14.5: La Tercera Ley de la Termodinámica
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objetivos de aprendizaje
- Explicar cómo el cero absoluto afecta a la entropía
La tercera ley de la termodinámica a veces se afirma de la siguiente manera: La entropía de un cristal perfecto a cero absoluto es exactamente igual a cero.
A cero kelvin el sistema debe estar en un estado con la mínima energía posible, así esta afirmación de la tercera ley se mantiene cierta si el cristal perfecto tiene sólo un estado mínimo de energía. La entropía está relacionada con el número de microestados posibles, y con solo un microestado disponible a cero kelvin la entropía es exactamente cero.
La tercera ley fue desarrollada por el químico Walther Nernst durante los años 1906-1912. A menudo se le conoce como teorema de Nernst o postulado de Nernst. Nernst propuso que la entropía de un sistema a cero absoluto sería una constante bien definida. En lugar de ser 0, la entropía a cero absoluto podría ser una constante distinta de cero, debido a que un sistema puede tener degeneración (tener varios estados terrestres a la misma energía).
En términos simples, la tercera ley establece que la entropía de un cristal perfecto se acerca a cero a medida que la temperatura absoluta se acerca a cero. Esta ley proporciona un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. (Diagramas la entropía de temperatura del nitrógeno.) La entropía (S) determinada relativa a este punto es la entropía absoluta representada de la siguiente manera:
Temperatura Entropía de Nitrógeno: Temperatura-Entropía diagrama de nitrógeno. La curva roja a la izquierda es la curva de fusión. El valor absoluto de la entropía se puede determinar aquí, gracias a la tercera ley de la termodinámica.
\[\mathrm{S=k_B \log W,}\]
donde k B es la constante de Bolzmann y W es el número de microestados. Siempre que el estado fundamental sea único (o\(\mathrm{W=1}\)), la entropía de una celosía cristalina perfecta como la define el teorema de Nernst es cero siempre que su estado fundamental sea único, porque\(\mathrm{\log (1) = 0}\).
Procesos adiabáticos
Es imposible reducir la temperatura de cualquier sistema a temperatura cero en un número finito de operaciones finitas.
objetivos de aprendizaje
- Ilustrar el proceso isentrópico, por ejemplo en términos de demangetización adiabtica
En nuestro Átomo sobre “Procesos Adiabáticos” (categoría: la Primera Ley de la Termodinámica), aprendimos que un proceso adiabático es cualquier proceso que ocurre sin ganancia o pérdida de calor dentro de un sistema. También aprendimos que un gas ideal monatómico se expande adiabáticamente. En este Atom, discutimos un proceso de enfriamiento adiabático que puede ser utilizado para enfriar un gas, así como si se puede obtener cero absoluto en sistemas reales.
¿Cero absoluto?
Anteriormente, aprendimos sobre la tercera ley de la termodinámica, que establece: la entropía de un cristal perfecto a cero absoluto es exactamente igual a cero.
De acuerdo con la tercera ley, la razón por la que no se puede alcanzar T=0 se explica de la siguiente manera: Supongamos que la temperatura de una sustancia puede reducirse en un proceso isentrópico cambiando el parámetro X de\(\mathrm{X_2}\) a\(\mathrm{X_1}\). Como ejemplo, se puede pensar en una configuración de ciclo de magnetización-desmagnetización adiabática multietapa donde un campo magnético se enciende y apaga de manera controlada. (Ver abajo. El parámetro X en este caso sería la magnetización del gas.)
Suponiendo una diferencia de entropía en cero absoluto, T=0 podría alcanzarse en un número finito de pasos. Sin embargo, volviendo a la tercera ley, en T=0 no hay diferencia de entropía, y por lo tanto sería necesario un número infinito de pasos para este proceso (ilustrado en).
¿Se puede alcanzar el cero absoluto? : Diagrama de temperatura-entropía. Las líneas horizontales representan procesos isentrópicos, mientras que las verticales representan procesos isotérmicos. Lado izquierdo: Se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de pasos si S (T=0, X1) ≠ S (T=0, X2). Derecha: Se necesita un número infinito de pasos ya que S (0, X1) = S (0, X2).
Enfriamiento de desmagnetización adiabática
En términos simples, el esquema de enfriamiento mencionado anteriormente ocurre repitiendo los siguientes pasos:
- Se aplica un campo magnético fuerte para alinear adiabáticamente los momentos magnéticos de las partículas en el gas.
- El campo magnético se reduce adiabáticamente, y la energía térmica del gas hace que los momentos magnéticos “ordenados” vuelvan a ser aleatorios.
En el segundo paso, la energía térmica en el gas se utiliza para provocar desorden de momentos magnéticos. Por lo tanto, se reduce la temperatura del gas (de ahí los trabajos de enfriamiento). Este esquema se llama enfriamiento de desmagnetización adiabática.
Puntos Clave
- La entropía está relacionada con el número de microestados posibles, y con solo un microestado disponible a cero kelvin, la entropía es exactamente cero.
- La tercera ley de la termodinámica proporciona un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía. La entropía determinada relativa a este punto es la entropía absoluta.
- La entropía absoluta se puede escribir como\(\mathrm{S=k_B \logW}\), donde W es el número de microestados disponibles.
- Dado que no\(\mathrm{T=0}\) hay diferencia de entropía, se requiere un número infinito de pasos en un proceso de enfriamiento termodinámico para alcanzar T=0.
- En el enfriamiento de desmagnetización adiabática, la energía se transfiere de la entropía térmica a la entropía magnética (o desorden de los momentos magnéticos).
- El hecho de que T=0 no se pueda lograr en la realidad es una consecuencia directa de la tercera ley de la termodinámica.
Términos Clave
- microestado: La configuración microscópica detallada específica de un sistema.
- cero absoluto: La temperatura más fría posible: cero en la escala Kelvin y aproximadamente -273.15°C y -459.67°F La ausencia total de calor; la temperatura a la que cesaría el movimiento de todas las moléculas.
- degeneración: Se dice que dos o más estados cuánticos diferentes son degenerados si todos están al mismo nivel de energía.
- isentrópica: Tener una entropía constante.
- desmagnetización: El proceso de eliminación del campo magnético de un objeto.
LICENCIAS Y ATRIBUCIONES
CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE
- Curación y Revisión. Proporcionado por: Boundless.com. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA
- cero absoluto. Proporcionado por: Wikcionario. Ubicado en: es.wiktionary.org/wiki/absolute_zero. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- Tercera ley de la termodinámica. Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/Third_l... termodinámica. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- degeneración. Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/Degeneracy. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- microestado. Proporcionado por: Wikcionario. Ubicado en: es.wiktionary.org/wiki/microstate. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- Entropía (termodinámica clásica). Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/Entropía... hermodinámica). Licencia: CC BY: Atribución
- cero absoluto. Proporcionado por: Wikcionario. Ubicado en: es.wiktionary.org/wiki/absolute_zero. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- Refrigeración magnética. Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/Magnetic_Refrigeración. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- Tercera ley de la termodinámica. Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/Third_l... termodinámica. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- desmagnetización. Proporcionado por: Wikcionario. Ubicado en: es.wiktionary.org/wiki/desmagnetización. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- isentrópico. Proporcionado por: Wikcionario. Ubicado en: es.wiktionary.org/wiki/isentrópico. Licencia: CC BY-SA: Atribución-CompartirIgual
- Entropía (termodinámica clásica). Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/Entropía... hermodinámica). Licencia: CC BY: Atribución
- Tercera ley de la termodinámica. Proporcionado por: Wikipedia. Ubicado en: es.wikipedia.org/wiki/Third_l... termodinámica. Licencia: Dominio Público: No Conocido Derechos de Autor