Ποιος είναι ο Τρίτος Νόμος της Θερμοδυναμικής;

Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι καθώς η θερμοκρασία ενός συστήματος πλησιάζει το απόλυτο μηδέν, η εντροπία του γίνεται σταθερή ή η μεταβολή της εντροπίας είναι μηδέν. Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής προβλέπει τις ιδιότητες ενός συστήματος και τη συμπεριφορά της εντροπίας σε ένα μοναδικό περιβάλλον γνωστό ως απόλυτη θερμοκρασία.

Η εντροπία ενός οριοθετημένου ή απομονωμένου συστήματος γίνεται σταθερή καθώς η θερμοκρασία του πλησιάζει την απόλυτη θερμοκρασία (απόλυτο μηδέν).

Η θερμοδυναμική είναι ένας από τους πιο σημαντικούς και ευρέως μελετημένους κλάδους της φυσικής επιστήμης. Εκτός από το να βασανίζει τους φοιτητές μηχανολόγων μηχανικών για το μεγαλύτερο μέρος της ακαδημαϊκής τους ζωής, η πανταχού παρουσία του φαίνεται από το κρύο αεράκι του κλιματιστικού μου σε μια από τις κορυφές της βιομηχανικής εποχής - την ατμομηχανή. Η εφαρμογή του διέπεται από τρεις νόμους, οι οποίοι είναι γνωστοί ως Νόμοι της Θερμοδυναμικής. Οι νόμοι ορίζουν πώς η εργασία, η θερμότητα και η ενέργεια επηρεάζουν ένα σύστημα. Σύστημα είναι οποιαδήποτε περιοχή στο Σύμπαν που είναι πεπερασμένα οριοθετημένη μέσω της οποίας μεταφέρεται ενέργεια. Οτιδήποτε έξω από αυτό το όριο είναι το περιβάλλον του.

Απεικόνιση ενός συστήματος στη θερμοδυναμική. (Φωτογραφία:Wavesmikey / Wikipedia Commons)

Τι είναι η Εντροπία;

Ενώ ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής υπονοεί ότι το Σύμπαν ξεκίνησε με πεπερασμένη χρησιμοποιήσιμη ενέργεια, όπου ένα σύστημα που αντλεί ενέργεια θα την ξοδέψει εν μέρει στην εργασία και εν μέρει μέσω της αύξησης της εσωτερικής του θερμοκρασίας, ο δεύτερος νόμος διερευνά τις επιπτώσεις του. Αυτό περιλαμβάνει τη μετατροπή αυτής της πεπερασμένης χρησιμοποιήσιμης ενέργειας σε αχρησιμοποίητη ενέργεια. Για παράδειγμα, ο σχηματισμός της ύλης που συνέβη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια λόγω της συμπύκνωσης της ενέργειας με την οποία ξεκίνησε το Σύμπαν. Σε αυτή τη διαδικασία, η πεπερασμένη χρησιμοποιήσιμη ενέργεια μετατρέπεται τώρα σε αχρησιμοποίητη ενέργεια.

Αυτή η αχρησιμοποίητη ενέργεια μετριέται με κάτι που ονομάζεται "Εντροπία", ένα βαρόμετρο για τη μέτρηση της τυχαιότητας ή της αταξίας σε ένα σύστημα.

Απεικόνιση της εντροπίας ως αύξηση της αταξίας.

Το Σύμπαν είναι σαν ένα δωμάτιο γεμάτο με ρούχα που είναι ξαπλωμένα γύρω με έναν ανοργάνωτο τρόπο. Η εντροπία αυτού του συστήματος αυξάνεται καθώς όλο και περισσότερα ρούχα χρησιμοποιούνται και απορρίπτονται, συμπληρώνοντας το χάος, εκτός εάν ο κάτοικος κάνει προσπάθεια να τα μαζέψει και να τα οργανώσει, γεγονός που μειώνει αυτή τη διαταραχή.

Θεωρώντας το Σύμπαν ως ένα σύστημα, δεν υπάρχει τίποτα στο περιβάλλον του για να αντλήσει ενέργεια, έτσι με όλη την ενέργειά του που μετατρέπεται σε άχρηστη ενέργεια, το μόνο που μένει πίσω είναι ένα κρύο, σκοτεινό μέρος. Αυτό ονομάζεται θερμικός θάνατος και είναι ένας από τους τρόπους με τους οποίους θα μπορούσε να τελειώσει το Σύμπαν. Ένα περιορισμένο σύστημα όπως το Σύμπαν μας διαθέτει πεπερασμένες πηγές ενέργειας, όπως τα φωτεινά του αστέρια, τα οποία θα καίγονται για αιώνες πριν παραδοθούν στους σκληρούς νόμους της φύσης.

Τι είναι ο Τρίτος Νόμος της Θερμοδυναμικής;

Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής προβλέπει τις ιδιότητες ενός συστήματος και τη συμπεριφορά της εντροπίας σε ένα μοναδικό περιβάλλον γνωστό ως απόλυτη θερμοκρασία. Η απόλυτη θερμοκρασία είναι η χαμηλότερη γνωστή θερμοκρασία και θέτει ένα χαμηλότερο όριο στο εύρος θερμοκρασίας του Σύμπαντος.

Τι ωραίο είναι αυτό! Όχι, σοβαρά, πόσο κρύο κάνει; Η απόλυτη θερμοκρασία είναι 0 Kelvin, η τυπική μονάδα θερμοκρασίας ή -273,15 βαθμοί Κελσίου! Η απόλυτη θερμοκρασία είναι επίσης γνωστή ως απόλυτο μηδέν σε ορισμένους κύκλους και χώρες. Αυτή η κλίμακα θα σας δώσει μια ιδέα.

Ο τρίτος νόμος δηλώνει ότι καθώς η θερμοκρασία ενός συστήματος πλησιάζει το απόλυτο μηδέν, η εντροπία του γίνεται σταθερή ή η μεταβολή της εντροπίας είναι μηδέν.

Η δήλωση αντιπροσωπεύεται από αυτήν την εξίσωση, όπου το T μοιάζει με τη θερμοκρασία και το δέλτα S είναι η αλλαγή στην εντροπία του συστήματος. Η ένδειξη "τείνει στο μηδέν" που αντιπροσωπεύεται από ένα βέλος που δείχνει προς το μηδέν υποδηλώνει ότι καθώς η θερμοκρασία μειώνεται σε μια απειροελάχιστη τιμή, το σύστημα επιτυγχάνει σταθερή εντροπία αντλώντας ενέργεια από το περιβάλλον του, αλλά όπως ορίζει ο πρώτος νόμος, μέρος αυτής της ενέργειας θα προσθέσει στην εσωτερική ενέργεια του συστήματος, αρνούμενος έτσι μια σταθερή κατάσταση εντροπίας.

Η σημασία του τρίτου νόμου της θερμοδυναμικής

Ο τρίτος νόμος σπάνια εφαρμόζεται στην καθημερινή μας ζωή και διέπει τη δυναμική των αντικειμένων στις χαμηλότερες γνωστές θερμοκρασίες. Ορίζει αυτό που ονομάζεται «τέλειος κρύσταλλος», του οποίου τα άτομα είναι κολλημένα στις θέσεις τους. Επομένως, ο τέλειος κρύσταλλος δεν έχει καμία απολύτως εντροπία, η οποία μπορεί να επιτευχθεί μόνο στην απόλυτη θερμοκρασία.

Η έννοια της εντροπίας ήταν επίσης δημοφιλής σε ορισμένες θεωρίες που ορίζουν αντικειμενικά τη συνεχή ροή του χρόνου, όπως η γραμμική αύξηση της εντροπίας του Σύμπαντος.

Ιδανικά, στο 0 Kelvin, οι μεταβολές της εντροπίας για τις αντιδράσεις σχετικά με το σχηματισμό της ύλης θα είναι μηδέν, αν και πρακτικά όλη η ύλη εκδηλώνει κάποια ποσότητα εντροπίας, λόγω της παρουσίας της ελάχιστης ποσότητας θερμότητας. Το πιο κρύο που έχουμε μετρήσει είναι 3 K, στα μακρινά βάθη του Σύμπαντος, πέρα ​​από αστέρια και γαλαξίες.

Με άλλα λόγια, απολαύστε το καλοκαίρι όσο κρατάει!

Διαβάστε περισσότερα:

Τι είναι ο Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής;

Τι είναι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής;