Третье начало термодинамики | это… Что такое Третье начало термодинамики?
| Начала термодинамики |
|---|
| Статья является частью серии «Термодинамика». |
| Нулевое начало термодинамики |
| Первое начало термодинамики |
| Второе начало термодинамики |
| Третье начало термодинамики |
| Разделы термодинамики |
| Начала термодинамики |
| Уравнение состояния |
| Термодинамические величины |
| Термодинамические потенциалы |
| Термодинамические циклы |
| Фазовые переходы |
| править |
См. также «Физический портал» |
Третье начало термодинамики (теорема Нернста) — физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Является одним из постулатов термодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных.
Содержание
|
Формулировка
Третье начало термодинамики может быть сформулировано так:
«Приращение энтропии при абсолютном нуле температуры стремится к конечному пределу, не зависящему от того, в каком равновесном состоянии находится система»
или
где — любой термодинамический параметр.
Третье начало термодинамики относится только к равновесным состояниям.
Поскольку на основе второго начала термодинамики энтропию можно определить только с точностью до произвольной аддитивной постоянной (то есть, определяется не сама энтропия, а только её изменение):
- ,
третье начало термодинамики может быть использовано для точного определения энтропии. При этом энтропию равновесной системы при абсолютном нуле температуры считают равной нулю.
Третье начало термодинамики позволяет находить абсолютное значение энтропии, что нельзя сделать в рамках классической термодинамики (на основе первого и второго начал термодинамики). В классической термодинамике энтропия может быть определена лишь с точностью до произвольной аддитивной постоянной , что не мешает термодинамическим исследованиям, так как реально измеряется разность энтропий в различных состояниях. Согласно третьему началу термодинамики, при значение .
В 1911 году Макс Планк сформулировал третье начало термодинамики как условие обращения в нуль энтропии всех тел при стремлении температуры к абсолютному нулю: .
Следствия
Недостижимость абсолютного нуля температур
Из третьего начала термодинамики следует, что абсолютного нуля температуры нельзя достичь ни в каком конечном процессе, связанном с изменением энтропии, к нему можно лишь асимптотически приближаться, поэтому третье начало термодинамики иногда формулируют как принцип недостижимости абсолютного нуля температуры.
Поведение термодинамических коэффициентов
Из третьего начала термодинамики вытекает ряд термодинамических следствий: при должны стремиться к нулю теплоёмкости при постоянном давлении и при постоянном объёме, коэффициенты теплового расширения и некоторые аналогичные величины. Справедливость третьего начала термодинамики одно время подвергалась сомнению, но позже было выяснено, что все кажущиеся противоречия (ненулевое значение энтропии у ряда веществ при ) связаны с метастабильными состояниями вещества, которые нельзя считать термодинамически равновесными.
Нарушения третьего начала термодинамики в моделях
Третье начало термодинамики часто нарушается в модельных системах. Так, при энтропия классического идеального газа стремится к минус бесконечности. Это говорит о том, что при низких температурах уравнение Менделеева — Клапейрона неадекватно описывает поведение реальных газов.
Таким образом, третье начало термодинамики указывает на недостаточность классической механики и статистики и является макроскопическим проявлением квантовых свойств реальных систем.
В квантовой механике, тем не менее, в модельных системах третье начало также может нарушаться. Таковы все случаи, когда применяется распределение Гиббса и основное состояние является вырожденным.
Несоблюдение третьего начала в модели, однако, не исключает того, что в каком-то диапазоне изменения физических величин эта модель может быть вполне адекватна.
См. также
- Термодинамика
- Температура
- Первое начало термодинамики
- Второе начало термодинамики
- Нулевое начало термодинамики
Литература
- Базаров И. П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991, 376 с.
- Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. Изд. 2-ое испр. М.: Едиториал УРСС, 2003. 120 с.
- Квасников И. А. Термодинамика и статистическая физика. Т.1: Теория равновесных систем: Термодинамика. Том.1. Изд. 2, испр. и доп. М.: УРСС, 2002. 240 с.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика.
- БСЭ
Третье начало термодинамики
Третье начало термодинамики (теорема Нернста, тепловая теорема Нернста) — физический принцип, определяющий поведение энтропии при приближении температуры к абсолютному нулю. Является одним из постулатов термодинамики, принимаемым на основе обобщения значительного количества экспериментальных данных по термодинамике гальванических элементов. Теорема сформулирована Вальтером Нернстом в 1906 году. Современная формулировка теоремы принадлежит Максу Планку.
Формулировка Нернста
Теорема Нернста утверждает, что всякий термодинамический процесс, протекающий при фиксированной температуре T {displaystyle T} , сколь угодно близкой к нулю, T → 0 {displaystyle T o 0} , не должен сопровождаться изменением энтропии S {displaystyle S} , то есть изотерма T = 0 {displaystyle T=0} совпадает с предельной адиабатой S 0 {displaystyle S_{0}} .
Существует несколько формулировок теоремы, которые эквивалентны между собой:
- Энтропия S {displaystyle S} любой системы при абсолютном нуле температуры, T = 0 {displaystyle T=0} , является универсальной постоянной S 0 {displaystyle S_{0}} , не зависящей ни от каких переменных параметров (давления, объема и т. п.).
- При приближении к абсолютному нулю, T → 0 {displaystyle T o 0} , энтропия S {displaystyle S} стремится к определенному конечному пределу S 0 {displaystyle S_{0}} , не зависящему от конечного состояния системы.
- При приближении к абсолютному нулю, T → 0 {displaystyle T o 0} , приращение энтропии Δ S {displaystyle Delta S} не зависит от конкретных значений термодинамических параметров состояния системы и стремится к вполне определенному конечному пределу.
- Все процессы при абсолютном нуле, T = 0 {displaystyle T=0} , при которых система переходит из одного равновесного состояния в другое, происходят без изменения энтропии.
Математически можно записать:
lim T → 0 K [ S ( T , x 2 ) − S ( T , x 1 ) ] = 0 {displaystyle lim limits _{T o ,0,K}left[S(T,x_{2})-S(T,x_{1}) ight]=0}
или
lim T → 0 K ( ∂ S ∂ x ) T = 0 , {displaystyle lim limits _{T o ,0,K}left({frac {partial S}{partial x}} ight)_{T}=0,}
где x {displaystyle x} — любой термодинамический параметр, а буква под скобками показывает, что производная берется при постоянной T {displaystyle T} .
Третье начало термодинамики относится только к равновесным состояниям. Справедливость теоремы Нернста может быть доказана лишь опытной проверкой следствий этой теоремы.
Поскольку на основе второго начала термодинамики энтропию можно определить только с точностью до произвольной аддитивной постоянной (то есть определяется не сама энтропия, а только её изменение):
d S = δ Q T , {displaystyle dS={frac {delta Q}{T}},}
третье начало термодинамики может быть использовано для точного определения энтропии. При этом энтропию равновесной системы при абсолютном нуле температуры считают равной нулю.
Третье начало термодинамики позволяет находить абсолютное значение энтропии, что нельзя сделать в рамках классической термодинамики (на основе первого и второго начал термодинамики).
В классической термодинамике энтропия может быть определена лишь с точностью до произвольной аддитивной постоянной S 0 {displaystyle S_{0}} , что не мешает термодинамическим исследованиям, так как реально измеряется разность энтропий в различных состояниях. Согласно третьему началу термодинамики, при T → 0 {displaystyle T o 0} значение Δ S → 0 {displaystyle Delta S o 0} .
Формулировка Планка
В 1911 году Макс Планк сформулировал третье начало термодинамики как условие обращения в нуль энтропии всех тел при стремлении температуры к абсолютному нулю: S → T → 0 0 {displaystyle S{xrightarrow {T o 0}}0} .
Отсюда S 0 = 0 {displaystyle S_{0}=0} , что даёт возможность определять абсолютное значение энтропии и других термодинамических потенциалов. Формулировка Планка соответствует определению энтропии в статистической физике через термодинамическую вероятность ( W ) {displaystyle (W)} состояния системы S = k ln W {displaystyle S=kln W} . При абсолютном нуле температуры система находится в основном квантово-механическом состоянии. Если оно не вырождено, то W = 1 {displaystyle W=1} (состояние реализуется единственным микрораспределением), и энтропия S {displaystyle S} при T → 0 {displaystyle T o 0} равна нулю.
В действительности при всех измерениях стремление энтропии к нулю начинает проявляться значительно раньше, чем могут стать существенными дискретность квантовых уровней макроскопической системы и влияние квантового вырождения.
Следствия
Недостижимость абсолютного нуля температур
Из третьего начала термодинамики следует, что абсолютного нуля температуры нельзя достичь ни в каком конечном процессе, связанном с изменением энтропии, к нему можно лишь асимптотически приближаться, поэтому третье начало термодинамики иногда формулируют как принцип недостижимости абсолютного нуля температуры.
Поведение термодинамических коэффициентов
Из третьего начала термодинамики вытекает ряд термодинамических следствий: при T → 0 {displaystyle T o 0} должны стремиться к нулю теплоёмкости при постоянном давлении и при постоянном объёме, коэффициенты теплового расширения и некоторые аналогичные величины. Справедливость третьего начала термодинамики одно время подвергалась сомнению, но позже было выяснено, что все кажущиеся противоречия (ненулевое значение энтропии у ряда веществ при T = 0 {displaystyle T=0} ) связаны с метастабильными состояниями вещества, которые нельзя считать термодинамически равновесными.
Нарушения третьего начала термодинамики в моделях
Третье начало термодинамики часто нарушается в модельных системах. Так, при T → 0 {displaystyle T o 0} энтропия классического идеального газа стремится к минус бесконечности. Это говорит о том, что при низких температурах уравнение Менделеева — Клапейрона неадекватно описывает поведение реальных газов.
Таким образом, третье начало термодинамики указывает на недостаточность классической механики и статистики и является макроскопическим проявлением квантовых свойств реальных систем.
В квантовой механике, тем не менее, в модельных системах третье начало также может нарушаться. Таковы все случаи, когда применяется распределение Гиббса, а основное состояние является вырожденным.
Несоблюдение третьего начала в модели, однако, не исключает того, что в каком-то диапазоне изменения физических величин эта модель может быть вполне адекватна.
Что такое третий закон термодинамики?
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию.
Вот как это работает.
Третий закон термодинамики касается поведения систем при приближении температуры к абсолютному нулю. Он связывает теплоту и энтропию при этой конечной самой низкой температуре для кристаллов, которые относятся к любому твердому материалу, состоящему из атомов, расположенных в определенном симметричном порядке, согласно Britannica . Третий закон термодинамики гласит: «энтропия идеального кристалла равна нулю, когда температура кристалла равна абсолютному нулю (0 К)». По данным Университета Пердью (открывается в новой вкладке), «кристалл должен быть идеальным, иначе будет какой-то врожденный беспорядок. Он также должен быть при 0 К, иначе внутри кристалла возникнет тепловое движение, которое приведет к беспорядку. ”
Сиабал Митра, профессор физики Университета 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 означает, что вы никогда не доберетесь туда», — сказал Митра Live Science. Если бы вы могли достичь абсолютного нуля, это нарушило бы второй закон, потому что если бы у вас был радиатор с абсолютным нулем, вы могли бы построить машину со стопроцентной эффективностью».
Теоретически можно было бы расти. совершенный кристалл, в котором все пространства решетки заняты одинаковыми атомов . Однако принято считать, что достичь температуры абсолютного нуля невозможно. Следовательно, вся материя содержит по крайней мере некоторую энтропию благодаря наличию некоторой тепловой энергии.
История третьего закона термодинамики
Третий закон термодинамики был впервые сформулирован немецким химиком и физиком Вальтером Нернстом в 1906 году согласно Britannica . В своей книге «Обзор термодинамики» (Американский институт физики, 1994), Мартин Бейлин цитирует утверждение Нернста о третьем законе: «Ни одна процедура не может привести к изотерме T = 0 за конечное число шагов».
По сути, это устанавливает, что температура абсолютного нуля недостижима, так же как скорость света c в вакууме никогда не может быть превышена. 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 скорость света , согласно Университета Морнингсайд (открывается в новой вкладке). Точно так же, независимо от того, насколько холодна система, ее всегда можно сделать еще холоднее, но она никогда не достигнет абсолютного нуля.
В своей книге «История физики» (Арктурус, 2012 г.) Энн Руни написала: «Третий закон термодинамики требует концепции минимальной температуры, ниже которой никакая температура не может опускаться — известной как абсолютный ноль». Она продолжила: «Роберт Бойль впервые обсудил концепцию минимально возможной температуры в 1665 году в «Новых экспериментах и наблюдениях, касающихся холода » [Crook Publishing], в которой он назвал эту идею первый холодный.
”
Считается, что абсолютный ноль был впервые рассчитан с достаточной точностью в 1779 году Иоганном Генрихом Ламбертом, согласно Хайме Висняку из Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле . Ламберт основал это вычисление. на линейной зависимости между давлением и температурой газа. Когда газ нагревается в замкнутом пространстве, его давление увеличивается. Это происходит потому, что температура газа является мерой средней скорости молекул в газа. Чем горячее он становится, тем быстрее движутся молекулы и тем большее давление они оказывают при столкновении со стенками сосуда. Ламберту было разумно предположить, что если бы температуру газа можно было довести до абсолютной ноль, движение молекул газа можно было бы полностью остановить, чтобы они больше не могли оказывать никакого давления на стенки камеры.
Если бы кто-то изобразил зависимость температуры и давления газа на графике с температурой по оси x (горизонтальной) и давлением по оси y (вертикальной), точки образовали бы прямую с наклоном вверх линия, указывающая на линейную зависимость (открывается в новой вкладке) между температурой и давлением согласно Университета штата Флорида (открывается в новой вкладке).
Таким образом, должно быть довольно просто протянуть линию назад и считать температуру там, где линия пересекает 9 градусов.0019 x ось, т. е. 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), согласно Britannica . .
Температурная шкала Кельвина
Фотография Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина. Шкала Кельвина названа в его честь. (Изображение предоставлено Беттманном / автором Getty Images) Человек, больше всего связанный с концепцией абсолютного нуля, — Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин. Единица измерения температуры, носящая его имя, кельвин (К), наиболее часто используется учеными во всем мире. Температурные приращения по шкале Кельвина имеют тот же размер, что и по шкале Цельсия, но поскольку они начинаются с абсолютного нуля, а не с точки замерзания воды, их можно использовать непосредственно в математических расчетах, особенно при умножении и делении.
Например, 100 К на самом деле вдвое горячее, чем 50 К, согласно Техасский университет (открывается в новой вкладке). Образец замкнутого газа при 100 К также содержит в два раза больше тепловой энергии и давление в два раза больше, чем при 50 К. Такие расчеты нельзя выполнить с использованием шкал Цельсия или Фаренгейта, т. е. 100 °С — это , а не .
Последствия третьего закона
Поскольку температура абсолютного нуля физически недостижима, третий закон может быть переформулирован для применения к реальному миру как : 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. 9−12 K)», — сказал Дэвид Макки, профессор физики Южного государственного университета Миссури.
Микрогравитация (ZARM) в Бременском университете в Германии Они поймали облако из примерно 100 000 атомов рубидия в магнитном поле внутри вакуумной камеры и бросили камеру вниз по падающей башне, чтобы позволить атомы плавают, не сдерживаемые гравитация и замедлить их молекулярное движение.
Облако достигло рекордных 38 пикокельвинов, или 38 триллионных долей Кельвина.
Хотя температуры абсолютного нуля в природе не существует, и ученые не могут получить ее в лаборатории, концепция абсолютного нуля имеет решающее значение для расчетов, связанных с температурой и энтропией. Многие измерения подразумевают связь с некоторой отправной точкой. Когда кто-то указывает расстояние, они должны спросить, расстояние от чего? Когда они дают время, они должны спросить, время с какого момента? Определение нулевого значения на температурной шкале придает смысл положительным значениям на этой шкале. Когда температура указывается как 100 К, это означает, что температура на 100 К выше абсолютного нуля, что в два раза выше абсолютного нуля, чем 50 К, и в два раза выше, чем 200 К.
При первом чтении третий закон кажется довольно простым и очевидным. Однако он служит заключительным периодом в конце длинного и последовательного рассказа, полностью описывающего природу тепла и тепловой энергии.
Эта статья была обновлена 2 февраля 2022 г. автором Live Science Эшли Хамер.
Дополнительные ресурсы
- Веб-сайт Университета Калгари по энергетическому образованию (открывается в новой вкладке) объясняет концепцию абсолютного нуля.
- В этом видео из StarTalk (открывается в новой вкладке) Нил де Грасс Тайсон объясняет, почему нельзя достичь абсолютного нуля.
- Политехнический институт Ренсселера имеет другое объяснение третьего закона термодинамики (открывается в новой вкладке), дополненное тремя различными формулировками закона.
Библиография
Университет Пердью, «Энтропия и 2-й и 3-й законы термодинамики». http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch31/entropy.php
Нобелевская премия «Вальтер Нернст: биографический». 1966. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1920/nernst/biographical/ (открывается в новой вкладке)
Мартин Бейлин, «Обзор термодинамики», Американский институт физики, 1994 г.
Энн Руни, «История физики», Arcturus, 2012 г.
Роберт Бойл, «Новые эксперименты и наблюдения, касающиеся холода», Крук, 1665
Хайме Висняк, «Развитие концепции абсолютной нулевой температуры», Educación Química, январь 2005 г. https://www.researchgate.net/publication /236235474_Development_of_the_Concept_of_Absolute_Zero_Temperature
Университет штата Иллинойс, «MAT 312: Вероятность и статистика для учителей средних школ», https://math.illinoisstate.edu/day/courses/old/312/notes/twovar /twovar02.html (открывается в новой вкладке)
Университет штата Флорида, «Законы о газе». https://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1045/gas_laws.html (открывается в новой вкладке)
Britannica, «Абсолютный ноль», 9 апреля 2021 г. https://www.britannica. com/science/absolute-zero
Центр медицинских наук Техасского университета в Хьюстоне, «Биостатистика для клинициста».
https://www.uth.tmc.edu/uth_orgs/educ_dev/oser/L1_2.HTM (открывается в новой вкладке)
Бременский университет, «Очень долго и невероятно холодно», 27 августа 2021 г. https://www.zarm.uni-bremen.de/en/press/single-view/article/extremely-long-and- невероятно-cold.html
Джим Лукас — автор статей для Live Science. Он охватывает физику, астрономию и инженерное дело. Джим окончил Университет штата Миссури, где получил степень бакалавра наук в области физики, а также астрономию и техническое письмо. После окончания университета он работал в Лос-Аламосской национальной лаборатории системным администратором, техническим писателем-редактором и специалистом по ядерной безопасности. Помимо написания статей, он редактирует статьи в научных журналах по различным тематическим направлениям.
При участии
- Эшли Хамер, автор Live Science
Что такое третий закон термодинамики?
Вот как это работает. Температурные шкалы. При 0 К энтропия останавливается. Это называется абсолютным нулем, и теоретически это невозможно.
(Изображение предоставлено: ttsz через Getty Images)Третий закон термодинамики касается поведения систем при приближении температуры к абсолютному нулю. Он связывает теплоту и энтропию при этой конечной самой низкой температуре для кристаллов, которые относятся к любому твердому материалу, состоящему из атомов, расположенных в определенном симметричном порядке, согласно Britannica . Третий закон термодинамики гласит: «энтропия идеального кристалла равна нулю, когда температура кристалла равна абсолютному нулю (0 К)». По данным Университета Пердью (открывается в новой вкладке), «кристалл должен быть идеальным, иначе будет какой-то врожденный беспорядок. Он также должен быть при 0 К, иначе внутри кристалла возникнет тепловое движение, которое приведет к беспорядку. ”
Сиабал Митра, профессор физики Университета 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 означает, что вы никогда не доберетесь туда», — сказал Митра Live Science. Если бы вы могли достичь абсолютного нуля, это нарушило бы второй закон, потому что если бы у вас был радиатор с абсолютным нулем, вы могли бы построить машину со стопроцентной эффективностью».
Теоретически можно было бы расти. совершенный кристалл, в котором все пространства решетки заняты одинаковыми атомов . Однако принято считать, что достичь температуры абсолютного нуля невозможно. Следовательно, вся материя содержит по крайней мере некоторую энтропию благодаря наличию некоторой тепловой энергии.
История третьего закона термодинамики
Третий закон термодинамики был впервые сформулирован немецким химиком и физиком Вальтером Нернстом в 1906 году согласно Britannica . В своей книге «Обзор термодинамики» (Американский институт физики, 1994), Мартин Бейлин цитирует утверждение Нернста о третьем законе: «Ни одна процедура не может привести к изотерме T = 0 за конечное число шагов».
По сути, это устанавливает, что температура абсолютного нуля недостижима, так же как скорость света c в вакууме никогда не может быть превышена. 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 скорость света , согласно Университета Морнингсайд (открывается в новой вкладке). Точно так же, независимо от того, насколько холодна система, ее всегда можно сделать еще холоднее, но она никогда не достигнет абсолютного нуля.
В своей книге «История физики» (Арктурус, 2012 г.) Энн Руни написала: «Третий закон термодинамики требует концепции минимальной температуры, ниже которой никакая температура не может опускаться — известной как абсолютный ноль». Она продолжила: «Роберт Бойль впервые обсудил концепцию минимально возможной температуры в 1665 году в «Новых экспериментах и наблюдениях, касающихся холода » [Crook Publishing], в которой он назвал эту идею первый холодный.
”
Считается, что абсолютный ноль был впервые рассчитан с достаточной точностью в 1779 году Иоганном Генрихом Ламбертом, согласно Хайме Висняку из Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле . Ламберт основал это вычисление. на линейной зависимости между давлением и температурой газа. Когда газ нагревается в замкнутом пространстве, его давление увеличивается. Это происходит потому, что температура газа является мерой средней скорости молекул в газа. Чем горячее он становится, тем быстрее движутся молекулы и тем большее давление они оказывают при столкновении со стенками сосуда. Ламберту было разумно предположить, что если бы температуру газа можно было довести до абсолютной ноль, движение молекул газа можно было бы полностью остановить, чтобы они больше не могли оказывать никакого давления на стенки камеры.
Если бы кто-то изобразил зависимость температуры и давления газа на графике с температурой по оси x (горизонтальной) и давлением по оси y (вертикальной), точки образовали бы прямую с наклоном вверх линия, указывающая на линейную зависимость (открывается в новой вкладке) между температурой и давлением согласно Университета штата Флорида (открывается в новой вкладке).
Таким образом, должно быть довольно просто протянуть линию назад и считать температуру там, где линия пересекает 9 градусов.0019 x ось, т. е. 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), согласно Britannica . .
Температурная шкала Кельвина
Фотография Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина. Шкала Кельвина названа в его честь. (Изображение предоставлено Беттманном / автором Getty Images) Человек, больше всего связанный с концепцией абсолютного нуля, — Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин. Единица измерения температуры, носящая его имя, кельвин (К), наиболее часто используется учеными во всем мире. Температурные приращения по шкале Кельвина имеют тот же размер, что и по шкале Цельсия, но поскольку они начинаются с абсолютного нуля, а не с точки замерзания воды, их можно использовать непосредственно в математических расчетах, особенно при умножении и делении.
Например, 100 К на самом деле вдвое горячее, чем 50 К, согласно Техасский университет (открывается в новой вкладке). Образец замкнутого газа при 100 К также содержит в два раза больше тепловой энергии и давление в два раза больше, чем при 50 К. Такие расчеты нельзя выполнить с использованием шкал Цельсия или Фаренгейта, т. е. 100 °С — это , а не .
Последствия третьего закона
Поскольку температура абсолютного нуля физически недостижима, третий закон может быть переформулирован для применения к реальному миру как : 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. 9−12 K)», — сказал Дэвид Макки, профессор физики Южного государственного университета Миссури.
Микрогравитация (ZARM) в Бременском университете в Германии Они поймали облако из примерно 100 000 атомов рубидия в магнитном поле внутри вакуумной камеры и бросили камеру вниз по падающей башне, чтобы позволить атомы плавают, не сдерживаемые гравитация и замедлить их молекулярное движение.
Облако достигло рекордных 38 пикокельвинов, или 38 триллионных долей Кельвина.
Хотя температуры абсолютного нуля в природе не существует, и ученые не могут получить ее в лаборатории, концепция абсолютного нуля имеет решающее значение для расчетов, связанных с температурой и энтропией. Многие измерения подразумевают связь с некоторой отправной точкой. Когда кто-то указывает расстояние, они должны спросить, расстояние от чего? Когда они дают время, они должны спросить, время с какого момента? Определение нулевого значения на температурной шкале придает смысл положительным значениям на этой шкале. Когда температура указывается как 100 К, это означает, что температура на 100 К выше абсолютного нуля, что в два раза выше абсолютного нуля, чем 50 К, и в два раза выше, чем 200 К.
При первом чтении третий закон кажется довольно простым и очевидным. Однако он служит заключительным периодом в конце длинного и последовательного рассказа, полностью описывающего природу тепла и тепловой энергии.
Эта статья была обновлена 2 февраля 2022 г. автором Live Science Эшли Хамер.
Дополнительные ресурсы
- Веб-сайт Университета Калгари по энергетическому образованию (открывается в новой вкладке) объясняет концепцию абсолютного нуля.
- В этом видео из StarTalk (открывается в новой вкладке) Нил де Грасс Тайсон объясняет, почему нельзя достичь абсолютного нуля.
- Политехнический институт Ренсселера имеет другое объяснение третьего закона термодинамики (открывается в новой вкладке), дополненное тремя различными формулировками закона.
Библиография
Университет Пердью, «Энтропия и 2-й и 3-й законы термодинамики». http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch31/entropy.php
Нобелевская премия «Вальтер Нернст: биографический». 1966. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1920/nernst/biographical/ (открывается в новой вкладке)
Мартин Бейлин, «Обзор термодинамики», Американский институт физики, 1994 г.
Университет Морнингсайд, «Предел скорости». https://webs.morningside.edu/slaven/Physics/relativity/relativity10.html (открывается в новой вкладке)
Энн Руни, «История физики», Arcturus, 2012 г.
Роберт Бойл, «Новые эксперименты и наблюдения, касающиеся холода», Крук, 1665
Хайме Висняк, «Развитие концепции абсолютной нулевой температуры», Educación Química, январь 2005 г. https://www.researchgate.net/publication /236235474_Development_of_the_Concept_of_Absolute_Zero_Temperature
Университет штата Иллинойс, «MAT 312: Вероятность и статистика для учителей средних школ», https://math.illinoisstate.edu/day/courses/old/312/notes/twovar /twovar02.html (открывается в новой вкладке)
Университет штата Флорида, «Законы о газе». https://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1045/gas_laws.html (открывается в новой вкладке)
Britannica, «Абсолютный ноль», 9 апреля 2021 г. https://www.britannica. com/science/absolute-zero
Центр медицинских наук Техасского университета в Хьюстоне, «Биостатистика для клинициста».