находиться в состоянии с минимально возможной энергией, таким образом, это утверждение третьего закона выполняется, если идеальный кристалл имеет только одно состояние с минимальной энергией.Энтропия связана с количеством возможных микросостояний, и только при одном микросостоянии, доступном при нулевом градусе Кельвина, энтропия равна нулю.

Третий закон был разработан химиком Вальтером Нернстом в 1906-1912 годах. Это часто называют теоремой Нернста или постулатом Нернста. Нернст предположил, что энтропия системы при абсолютном нуле будет хорошо определенной константой. Вместо 0 энтропия при абсолютном нуле может быть ненулевой константой из-за того, что система может иметь вырождение (наличие нескольких основных состояний с одинаковой энергией).

Проще говоря, третий закон гласит, что энтропия идеального кристалла приближается к нулю, когда абсолютная температура приближается к нулю. Этот закон обеспечивает абсолютную точку отсчета для определения энтропии. (отображает температурную энтропию азота.) Энтропия (S), определенная относительно этой точки, является абсолютной энтропией, представленной следующим образом:

Температурная энтропия азота : диаграмма температура – ​​энтропия азота. Красная кривая слева — это кривая плавления.Абсолютное значение энтропии можно определить здесь, благодаря третьему закону термодинамики.

[латекс] \ text {S} = \ text {k} _ \ text {B} \ text {log} \ text {W} [/ latex],

, где k _B — постоянная Больцмана, а W — количество микросостояний. При условии, что основное состояние уникально (или W = 1), энтропия идеальной кристаллической решетки , как определено теоремой Нернста, равна нулю при условии, что ее основное состояние уникально, поскольку log (1) = 0.

Адиабатические процессы

Невозможно снизить температуру любой системы до нуля за конечное число конечных операций.

Цели обучения

Проиллюстрируйте изэнтропический процесс, например, в терминах адиабтической демангетизации

Основные выводы

Ключевые моменты

• Поскольку при T = 0 нет разницы в энтропии, требуется бесконечное количество шагов в процессе термодинамического охлаждения для достижения T = 0.
• При адиабатическом охлаждении размагничиванием энергия переходит от тепловой энтропии к магнитной энтропии (или беспорядку магнитных моментов).
• Тот факт, что T = 0 не может быть достигнут в действительности, является прямым следствием третьего закона термодинамики.

Ключевые термины

• изоэнтропический : имеющий постоянную энтропию.
• размагничивание : процесс удаления магнитного поля с объекта.
• абсолютный ноль : самая низкая из возможных температур: ноль по шкале Кельвина и приблизительно -273,15 ° C и -459,67 ° F. Полное отсутствие тепла; температура, при которой движение всех молекул прекратится.

В нашем разделе «Адиабатические процессы» (категория: Первый закон термодинамики) мы узнали, что адиабатический процесс — это любой процесс, происходящий без увеличения или уменьшения тепла в системе.Мы также узнали, что одноатомный идеальный газ адиабатически расширяется. В этом атоме мы обсуждаем процесс адиабатического охлаждения, который можно использовать для охлаждения газа, а также возможность получения абсолютного нуля в реальных системах.

Абсолютный ноль?

Ранее мы узнали о третьем законе термодинамики, который гласит: энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле точно равна нулю.

Согласно третьему закону, причина невозможности достижения T = 0 объясняется следующим образом. Предположим, что температура вещества может быть понижена в изэнтропическом процессе путем изменения параметра X с X2 на X1.В качестве примера можно представить себе установку с многоступенчатым адиабатическим циклом намагничивания-размагничивания, в которой магнитное поле включается и выключается управляемым образом. (См. Ниже. Параметр X в этом случае будет намагниченностью газа.)

Предполагая, что разность энтропии равна абсолютному нулю, T = 0 может быть достигнуто за конечное число шагов. Однако, возвращаясь к третьему закону, при T = 0 нет разницы в энтропии, и поэтому для этого процесса потребуется бесконечное количество шагов (показано на рисунке).

Можно ли достичь абсолютного нуля? : Диаграмма энтропии температуры. Горизонтальные линии представляют изоэнтропические процессы, а вертикальные линии — изотермические. Левая сторона: Абсолютный ноль может быть достигнут за конечное число шагов, если S (T = 0, X1) ≠ S (T = 0, X2). Справа: необходимо бесконечное количество шагов, поскольку S (0, X1) = S (0, X2).

Охлаждение с адиабатическим размагничиванием

Проще говоря, указанная выше схема охлаждения происходит путем повторения следующих шагов:

1. Сильное магнитное поле применяется для адиабатического выравнивания магнитных моментов частиц в газе.
2. Магнитное поле уменьшается адиабатически, и тепловая энергия газа заставляет «упорядоченные» магнитные моменты снова становиться случайными.

На втором этапе тепловая энергия в газе используется, чтобы вызвать беспорядок магнитных моментов. Следовательно, температура газа снижается (следовательно, работает охлаждение). Эта схема называется адиабатическим размагничивающим охлаждением .

Что такое третий закон термодинамики?

Третий закон термодинамики касается предельного поведения систем при приближении температуры к абсолютному нулю.В большинстве термодинамических расчетов используется только разностей энтропии , поэтому нулевая точка шкалы энтропии часто не важна. Однако мы обсуждаем Третий закон для полноты картины, потому что он описывает условие нулевой энтропии.

Третий закон гласит: «Энтропия идеального кристалла равна нулю, когда температура кристалла равна абсолютному нулю (0 K)». Согласно Университету Пердью: «Кристалл должен быть идеальным, иначе возникнет какой-то врожденный беспорядок.Он также должен быть на 0 К; в противном случае внутри кристалла будет тепловое движение, которое приведет к беспорядку ».

Сиабал Митра, профессор физики в Университете штата Миссури, предлагает еще одно следствие этого закона. «Одна из версий Третьего закона гласит, что для достижения абсолютного нуля потребуется бесконечное количество шагов, а это значит, что вы никогда этого не добьетесь. Если бы вы могли достичь абсолютного нуля, это нарушило бы Второй закон, потому что, если бы у вас был радиатор на абсолютном нуле, вы могли бы построить машину со 100-процентной эффективностью.”

Теоретически можно было бы вырастить идеальный кристалл, в котором все пространства решетки заняты одинаковыми атомами. Однако обычно считается, что достичь температуры абсолютного нуля невозможно (хотя ученые подошли довольно близко). Следовательно, вся материя содержит хотя бы некоторую энтропию из-за наличия некоторой тепловой энергии.

История

Третий закон термодинамики впервые сформулировал немецкий химик и физик Вальтер Нернст.В своей книге «Обзор термодинамики» (Американский институт физики, 1994) Мартин Бейлин цитирует утверждение Нернста о Третьем законе: «Никакая процедура не может привести к изотерме T = 0 в конечном количество шагов ». По сути, это устанавливает, что абсолютный ноль температуры недостижим примерно так же, как скорость света c . Теоретические положения и эксперименты показали, что независимо от того, насколько быстро что-то движется, его всегда можно заставить двигаться быстрее, но оно никогда не может достичь скорости света.Точно так же, какой бы холодной ни была система, ее всегда можно сделать холоднее, но она никогда не достигнет абсолютного нуля.

В своей книге «История физики» (Arcturus, 2012) Энн Руни написала: «Третий закон термодинамики требует концепции минимальной температуры, ниже которой никакая температура не может упасть — известной как абсолютный ноль». Она продолжила: «Роберт Бойль впервые обсудил концепцию минимально возможной температуры в 1665 году в« Новых экспериментах и ​​наблюдениях, касающихся холода », в которой он назвал эту идею primum frigidum .”

Считается, что абсолютный ноль был впервые рассчитан с достаточной точностью в 1779 году Иоганном Генрихом Ламбертом. Он основал этот расчет на линейной зависимости между давлением и температурой газа. Когда газ нагревается в замкнутом пространстве, его давление увеличивается. Это потому, что температура газа является мерой средней скорости молекул в газе. Чем горячее он становится, тем быстрее движутся молекулы и тем большее давление они оказывают при столкновении со стенками контейнера.Для Ламберта было разумно предположить, что, если температуру газа можно было бы довести до абсолютного нуля, движение молекул газа можно было бы полностью остановить, чтобы они больше не могли оказывать никакого давления на стенки камеры.

Если построить зависимость температуры и давления газа на графике с температурой на оси x (горизонтальная) и давлением на оси y (вертикальная), точки образуют прямую линию, направленную вверх. , что указывает на линейную зависимость между температурой и давлением.Таким образом, должно быть довольно просто продлить линию назад и считать температуру там, где линия пересекает ось x , то есть где y = 0, что указывает на нулевое давление. Используя эту технику, Ламберт вычислил абсолютный ноль как минус 270 градусов по Цельсию (минус 454 по Фаренгейту), что было очень близко к современному принятому значению минус 273,15 C (минус 459,67 F).

Температурная шкала Кельвина

Человек, наиболее связанный с концепцией абсолютного нуля, — это Уильям Томсон, первый барон Кельвин.Единица измерения температуры, носящая его имя, кельвин (K), наиболее часто используется учеными во всем мире. Приращения температуры по шкале Кельвина такие же, как и по шкале Цельсия, но поскольку она начинается с абсолютного нуля, а не с точки замерзания воды, ее можно использовать непосредственно в математических вычислениях, особенно при умножении и делении. Например, 100 K на самом деле вдвое горячее, чем 50 K. Образец ограниченного газа при 100 K также содержит вдвое больше тепловой энергии и имеет вдвое большее давление, чем при 50 K.Такие расчеты не могут быть выполнены с использованием шкалы Цельсия или Фаренгейта, т. Е. 100 ° C — это , а не в два раза горячее, чем 50 ° C, и при 100 ° F вдвое горячее, чем 50 ° C.

Последствия Третьего закона

Потому что температура абсолютного нуля физически недостижимо, третий закон можно переформулировать применительно к реальному миру следующим образом: энтропия идеального кристалла приближается к нулю, когда его температура приближается к абсолютному нулю. Мы можем экстраполировать из экспериментальных данных, что энтропия идеального кристалла достигает нуля при абсолютном нуле, но мы никогда не сможем продемонстрировать это эмпирически.

По словам Дэвида Макки, профессора физики Университета Южного штата Миссури, «существует область исследований сверхнизких температур, и каждый раз, когда вы оборачиваетесь, вы обнаруживаете новый рекордный минимум. В наши дни нанокельвинов (nK = 10 ⁻⁹ K) довольно легко достичь, и теперь все работают над пикокельвинами (pK =, 10 ⁻¹² K) ». На момент написания этой статьи рекордно низкая температура была достигнута в 1999 году группой YKI из лаборатории низких температур Университета Аалто в Финляндии.Они охладили кусок металлического родия до 100 пК, или 100 триллионных долей градуса Цельсия выше абсолютного нуля, превзойдя предыдущий рекорд 280 пК, установленный ими в 1993 году.

Хотя температура абсолютного нуля не существует в природе, и мы невозможно достичь этого в лаборатории, концепция абсолютного нуля имеет решающее значение для расчетов, связанных с температурой и энтропией. Многие измерения подразумевают отношение к какой-то отправной точке. Когда мы указываем расстояние, мы должны спросить, расстояние от чего? Когда мы указываем время, мы должны спросить, с каких это времени? Определение нулевого значения на шкале температуры придает смысл положительным значениям на этой шкале.Когда температура указывается как 100 K, это означает, что температура на 100 K выше абсолютного нуля, что вдвое выше абсолютного нуля, чем 50 K, и вдвое меньше, чем 200 K.

При первом чтении кажется, что Третий закон достаточно просто и очевидно. Однако он служит и заключительным периодом в конце длинной и последовательной истории, полностью описывающей природу тепла и тепловой энергии.

Дополнительные ресурсы

Три закона термодинамики

Цель обучения

• Обсудите три закона термодинамики.

---

Ключевые моменты

• Первый закон, также известный как Закон сохранения энергии, гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена в изолированной системе.
• Второй закон термодинамики гласит, что энтропия любой изолированной системы всегда увеличивается.
• Третий закон термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура приближается к абсолютному нулю.

---

Условия

• абсолютный ноль Наименьшая теоретически возможная температура.
• энтропия: Термодинамическое свойство, которое является мерой тепловой энергии системы на единицу температуры, которая недоступна для выполнения полезной работы.

---

Система или окружение

Чтобы избежать путаницы, ученые обсуждают термодинамические величины применительно к системе и ее окружению. Все, что не является частью системы, составляет ее окружение. Система и окружение разделены границей. Например, если система представляет собой один моль газа в контейнере, то граница — это просто внутренняя стенка самого контейнера.Все, что находится за пределами границы, считается окружающей средой, включая сам контейнер.

Граница должна быть четко определена, чтобы можно было четко сказать, находится ли данная часть мира в системе или в ее окружении. Если материя не может пройти через границу, то система называется закрытой ; в противном случае это открытый . Замкнутая система все еще может обмениваться энергией с окружающей средой, если система не является изолированной, и в этом случае ни материя, ни энергия не могут проходить через границу.

Термодинамическая система Схема термодинамической системы

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики, также известный как закон сохранения энергии, гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена; энергия может только передаваться или изменяться из одной формы в другую. Например, включение света производит энергию; однако преобразуется именно электрическая энергия.

Один из способов выразить первый закон термодинамики состоит в том, что любое изменение внутренней энергии (∆E) системы определяется суммой тепла (q), протекающего через ее границы, и работы (w), совершаемой над система по окрестностям:

[латекс] \ Delta E = q + w [/ латекс]

Этот закон гласит, что есть два вида процессов, тепло и работа, которые могут привести к изменению внутренней энергии системы.Поскольку и тепло, и работа могут быть измерены и количественно определены, это то же самое, что сказать, что любое изменение энергии системы должно приводить к соответствующему изменению энергии окружающей среды вне системы. Другими словами, энергия не может быть создана или уничтожена. Если тепло поступает в систему или окружающая среда работает над ней, внутренняя энергия увеличивается, а знаки q и w положительны. И наоборот, тепловой поток из системы или работа, выполняемая системой (в окружающей среде), будет происходить за счет внутренней энергии, и поэтому q и w будут отрицательными.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики гласит, что энтропия любой изолированной системы всегда увеличивается. Изолированные системы спонтанно эволюционируют к тепловому равновесию — состоянию максимальной энтропии системы. Проще говоря: энтропия Вселенной (конечной изолированной системы) только увеличивается и никогда не уменьшается.

Простой способ представить себе второй закон термодинамики состоит в том, что комната, если ее не убирать и не прибирать, со временем неизменно становится более беспорядочной и беспорядочной — независимо от того, насколько осторожно нужно содержать ее в чистоте.Когда комната очищается, ее энтропия уменьшается, но усилия по ее очистке привели к увеличению энтропии за пределами комнаты, которое превышает потерянную энтропию.

Третий закон термодинамики

Третий закон термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура приближается к абсолютному нулю. Энтропия системы при абсолютном нуле обычно равна нулю и во всех случаях определяется только количеством различных основных состояний, которые она имеет.В частности, энтропия чистого кристаллического вещества (совершенный порядок) при абсолютной нулевой температуре равна нулю. Это утверждение верно, если в идеальном кристалле есть только одно состояние с минимальной энергией.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Третий закон термодинамики: определение, примеры, простое объяснение

Третий закон термодинамики утверждает, что когда температура системы приближается к абсолютному нулю, ее энтропия становится постоянной или изменение энтропии равно нулю.Третий закон термодинамики предсказывает свойства системы и поведение энтропии в уникальной среде, известной как абсолютная температура.

Энтропия ограниченной или изолированной системы становится постоянной, когда ее температура приближается к абсолютной температуре (абсолютному нулю).

Термодинамика — одна из важнейших и широко изучаемых областей физической науки. Помимо мучений студентов-механиков на протяжении большей части их академической жизни, его повсеместность проявляется от холодного бриза моего кондиционера до одной из вершин индустриальной эпохи — паровой машины.Его реализация регулируется тремя законами, известными как законы термодинамики. Законы определяют, как работа, тепло и энергия влияют на систему. Система — это любая бесконечно ограниченная область Вселенной, через которую передается энергия. Все, что находится за этой границей, — это его окружение.

Иллюстрация системы в термодинамике. (Фото: Wavesmikey / Wikipedia Commons)

Что такое энтропия?

В то время как первый закон термодинамики подразумевает, что Вселенная началась с конечной полезной энергии, когда система, потребляющая энергию, будет частично тратить ее на выполнение работы, а частично — за счет повышения своей внутренней температуры, второй закон исследует его последствия.Это включает преобразование этой конечной полезной энергии в непригодную для использования; например, образование материи произошло миллиарды лет назад из-за конденсации энергии, с которой началась Вселенная. В этом процессе конечная полезная энергия теперь преобразуется в непригодную для использования.

Эта непригодная для использования энергия измеряется так называемой «энтропией», барометром для измерения случайности или беспорядка в системе.

Иллюстрация энтропии как увеличения беспорядка.

Вселенная похожа на комнату, заполненную беспорядочно разбросанной одеждой. Энтропия этой системы увеличивается по мере того, как все больше и больше одежды используется и выбрасывается, дополняя беспорядок, если только обитатель не пытается подобрать ее и организовать, что уменьшает этот беспорядок.

Если рассматривать Вселенную как единую систему, в ее окружении нет ничего, из чего можно было бы получать энергию, поэтому, когда вся ее энергия превращается в непригодную для использования, все, что остается, — это холодное темное место.Это называется тепловой смертью и является одним из способов конца Вселенной. Ограниченная система, подобная нашей Вселенной, обладает конечными источниками энергии, такими как ее яркие звезды, которые будут гореть в течение эонов, прежде чем подчиниться жестоким законам природы.

Что такое третий закон термодинамики?

Третий закон термодинамики предсказывает свойства системы и поведение энтропии в уникальной среде, известной как абсолютная температура. Абсолютная температура — это самая низкая из известных температур, которая устанавливает нижний предел диапазона температур Вселенной.

Как это круто! Нет, серьезно, насколько холодно? Абсолютная температура — 0 Кельвин, стандартная единица измерения температуры, или -273,15 градуса Цельсия! Абсолютная температура также известна как абсолютный ноль в некоторых кругах и странах. Эта шкала даст вам представление.

Третий закон гласит, что когда температура системы приближается к абсолютному нулю, ее энтропия становится постоянной или изменение энтропии равно нулю.

Утверждение представлено этим уравнением, где T соответствует температуре, а дельта S — это изменение энтропии системы. Обозначение «стремится к нулю», представленное стрелкой, указывающей на ноль, означает, что по мере того, как температура снижается до бесконечно малого значения, система достигает постоянной энтропии, отбирая энергию из своего окружения, но, как диктует первый закон, часть этой энергии добавит к внутренней энергии системы, тем самым отрицая состояние постоянной энтропии.

Важность третьего закона термодинамики

Третий закон редко применим к нашей повседневной жизни и управляет динамикой объектов при самых низких известных температурах.Он определяет так называемый «идеальный кристалл», атомы которого склеены на своих местах. Таким образом, идеальный кристалл не обладает абсолютно никакой энтропией, которая достижима только при абсолютной температуре.

Концепция энтропии также была популярна в некоторых теориях, объективно определяющих непрерывный поток времени, таких как линейное увеличение энтропии Вселенной.

Статьи по теме

Статьи по теме

В идеале, при 0 Кельвина, изменения энтропии для реакций, касающихся образования материи, будут равны нулю, хотя практически вся материя проявляет некоторое количество энтропии из-за присутствия минимального количества тепла.Самый холодный, который мы измерили, — 3 К, в далеких глубинах Вселенной, за пределами звезд и галактик.

Другими словами, наслаждайтесь летом, пока оно длится!

Подробнее:

Что такое первый закон термодинамики?

Что такое второй закон термодинамики?

Третий закон термодинамики: определение, уравнения и примеры

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Эми Дусто

Законы термодинамики помогают ученым понимать термодинамические системы.Третий закон определяет абсолютный ноль и помогает объяснить, что энтропия или беспорядок Вселенной стремится к постоянному ненулевому значению.

Энтропия системы и второй закон термодинамики

Энтропию часто описывают словами как меру степени беспорядка в системе. Это определение было впервые предложено Людвигом Больцманном в 1877 году. Он определил энтропию математически следующим образом:

S = k \ ln {Y}

В этом уравнении Y — это количество микросостояний в системе (или количество способов упорядочивания системы), k — постоянная Больцмана (которая находится путем деления постоянной идеального газа на постоянную Авогадро: 1.380649 × 10 ⁻²³ Дж / К) и ln — натуральный логарифм (логарифм по основанию e ).

Эта формула демонстрирует две большие идеи:

1. Энтропию можно представить в терминах тепла, в частности, как количество тепловой энергии в замкнутой системе, которая недоступна для выполнения полезной работы.
2. Чем больше микросостояний или способов упорядочивания системы, тем больше у нее энтропии.

Кроме того, изменение энтропии системы при ее переходе от одного макросостояния к другому можно описать как:

, где T — температура, а Q — теплообмен в обратимом процессе, как система перемещается между двумя состояниями.

Второй закон термодинамики гласит, что полная энтропия Вселенной или изолированной системы никогда не уменьшается. В термодинамике изолированная система — это система, в которой ни тепло, ни материя не могут входить или выходить за границы системы.

Другими словами, в любой изолированной системе (включая вселенную) изменение энтропии всегда равно нулю или положительно. По сути, это означает, что случайные процессы приводят к большему беспорядку, чем к порядку.

Важный акцент делается на склонность к части этого описания.Случайные процессы могли бы привести к большему порядку, чем беспорядку, не нарушая законов природы, но это гораздо менее вероятно.

В конце концов изменение энтропии для Вселенной в целом будет равно нулю. В этот момент Вселенная достигнет теплового равновесия со всей энергией в виде тепловой энергии при той же ненулевой температуре. Это часто называют тепловой смертью Вселенной.

Абсолютный ноль Кельвина

Большинство людей во всем мире обсуждают температуру в градусах Цельсия, в то время как в некоторых странах используется шкала Фаренгейта.Однако ученые во всем мире используют градусы Кельвина в качестве основной единицы измерения абсолютной температуры.

Эта шкала построена на определенной физической основе: Абсолютный ноль Кельвина — это температура, при которой прекращается любое движение молекул. Поскольку тепло — это движение молекул в простейшем смысле, отсутствие движения означает отсутствие тепла. Отсутствие тепла означает нулевую температуру по Кельвину.

Обратите внимание, что это отличается от точки замерзания, например нуля градусов Цельсия — молекулы льда все еще имеют небольшие внутренние движения, связанные с ними, также известные как тепло.Фазовые изменения между твердым телом, жидкостью и газом, однако, действительно приводят к огромным изменениям энтропии, поскольку возможности для различных молекулярных организаций или микросостояний вещества внезапно и быстро либо увеличиваются, либо уменьшаются с температурой.

Третий закон термодинамики

Третий закон термодинамики гласит, что когда температура приближается к абсолютному нулю в системе, абсолютная энтропия системы приближается к постоянному значению. Это было верно в последнем примере, где системой была вся вселенная.Это также верно для небольших закрытых систем — продолжение охлаждения глыбы льда до все более и более низких температур будет все больше и больше замедлять его внутренние молекулярные движения, пока они не достигнут физически возможного наименее неупорядоченного состояния, которое можно описать с помощью константы значение энтропии.

Большинство вычислений энтропии имеют дело с различиями энтропии между системами или состояниями систем. Разница в этом третьем законе термодинамики состоит в том, что он приводит к четко определенным значениям самой энтропии в виде значений по шкале Кельвина.

Кристаллические вещества

Чтобы стать совершенно неподвижными, молекулы также должны находиться в наиболее стабильном, упорядоченном кристаллическом расположении, поэтому абсолютный ноль также ассоциируется с идеальными кристаллами. Такая решетка атомов только с одним микросостоянием в действительности невозможна, но эти идеальные концепции лежат в основе третьего закона термодинамики и его следствий.

Кристалл, который не идеально устроен, имел бы некоторый присущий беспорядок (энтропию) в своей структуре.Поскольку энтропию также можно описать как тепловую энергию, это означает, что она будет иметь некоторую энергию в виде тепла — так что определенно , а не абсолютный ноль.

Хотя идеальных кристаллов в природе не существует, анализ того, как изменяется энтропия по мере приближения к молекулярной организации, позволяет сделать несколько выводов:

• Чем сложнее вещество — скажем, C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ vs .H ₂ — чем больше энтропии он должен иметь, так как количество возможных микросостояний увеличивается с увеличением сложности.
• Вещества с похожей молекулярной структурой имеют схожие энтропии.
• Структуры с меньшими, менее энергичными атомами и более направленными связями, такие как водородные связи, имеют на меньше энтропии, поскольку они имеют более жесткие и упорядоченные структуры.
  

Последствия третьего закона термодинамики

Хотя ученым никогда не удавалось достичь абсолютного нуля в лабораторных условиях, они все время приближаются и приближаются.Это имеет смысл, потому что третий закон предполагает ограничение значения энтропии для различных систем, к которому они приближаются при понижении температуры.

Наиболее важно то, что третий закон описывает важную истину природы: любое вещество с температурой выше абсолютного нуля (таким образом, любое известное вещество) должно иметь положительное количество энтропии. Кроме того, поскольку он определяет абсолютный ноль как точку отсчета, мы можем количественно оценить относительное количество энергии любого вещества при любой температуре.

Это ключевое отличие от других термодинамических измерений, таких как энергия или энтальпия, для которых нет абсолютной точки отсчета. Эти ценности имеют смысл только по сравнению с другими ценностями.

Объединение второго и третьего законов термодинамики приводит к выводу, что в конце концов, когда вся энергия во Вселенной превращается в тепло, она достигнет постоянной температуры. Это состояние Вселенной, называемое тепловым равновесием, не меняется, но при температуре ° C выше абсолютного нуля.

Третий закон также поддерживает следствия первого закона термодинамики. Этот закон гласит, что изменение внутренней энергии для системы равно разнице между теплом, добавленным в систему, и работой, выполняемой системой:

\ Delta U = QW

Где U — энергия , Q — тепло, а W — работа, все обычно измеряются в джоулях, британских тепловых эквивалентах или калориях).

Эта формула показывает, что чем больше тепла в системе, тем больше энергии.Это, в свою очередь, обязательно означает больше энтропии. Представьте идеальный кристалл при абсолютном нуле — добавление тепла приводит к некоторому молекулярному движению, и структура перестает быть идеально упорядоченной; у него есть некоторая энтропия.

Что такое третий закон термодинамики простым языком?

Прежде чем приступить к третьему закону термодинамики, позвольте мне рассказать вам одну историю.

Когда немецкий химик Вальтер Герман Нернст изучал второй закон термодинамики, его разум был полностью нарушен.

Он изучил, что энтропия Вселенной продолжает увеличиваться, несмотря на все процессы, происходящие в ней сама по себе.

Он подумал, что нужно сделать, чтобы энтропия Вселенной не увеличивалась и оставалась постоянной?

Затем он изучил все, что касается энтропии. После долгой учебы и исследовательской работы он открыл третий закон термодинамики.

Он сформулировал Третий закон термодинамики как;

«Значение энтропии полностью чистого кристаллического вещества равно нулю при температуре абсолютного нуля»

Я знаю, вам немного сложно понять, что хочет сказать этот Третий закон?

Я объясню вам все, что касается 3-го закона термодинамики. (Вам обязательно понравится это прочитать)

Если вы хотите перейти к какой-либо из интересующих вас тем, не стесняйтесь читать ее из приведенной ниже таблицы.

Вы также можете обратиться к основам термодинамики, а также к предыдущим законам термодинамики, которые объясняются с помощью удивительных примеров, которые помогут вам легко запомнить все эти вещи.

Что такое случайность и энтропия в третьем законе? (Вы должны это знать)

Прежде чем приступить к Третьему закону термодинамики, я хотел бы объяснить два термина;

1. Случайность
2. Энтропия

1) Случайность:

Движение молекул известно как случайность.

Посмотрите, как тихо сидят ученики на скамейках и совсем не двигаются. Это как раз та ситуация, когда в вашем классе есть строгий учитель. Не правда ли?

Я думаю, это точная ситуация, которая наблюдается во время перерыва.

Студенты бегают туда-сюда по классной комнате.

Теперь вы узнаете, что такое случайность. На первом изображении ученики не двигаются, это означает, что они просто сидят на своих местах.Таким образом, их случайность равна нулю.

Но на втором рисунке студенты перемещаются туда-сюда во время перемены. Это означает, что их случайность больше.

Это простая концепция случайности.

То же самое происходит и с твердыми телами, жидкостями и газами. Твердые тела демонстрируют меньшее движение молекул, жидкости имеют большее движение молекул, а газы демонстрируют максимальное движение молекул, как показано на изображении выше.

Это движение молекул известно как случайность.

Таким образом, мы можем сказать, что твердые тела имеют меньшую случайность, жидкости имеют большую случайность по сравнению с твердыми телами, а газы имеют максимальную случайность.

Теперь перейдем к энтропии.

2) Энтропия:

Измерение случайности системы известно как энтропия.

или

Энтропия — это мера беспорядка в системе.

Это просто, это просто измерение того, насколько беспорядочно движутся молекулы в системе.

• В твердых телах молекулы расположены должным образом, что означает меньшую хаотичность, поэтому энтропия твердых тел наименьшая.
• В газах молекулы очень быстро перемещаются по контейнеру. В нем больше случайности, а значит, больше энтропии.
• Энтропия жидкостей находится между твердыми телами и жидкостями.

Третий закон термодинамики:

«Значение энтропии полностью чистого кристаллического вещества равно нулю при температуре абсолютного нуля»

Я объясню вам это просто.Не волнуйся.

Подскажите, что происходит при повышении температуры?

Обычно, когда температура увеличивается, молекулы колеблются с большей скоростью, колебания увеличиваются, увеличивается линейное движение, а также вращательное движение молекул. Таким образом, случайность увеличивается, что приводит к увеличению энтропии.

Что происходит при понижении температуры?

Ответ прост. Молекулярные колебания уменьшаются, поэтому хаотичность молекул также уменьшается, что приводит к уменьшению энтропии.

Третий закон термодинамики гласит, что значение энтропии чисто кристаллического вещества равно нулю при абсолютной нулевой температуре.

Означает, что если у нас есть чистое кристаллическое твердое вещество и если его температура равна абсолютному нулю (0 K), то его энтропия будет равна нулю

Нравится? Продолжайте читать…

Что такое температура абсолютного нуля? Возможно ли этого добиться?

Абсолютная нулевая температура:

• 0 Кельвина или
• -273.15 ° C или
• -459,67 ° F

Абсолютная нулевая температура — это самая низкая из возможных температур во Вселенной (и она равна 0 K).

(Это «Ноль Кельвина». Не читайте это как «хорошо»).

Абсолютный ноль — это , так что оооочень… намного холоднее , чем все, что вы могли испытать в своей жизни.

Абсолютный ноль — это настолько низкая температура, что все атомы и молекулы вещества замерзают. Атомы и молекулы любого вещества не смогут двигаться, колебаться или колебаться внутри вещества.

Вы очень хорошо знаете, что чем выше температура тела, тем выше молекулярная вибрация внутри тела. А если температура тела меньше, то и вибрация молекул тоже меньше.

Если мы и дальше будем снижать температуру тела, все молекулы и атомы прекратят движение и полностью замерзнут.

Как вы можете видеть на изображениях выше, по мере того, как температура продолжает снижаться, движение молекул также уменьшается.В последней части вы можете увидеть, что все молекулы заморожены и не двигаются. Кинетическая энергия этих молекул обращается в ноль при абсолютной нулевой температуре.

Даже такие газы, как водород, гелий, кислород, замерзают и становятся твердыми при этой температуре.

Возможна ли абсолютная нулевая температура?

Ответ — «Нет»

Ученые знают, что такие температуры существуют. Но у них никогда не удавалось достичь этой самой низкой температуры даже при использовании многих научных методов и морозильников.Ученые достигли в лаборатории температуры, близкой к абсолютному нулю, но не совсем 0 К.

Почему абсолютный ноль невозможен? (простой)

Вы знаете, почему эта температура недостижима?

Я объясню вам коротко и просто.

Согласно второму закону термодинамики, тепло будет перемещаться от более теплого тела к более холодному телу. Итак, если мы попытаемся охладить объект до абсолютного нуля, он будет продолжать получать тепло от окружающей среды, и это всего лишь теоретическая концепция.

Таким образом, абсолютный ноль температуры практически невозможен.

Что такое чистое кристаллическое вещество в третьем законе термодинамики?

Что ж, это очень просто. Вы узнаете, что такое чистое кристаллическое вещество и как оно связано с третьим законом термодинамики.

Атомы в идеальном кристаллическом веществе выглядят примерно так.

• Все атомы одинакового размера и
• Они расположены в идеальном порядке.

Я хочу сказать, что все атомы имеют одинаковый размер и находятся на равном расстоянии друг от друга.

Этот тип вещества известен как совершенное кристаллическое вещество или чистое кристаллическое вещество.

Теперь позвольте мне рассказать вам, как это связано с 3-м законом термодинамики.

Третий закон термодинамики гласит, что если этот тип чистого кристаллического вещества подвергается воздействию абсолютного нуля температуры (то есть 0 Кельвина), то его энтропия будет «нулевой».

S _{0 К} = 0

Кристаллическая структура может быть известна по структуре элементарной ячейки этого кристалла. Элементарная ячейка — это не что иное, как воображаемая коробка, которая показывает расположение атомов в ней. Эти элементарные ячейки объединяются в большой 3D-кристалл.

Идеальный кристалл — это вещество, в котором почти нет недостатков. Третий закон термодинамики — это чистые кристаллические вещества.

Итак, какие вещества не являются чистыми кристаллическими веществами?

• Неидеальное расположение атомов
• В веществе присутствует некоторый беспорядок или случайность

Если энтропия вещества не равна нулю при абсолютной нулевой температуре, то вещество не будет идеально кристаллическим.

S _{0 К} ≠ 0

Как мы можем определить, является ли вещество чистым кристаллическим или нет, используя третий закон термодинамики?

Смотрите, ребята, не всегда верно, что энтропия всех веществ будет равна нулю при абсолютной нулевой температуре.

Но какие доказательства этому?

Позвольте мне вам это объяснить.

Третий закон термодинамики касается идеально кристаллических веществ.Он утверждает, что энтропия идеально кристаллического вещества будет равна нулю при температуре 0 Кельвина. Это означает, что если вещество не является идеально кристаллическим, то его энтропия не будет равна нулю при температуре 0 Кельвина.

И такие вещества не являются чистыми кристаллическими веществами.

Эти вещества будут иметь некоторые недостатки в кристаллической структуре. Эти вещества будут демонстрировать некоторый беспорядок или случайность.

Этот беспорядок или случайность также известен как остаточная энтропия.

Вы понимаете, о чем я говорю? (Дайте мне знать в комментариях, если у вас есть сомнения).

Какие вещества не подчиняются третьему закону термодинамики?

Третий закон термодинамики применим не ко всем веществам. Есть много веществ, которые не подчиняются 3-му закону термодинамики.

Приведу несколько примеров:

• CO (окись углерода)
• HCl (соляная кислота)

Эти молекулы могут не подчиняться третьему закону термодинамики.Но почему?

Видите, кинетическая энергия всех молекул будет равна нулю при абсолютном нуле температуры. Но когда при температуре 0 К будет происходить образование кристаллов СО, расположение всех молекул СО не будет одинаковым.

Смотрите это изображение, молекулы не упорядочены, потому что все молекулы CO здесь отсутствуют. Вы можете видеть, что в структуре одной молекулы ОС. Это беспорядок в структуре.Таким образом, он имеет некоторую остаточную энтропию при этой нулевой температуре Кельвина. Таким образом, даже при нулевой температуре Кельвина эти молекулы не показывают нулевой энтропии. Такие молекулы не подчиняются Третьему закону термодинамики.

Как правило, двухатомные молекулы могут не подчиняться 3-му закону термодинамики, потому что существует вероятность того, что молекулы будут расположены иначе, как показано в примере CO (монооксида углерода).

Таким образом, такие двухатомные молекулы могут не показывать нулевую энтропию при абсолютной нулевой температуре.

(Примечание: это экспериментально. До сих пор никто не достиг абсолютного нуля температуры)

Почему вы изучаете третий закон? Каковы его приложения?

Теперь главный вопрос: почему мы изучаем третий закон термодинамики?

Давайте посмотрим на применение третьего закона термодинамики.

Изучив третий закон, вы легко сможете найти абсолютную энтропию любого вещества при заданной температуре.

Вам просто нужно сравнить энтропию данного вещества при температуре T с энтропией этого вещества при температуре 0 Кельвина.

Мы должны вычислить изменение энтропии между этими температурами.

S _T — S ₀ = ∆S (1)

Теперь мы знаем, что при температуре 0 К энтропия будет равна нулю. (Итак, S ₀ = 0).

Мы можем легко найти изменение энтропии (∆S), используя формулу.

ΔS = S _T — S ₀ = ₀ ∫ ^T Cp dT / T

Теперь, получив это изменение энтропии, мы можем легко получить энтропию при заданной температуре (S _T ) из приведенного выше уравнения (1).

Третий закон термодинамики Уравнение / Математическая форма

Это удивительно, это довольно интересная тема.

Возможно, вы знаете, что мы можем вычислить изменение энтропии, используя эту формулу.

S — S ₀ = к _B лнОм

Здесь,

• S = энтропия системы
• S ₀ = начальная энтропия
• k _B = постоянная Больцмана
• Ω = общее количество микросостояний

Если вещество является совершенно кристаллическим, то его общее количество микросостояний будет 1 (Ω = 1).

Теперь из приведенного выше уравнения получаем;

S _{— S 0 = k B лнОм}

= к _B ln (1)

= 0. (Поскольку ln 1 = 0)

Теперь, когда начальная энтропия системы принята равной нулю, значение энтропии S может быть легко вычислено.

Таким образом, из приведенного выше уравнения получаем;

S — 0 = 0

Следовательно, S = 0

Таким образом, энтропия чистого кристаллического вещества равна нулю при абсолютной нулевой температуре.

Сводка (прочтите, если торопитесь)

Что такое случайность и энтропия в третьем законе?

Твердые тела демонстрируют меньшее движение молекул, жидкости имеют большее движение молекул, а газы демонстрируют максимальное движение молекул.

Это движение молекул известно как случайность.

Энтропия: Измерение случайности системы известно как энтропия.

или

Энтропия — это мера беспорядка в системе.

Третий закон термодинамики:

«Значение энтропии полностью чистого кристаллического вещества равно нулю при температуре абсолютного нуля»

Что такое температура абсолютного нуля? Возможно ли этого добиться?

Абсолютная нулевая температура — это самая низкая из возможных температур во Вселенной (она равна 0 К).

Возможна ли абсолютная нулевая температура?

Ответ — «Нет»

Почему абсолютный ноль невозможен?

Согласно 2-му закону термодинамики, тепло переходит от более теплого тела к более холодному.Итак, если мы попытаемся охладить объект до абсолютного нуля, он будет продолжать получать тепло от окружающей среды, и это всего лишь теоретическая концепция.

Таким образом, абсолютный ноль температуры практически невозможен.

Что такое чистое кристаллическое вещество в третьем законе термодинамики?

Идеальный кристалл — это вещество, в котором почти нет недостатков.

Как мы можем определить, является ли вещество чистым кристаллическим или нет, используя третий закон термодинамики?

Третий закон термодинамики касается идеально кристаллических веществ.Он утверждает, что энтропия идеально кристаллического вещества будет равна нулю при температуре 0 Кельвина. Это означает, что если вещество не является идеально кристаллическим, то его энтропия не будет равна нулю при температуре 0 Кельвина.

И такие вещества не являются чистыми кристаллическими веществами.

Какие вещества не подчиняются третьему закону термодинамики?

Как правило, двухатомные молекулы могут не подчиняться 3-му закону термодинамики, потому что существует вероятность того, что молекулы будут расположены иначе, как мы обсуждали в примере CO (монооксида углерода).

Таким образом, такие двухатомные молекулы могут не показывать нулевую энтропию при абсолютной нулевой температуре.

(Примечание: это экспериментально. До сих пор никто не достиг абсолютного нуля температуры)

Почему вы изучаете третий закон? Каковы его приложения?

Изучив третий закон, вы легко сможете найти абсолютную энтропию любого вещества при заданной температуре.

Важные руководства для вас

Также читайте:

Третий закон термодинамики — обзор

Термодинамика химических реакций

В настоящее время большинство измерений удельной теплоемкости проводится для их микроскопической интерпретации, но исторически основной мотивацией было получение данных, относящихся к третьему закону термодинамики и к термодинамике химических реакций в целом.При постоянных давлении и температуре условия для равновесия между продуктами и реагентами химической реакции, а также для равновесия между двумя фазами одного и того же вещества определяются изменением энергии Гиббса для превращения. При постоянном объеме и температуре эту роль играет изменение энергии Гельмгольца A . Данные о теплоемкости способствуют определению энергий Гиббса и Гельмгольца с помощью термодинамических соотношений G≡H − TS, ∂H / ∂TP = CP, ∂S / ∂TP = CP / T, A≡U − TS, ∂U / ∂TV = CV и ∂S / ∂TV = CV / T.Они определяют значения энтропии и температурные зависимости энтальпии, энергии, энергий Гиббса и Гельмгольца.

Как указано в одной из многих формулировок третьего закона термодинамики, для любого вещества в идеальном кристаллическом состоянии энтропия равна нулю в пределе T → 0. Важность химической термодинамики заключается в том, что значения энтропии могут быть получены только из данных удельной теплоемкости: «энтропия третьего закона» получается путем экстраполяции данных удельной теплоемкости до 0 K, интегрируя C _P / T , чтобы получить S ( T ) –S ₀ , и предполагая, как предполагает третий закон, что S ₀ , энтропия в состоянии 0 K, достигаемая экстраполяцией , равно нулю.Как правило, данные распространяются на температуру от 1 до 15 K, экстраполяция осуществляется путем полуэмпирической аппроксимации данных для самой низкой температуры, которая основана на соответствующих теоретических выражениях, а энтропии сведены в таблицу для 298,15 K и стандартного состояния ( термодинамически устойчивая форма вещества при давлении один бар).

Согласие, полученное при сравнении значений Δ S для химических реакций, рассчитанных с использованием и без использования энтропий третьего закона, и при сравнении энтропий третьего закона со значениями, рассчитанными на основе спектроскопических данных, сыграло важную роль в установлении третий закон.Однако в других случаях аналогичные сравнения приводили к идентификации веществ, например CO, NO и H ₂ O, которые не достигают «идеального кристаллического состояния» при 0 K и для которых S ₀ ≠ 0. Существование таких материалов подчеркивает важность осторожности при применении третьего закона к определению энтропий по данным удельной теплоемкости. Третий закон термодинамики, в отличие от первого и второго законов, не может быть выражен простым математическим соотношением, которое строго применяется во всех случаях.Его применение требует понимания его природы, которое может быть основано на статистическом механическом выражении энтропии, формуле Больцмана, S = k _B ln Ω (где Ω — количество доступных квантовых состояний, при условии ограничению фиксированной энергии), вместе с принципом, согласно которому существует единственное состояние с наименьшей энергией, которое достигается при T = 0 системами, находящимися в термодинамическом равновесии. Случай CO, который хорошо изучен, является полезной иллюстрацией факторов, которые определяют, будет ли S ₀ = 0: в твердом теле две ориентации молекулы, которые различаются заменой C и Атомы O — это два различных состояния, но, поскольку молекула относительно симметрична как по форме, так и по распределению электрического заряда, разница в энергии мала.Конфигурация с наименьшей энергией — это такая, в которой имеется совершенно упорядоченное расположение молекул, каждая из которых имеет определенную ориентацию относительно других, но энергия не намного ниже, чем энергия случайного распределения ориентаций с более высокой энтропией, которое является термодинамически стабильна при высоких температурах. Ниже ~ 5 К более низкоэнергетическая упорядоченная конфигурация действительно становится термодинамически стабильной, но существует потенциальный барьер для переориентации молекул, превышающий тепловую энергию при этой температуре, и идеально упорядоченное состояние не достигается.По кинетическим причинам существует «вмороженный беспорядок» при 0 K и S ₀ ≠ 0. В полностью случайной конфигурации есть два возможных состояния для каждой молекулы, Ω = 2NA, S = Rln2 = 5,76J K − 1 моль − 1. Экспериментальное значение S0 = 4,2 Дж · К − 1 моль − 1, что указывает на то, что молекулы частично упорядочены, по крайней мере, в конкретном измерении, которое дало этот результат. Бывают и другие случаи, например, NO, H ₂ O и H ₂ O в Na ₂ SO ₄ · 10H ₂ O, в которых беспорядок полный.Эти примеры позволяют понять трактовку ядерных вкладов в энтропию: случайное распределение по узлам решетки разных изотопов одного и того же элемента сохраняется до 0 К, беспорядок вморожен, и нет никакого вклада в экспериментальную специфичность. тепловые данные. Беспорядок, связанный с ориентацией ядерных спинов, не замораживается, но при температурах выше 1 К он обычно является полным, соответствующая энтропия постоянна и вклад в удельную теплоемкость отсутствует.Оба этих вклада в энтропию компенсируются в химических реакциях, и, хотя они могут быть вычислены с помощью формулы Больцмана, они не учитываются в таблицах энтропий химических веществ. Существуют также некоторые парамагнитные соли, в которых магнитные моменты неспаренных электронов, как и в случае ядерных моментов, составляют лишь менее 1 К. Измерения теплоемкости до 1 К предполагают S ₀ ≠ 0, но измерения до достаточно низкой температуры даст S ₀ = 0.