Какъв Е Третият Закон На Термодинамиката?

{h1}

Според третия закон на термодинамиката ентропията на перфектен кристал е нула, когато температурата на кристала е равна на абсолютна нула (0 келвин).

Третият закон на термодинамиката се отнася до ограничаващото поведение на системите, тъй като температурата се приближава до абсолютна нула. Повечето изчисления на термодинамиката използват само ентропия разлики, така че нулевата точка на скалата на ентропията често не е важна. Въпреки това, ние обсъждаме Третия закон с цел пълнота, защото той описва състоянието на нулева ентропия.

Третият закон гласи: "Ентропията на перфектен кристал е нула, когато температурата на кристала е равна на абсолютна нула (0 К)." Според университета Пърдю, „Кристалът трябва да е перфектен, иначе ще има някакво присъщо разстройство. Той също трябва да бъде при 0 К; в противен случай ще има топлинно движение в кристала, което води до разстройство.“

Сиабал Митра, професор по физика в Държавния университет в Мисури, дава друго значение на този закон. „Една версия на Третия закон гласи, че ще са необходими безкраен брой стъпки, за да достигнете абсолютна нула, което означава, че никога няма да стигнете до там. Ако можете да стигнете до абсолютна нула, това би нарушило Втория закон, защото ако имате радиатор при абсолютно нула, тогава можете да създадете машина, която е 100 процента ефективна. "

На теория би било възможно да се развие перфектен кристал, в който всички решетъчни пространства са заети от еднакви атоми. Въпреки това обикновено се смята, че е невъзможно да се постигне температура абсолютна нула (въпреки че учените са се доближили доста). Следователно цялата материя съдържа поне малко ентропия поради наличието на малко топлинна енергия.

история

Третият закон на термодинамиката е формулиран за първи път от немския химик и физик Уолтър Нернст. В своята книга „Проучване на термодинамиката“ (Американски институт по физика, 1994 г.) Мартин Бейлин цитира изявлението на Нернст за Третия закон като „Невъзможно е всяка процедура да доведе до изотермата т = 0 в краен брой стъпки. "Това по същество установява абсолютна нула на температурата като непостижима по някакъв начин като скоростта на светлината ° С, Теоретичните състояния и експериментите показаха, че колкото и бързо да се движи нещо, винаги може да се накара да върви по-бързо, но никога не може да достигне скоростта на светлината. По същия начин, колкото и студена да е една система, тя винаги може да бъде по-студена, но никога не може да достигне абсолютна нула.

В книгата си „Историята на физиката“ (Arcturus, 2012) Ан Рууни пише: „Третият закон на термодинамиката изисква концепцията за минимална температура, под която никоя температура не може да падне никога - известна като абсолютна нула“. Тя продължи: „Робърт Бойл за първи път обсъжда концепцията за минимална възможна температура през 1665 г. в„ Нови експерименти и наблюдения, докосващи студа “, в която той посочва идеята като primum frigidum."

Счита се, че абсолютната нула е изчислена за първи път с разумна точност през 1779 г. от Йохан Хайнрих Ламберт. Той се основава на това изчисление на линейната връзка между налягането и температурата на газ. Когато газ се нагрява в затворено пространство, налягането му се увеличава. Това е така, защото температурата на газ е мярка за средната скорост на молекулите в газа. Колкото по-горещо става, толкова по-бързо се движат молекулите и по-голямо налягане, което оказват, когато се сблъскат със стените на контейнера. Разумно е Ламберт да приеме, че ако температурата на газа може да бъде доведена до абсолютна нула, движението на газовите молекули може да бъде прекратено докрай, така че те да не могат да упражняват никакъв натиск върху стените на камерата.

Ако трябва да се очертае отношението температура и налягане на газа върху графика с температурата на х (хоризонтална) ос и натиск върху ш (вертикална) ос, точките образуват наклонена права линия, показваща линейна връзка между температура и налягане. След това трябва да е доста просто да разширите линията назад и да прочетете температурата, при която линията пресича хос, т.е. къде ш = 0, което показва нулево налягане. Използвайки тази техника, Ламберт изчисли абсолютната нула да бъде минус 270 градуса по Целзий (минус 454 по Фаренхайт), което беше забележително близко до модерната приета стойност от минус 273,15 C (минус 459,67 F).

Температурната скала на Келвин

Лицето, което най-много се свързва с концепцията за абсолютна нула, е Уилям Томсън, 1-ви барон Келвин. Температурната единица, носеща неговото име, келвин (К), е тази, която най-често се използва от учените по целия свят. Температурните увеличения в скалата на Келвин са същите размери, както в скалата на Целзий, но тъй като тя започва от абсолютна нула, а не от точката на замръзване на водата, може да се използва директно в математическите изчисления, по-специално при умножение и деление. Например 100 K всъщност е два пъти по-горещо от 50 K. Проба от ограничен газ при 100 K също съдържа два пъти повече топлинна енергия и има два пъти по-голямо налягане, отколкото би имала при 50 K. Такива изчисления не могат да бъдат направени, като се използва скалата на Целзий или Фаренхайт, т.е. 100 C е не два пъти по-гореща от 50 C, нито 100 F два пъти по-гореща от 50 F.

Последици от третия закон

Тъй като температура от абсолютна нула е физически непостижима, Третият закон може да бъде преизчислен, за да се приложи към реалния свят като: ентропията на перфектен кристал се приближава до нула, докато температурата му се приближава до абсолютна нула. Можем да екстраполираме от експериментални данни, че ентропията на перфектен кристал достига нула при абсолютна нула, но никога не можем да демонстрираме това емпирично.

Според Дейвид Макки, професор по физика в Южния държавен университет в Мисури, „Има поле за изследвания на ултра ниски температури и всеки път, когато се обърнете, има нов рекордно нисък. Тези дни нанокелвин (nK = 10−9 К) температурите са сравнително лесни за постигане и всеки вече работи върху пикокелвини (pK =, 10−12 К). "По време на това писане рекордно ниската температура е постигната през 1999 г. от групата YKI на лабораторията за ниски температури в университета в Аалто във Финландия. Охлаждат парче метал от родий до 100 pK, или 100 трилиона седмици от градуса Целзий над абсолютната нула, което е най-добрият предишен рекорд от 280 pK, поставен от тях през 1993 г.

Докато температура от абсолютна нула не съществува в природата и не можем да я постигнем в лабораторията, концепцията за абсолютна нула е критична за изчисленията, включващи температура и ентропия. Много измервания предполагат връзка с някаква отправна точка. Когато посочваме разстояние, трябва да попитаме, разстояние от какво? Когато посочваме време, трябва да попитаме, време откога? Определянето на нулева стойност в температурната скала дава значение на положителните стойности в тази скала. Когато температурата е посочена като 100 K, това означава, че температурата е 100 K над абсолютната нула, което е два пъти повече от абсолютната нула, като 50 K и половината от 200 K.

На първо четене Третият закон изглежда доста прост и очевиден. Той обаче служи и за крайния период в края на дълга и последваща история, която напълно описва естеството на топлината и топлинната енергия.

Допълнителни ресурси

  • Университетът в Калифорния, учебник по динамика на ChemWiki на Дейвис, описва 3-ти закон и ентропия.
  • Университетът в Пърдю има урок на тема „Ентропия и 2-ри и 3-ти закон на термодинамиката“.
  • Университета Корнел: "Преподаване на третия закон на термодинамиката"


Видео Добавка: More on Newton's third law | Forces and Newton's laws of motion | Physics | Khan Academy.




Изследване


Couch Картофени Учени, Пригответе Се: Очаквайте На Netflix През Февруари
Couch Картофени Учени, Пригответе Се: Очаквайте На Netflix През Февруари

Рекорд За Най-Гореща Температура На Земята: 3,6 Милиарда Градуса В Лаборатория
Рекорд За Най-Гореща Температура На Земята: 3,6 Милиарда Градуса В Лаборатория

Наука Новини


Зъбите Предлагат Улики В Еволюцията На Човешката Диета
Зъбите Предлагат Улики В Еволюцията На Човешката Диета

Факти За Aardvarks
Факти За Aardvarks

Сеизмичните Вълни Показват Кои Фенове На Спорта Са Най-Трудни
Сеизмичните Вълни Показват Кои Фенове На Спорта Са Най-Трудни

Генетични „Адам“ И „Ева“ Непокрити
Генетични „Адам“ И „Ева“ Непокрити

Защо Зъбите Не Се Считат За Костите?
Защо Зъбите Не Се Считат За Костите?


BG.WordsSideKick.com
Всички Права Запазени!
Възпроизвеждането На Използваните Материали Оставя Само Prostanovkoy Активна Връзка Към Сайта BG.WordsSideKick.com

© 2005–2020 BG.WordsSideKick.com