¿Qué Es La Tercera Ley De La Termodinámica?

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De acuerdo con la tercera ley de la termodinámica, la entropía de un cristal perfecto es cero cuando la temperatura del cristal es igual a cero absoluto (0 kelvin).

La Tercera Ley de la Termodinámica se ocupa del comportamiento limitador de los sistemas a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto. La mayoría de los cálculos termodinámicos usan solo entropía diferenciasPor lo tanto, el punto cero de la escala de entropía a menudo no es importante. Sin embargo, discutimos la Tercera Ley con el propósito de completarlo, ya que describe la condición de cero entropía.

La Tercera Ley dice: "La entropía de un cristal perfecto es cero cuando la temperatura del cristal es igual a cero absoluto (0 K)". Según la Universidad de Purdue, "el cristal debe ser perfecto, o de lo contrario habrá algún desorden inherente. También debe estar a 0 K; de lo contrario, habrá un movimiento térmico dentro del cristal, lo que lleva al desorden".

Siabal Mitra, profesor de física en la Universidad Estatal de Missouri, ofrece otra implicación de esta ley. "Una versión de la Tercera Ley dice que requeriría un número infinito de pasos para alcanzar el cero absoluto, lo que significa que nunca lo conseguirás. Si pudieras llegar al cero absoluto, violaría la Segunda Ley, porque si tuvieras una el disipador de calor en el cero absoluto, entonces usted podría construir una máquina que fuera 100% eficiente ".

En teoría, sería posible cultivar un cristal perfecto en el que todos los espacios de la red estén ocupados por átomos idénticos. Sin embargo, en general se cree que es imposible alcanzar una temperatura de cero absoluto (aunque los científicos se han acercado bastante). Por lo tanto, toda la materia contiene al menos algo de entropía debido a la presencia de cierta energía térmica.

Historia

La tercera ley de la termodinámica fue formulada por primera vez por el químico y físico alemán Walther Nernst. En su libro, "Una encuesta sobre la termodinámica" (Instituto Americano de Física, 1994), Martin Bailyn cita la declaración de Nernst de la Tercera Ley como "Es imposible que cualquier procedimiento lleve a la isoterma". T = 0 en un número finito de pasos. "Esto esencialmente establece que un cero absoluto de temperatura es inalcanzable de la misma manera que la velocidad de la luz. do. Los estados teóricos y los experimentos han demostrado que no importa qué tan rápido se mueva algo, siempre se puede hacer que vaya más rápido, pero nunca puede alcanzar la velocidad de la luz. De manera similar, no importa qué tan frío sea un sistema, siempre se puede hacer más frío, pero nunca puede alcanzar el cero absoluto.

En su libro, "La historia de la física" (Arcturus, 2012), Anne Rooney escribió: "La tercera ley de la termodinámica requiere el concepto de una temperatura mínima por debajo de la cual ninguna temperatura pueda caer, conocida como cero absoluto". Ella continuó: "Robert Boyle discutió por primera vez el concepto de una temperatura mínima posible en 1665, en" Nuevos experimentos y observaciones sobre el frío ", en el que se refirió a la idea como primum frigidum."

Se cree que el cero absoluto se calculó por primera vez con una precisión razonable en 1779 por Johann Heinrich Lambert. Basó este cálculo en la relación lineal entre la presión y la temperatura de un gas. Cuando un gas se calienta en un espacio confinado, su presión aumenta. Esto se debe a que la temperatura de un gas es una medida de la velocidad promedio de las moléculas en el gas. Cuanto más se calienta, más rápido se mueven las moléculas y mayor es la presión que ejercen cuando chocan con las paredes del recipiente. Era razonable que Lambert asumiera que si la temperatura del gas se podía llevar a cero absoluto, el movimiento de las moléculas de gas se podía detener completamente para que ya no pudieran ejercer ninguna presión sobre las paredes de la cámara.

Si uno tuviera que trazar la relación temperatura-presión del gas en un gráfico con la temperatura en el X Eje (horizontal) y presión sobre el y En el eje (vertical), los puntos forman una línea recta con pendiente ascendente, lo que indica una relación lineal entre la temperatura y la presión. Debería ser bastante simple, entonces, extender la línea hacia atrás y leer la temperatura donde la línea cruza la línea. Xeje, es decir, donde y = 0, indicando presión cero. Utilizando esta técnica, Lambert calculó que el cero absoluto era menos 270 grados Celsius (menos 454 Fahrenheit), que era notablemente cercano al valor moderno aceptado de menos 273.15 C (menos 459.67 F).

La escala de temperatura de Kelvin

La persona más asociada con el concepto de cero absoluto es William Thomson, 1er Barón Kelvin. La unidad de temperatura que lleva su nombre, el kelvin (K), es la más utilizada por los científicos de todo el mundo. Los incrementos de temperatura en la escala de Kelvin son del mismo tamaño que en la escala Celsius, pero como comienza en el cero absoluto, en lugar del punto de congelación del agua, se puede usar directamente en cálculos matemáticos, particularmente en la multiplicación y la división. Por ejemplo, 100 K en realidad es dos veces más caliente que 50 K. Una muestra de gas confinado a 100 K también contiene el doble de energía térmica, y tiene el doble de presión que a 50 K. Dichos cálculos no pueden hacerse usando las escalas Celsius o Fahrenheit, es decir, 100 C es no dos veces más caliente que 50 C, ni 100 F es dos veces más caliente que 50 F.

Implicaciones de la tercera ley

Debido a que una temperatura de cero absoluto es físicamente inalcanzable, la Tercera Ley se puede reformular para que se aplique al mundo real como: la entropía de un cristal perfecto se acerca a cero cuando su temperatura se acerca al cero absoluto.Podemos extrapolar a partir de datos experimentales que la entropía de un cristal perfecto llega a cero en el cero absoluto, pero nunca podemos demostrar esto empíricamente.

Según David McKee, profesor de física en la Universidad Estatal del Sur de Missouri, "hay un campo de investigación con temperaturas ultra bajas, y cada vez que te das la vuelta hay un nuevo récord. En estos días, nanokelvin (nK = 10−9 K) las temperaturas son razonablemente fáciles de lograr, y todos están trabajando ahora en picokelvins (pK =, 10−12 K). "A partir de este escrito, la temperatura récord fue alcanzada en 1999 por el grupo YKI del Laboratorio de Baja Temperatura de la Universidad Aalto en Finlandia. Enfriaron un trozo de metal de rodio a 100 pK, o 100 trillones de grado. Celsius por encima del cero absoluto superando el récord anterior de 280 pK establecido por ellos en 1993.

Si bien la temperatura del cero absoluto no existe en la naturaleza y no podemos lograrla en el laboratorio, el concepto de cero absoluto es fundamental para los cálculos que involucran la temperatura y la entropía. Muchas mediciones implican una relación con algún punto de partida. Cuando decimos una distancia, tenemos que preguntar, ¿a qué distancia? Cuando decimos una hora, tenemos que preguntar, ¿desde cuándo? Definir el valor cero en la escala de temperatura da sentido a los valores positivos en esa escala. Cuando una temperatura se establece como 100 K, significa que la temperatura es 100 K por encima del cero absoluto, que es dos veces más por encima del cero absoluto que 50 K y la mitad hasta 200 K.

En primera lectura, la Tercera Ley parece bastante simple y obvia. Sin embargo, sirve y el período final al final de una larga y consecuente historia que describe completamente la naturaleza del calor y la energía térmica.

Recursos adicionales

  • El libro de texto dinámico ChemWiki de la Universidad de California en Davis describe la tercera ley y la entropía.
  • La Universidad de Purdue tiene una lección sobre "Entropía y la segunda y tercera ley de la termodinámica".
  • Universidad de Cornell: "Enseñar la tercera ley de la termodinámica"

Suplemento De Vídeo: Tercera Ley de la Termodinamica | Science Time.




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