قانون سوم ترمودینامیک چیست؟

قانون سوم ترمودینامیک به رفتار اتم‌ها و مولکول‌ها در دمای صفر مطلق مربوط می‌شود و بیان می‌کند که با نزدیک شدن دما به صفر مطلق، آنتروپی یک سیستم به صفر نزدیک می‌شود. به عبارت دیگر، آنتروپی کریستال یک ماده خالص در صفر کلوین (K)، صفر است.

شیمیدان آلمانی والتر نرنست قانون سوم ترمودینامیک را بین سال‌های 1906 تا 1912 کشف کرد. از این رو، قانون سوم را گاهی قضیه نرنست یا اصل نرنست نیز می‌نامند.

اهمیت قانون سوم ترمودینامیک

اهمیت قانون سوم این است که به ما اجازه می‌دهد آنتروپی مطلق هر ماده خالص را در هر دمایی با استفاده از صفر کلوین به عنوان دمای مرجع اندازه‌گیری کنیم. با این حال، رسیدن به دمای صفر کلوین غیرممکن است. مهم نیست که یک سیستم چقدر سرد باشد، می‌توان آن را بطور مجزا سردتر کرد اما هرگز نمی‌توان دمای آن را به صفر مطلق رساند.

به گفته نرنست، «غیرممکن است که یک فرآیند، آنتروپی یک سیستمِ معین را در طی مراحل مجزا و متعدد به صفر برساند.»

قانون سوم ترمودینامیک و کریستال کامل

از نظر کریستالوگرافی، بلوری که دارای ساختمان شبکه‌ای کاملاً منظم از تکرار سلول واحد باشد، کریستال کامل نامیده می‌شود و منظور از عیوب بلوری، بی نظمی شبکه‌ای است. انواع عیوب کریستالوگرافی مانند عیوب نقطه‌ای، عیوب خطی و عیوب سطحی وجود دارد. در طبیعت ماده‌ای که تمام بلورهای آن بی‌نقص باشند وجود ندارد. برای کریستال‌های ناخالص، یا کریستال‌هایی که دارای عیب و نقص هستند، مقداری انرژی با این نواقص مرتبط است، بنابراین آنتروپی نمی‌تواند صفر شود.

معادله قانون سوم ترمودینامیک

طبق قانون سوم ترمودینامیک، با نزدیک شدن دما به صفر مطلق، تغییر آنتروپی برای یک تبدیل فیزیکی یا شیمیایی به صفر نزدیک می‌شود. از دید ریاضی به صورت زیر نوشته می‌شود:

Lim ΔS = 0 as T → 0

در صفر کلوین، سیستم هیچ گرمایی ندارد. همه اتم‌ها و مولکول‌ها در پایین‌ترین سطح انرژی خود هستند.

مثالی از قانون سوم ترمودینامیک

برای نشان دادن قانون سوم ترمودینامیک می‌توان از آب مثال زد. آب در حالت گازیِ خود دارای مولکول‌هایی است که می‌توانند بسیار آزادانه به اطراف حرکت کنند و آنتروپی بالایی دارد. با سرد شدن، گاز به مایع تبدیل می‌شود. مولکول‌ها هنوز هم می‌توانند به اطراف حرکت کنند، اما نه به اندازه گاز آزادانه. مولکول‌های آب در طی فرآیند میعان، مقداری آنتروپی را از دست می‌دهند.

در ادامه آب بیشتر سرد می‌شود و در نتیجه یخ جامد ایجاد می‌شود. مولکول‌های یخ دیگر نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند بلکه فقط می‌توانند در داخل شبکه ارتعاش کنند. آنتروپی در چنین حالتی بسیار پایین است. همانطور که آب بیشتر سرد می‌شود و دما به صفر مطلق نزدیک‌تر می‌شود، ارتعاش مولکول‌ها کاهش می‌یابد. اگر آبِ جامد به دمای صفر مطلق برسد، تمام حرکات مولکولی آن کاملاً متوقف می‌شود. در این مرحله آب اصلاً آنتروپی ندارد.

جمع‌بندی

بیان قانون سوم ترمودینامیک: آنتروپی هر ماده کریستالی کامل، در دمای صفر مطلق، برابر با صفر است. یک کریستال کامل هیچ عیب و نقصی ندارد. همه اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌ها در موقعیت‌های کاملاً مشخصی در یک شبکه ساختاریافته قرار دارند. اهمیت قانون سوم این است که به ما اجازه می‌دهد آنتروپی مطلق هر ماده خالص را در هر دمایی با استفاده از صفر کلوین به عنوان دمای مرجع اندازه‌گیری کنیم.

چکیده قانون سوم ترمودینامیک این است که رسیدن به صفر مطلق غیرممکن است.

لطفاً نظر ارزشمند خود را درباره این مقاله بنویسید.