Terceira Lei da Termodinâmica

De acordo com a terceira lei da termodinâmica, a entropia de um cristal perfeito no zero absoluto é exatamente igual a zero.

A entropia de uma substância é zero se a temperatura absoluta for zero

A terceira lei define o zero absoluto e ajuda a explicar que a entropia, ou desordem, do universo está caminhando para um valor constante e diferente de zero.

Qual é a Terceira Lei da Termodinâmica?

As leis da termodinâmica expressam o comportamento da energia nos sistemas naturais, conforme expresso em nosso universo.

Existem três leis da termodinâmica mais uma lei zero.

A primeira lei da termodinâmica é chamada lei de conservação de energia. Diz que a energia no universo permanece constante.

A segunda lei da termodinâmica diz que o calor não pode transferir de um corpo mais frio para um corpo mais quente como seu único resultado e a entropia do universo não diminui.

A terceira lei da termodinâmica, simplesmente, diz que é impossível alcançar o zero absoluto. E a lei zeroth diz que dois corpos em equilíbrio térmico com um terceiro corpo estão em equilíbrio térmico entre si.

A terceira lei da termodinâmica começou com o chamado teorema do calor, Wärmetheorem, em alemão, foi alcançado em 1906 por Walther Hermann Nernst, que havia sido nomeado para o Segundo Instituto Químico da Universidade de Berlim e membro permanente da Academia Prussiana de Ciências no ano anterior.

A terceira lei também é conhecida como postulado de Nernst ou teorema de Nerst.

Este teorema e o artigo de Einstein de 1907 mostrando que a mecânica quântica prediz que os aquecimentos específicos dos sólidos tenderão ao zero absoluto quando atingirem temperaturas próximas ao zero absoluto pareciam se reforçar.

Isso era importante para Nernst porque seu teorema não era claramente uma terceira lei da termodinâmica, porque não podia ser deduzido das duas primeiras leis da termodinâmica, mas ele achava que o papel de Einstein e o trabalho da mecânica quântica de Max Planck ajudavam a sustentar as reivindicações de sua teoria. teoria para ser realmente uma terceira lei da termodinâmica, no entanto.

Nernst ganhou o Prêmio Nobel de Química em 1920 por este trabalho, mas havia controvérsia sobre isso. O químico americano Theodore Richards afirmou que ele, em vez de Nernst, havia descoberto a terceira lei da termodinâmica, como indicado pela possível interpretação de gráficos em um artigo que ele escreveu em 1902. O ex-amigo de Nernst, Svante Arrhenius, já está de saída com Nernst por causa de uma disputa anterior, foi trazido à discussão por Richards e fez grandes esforços para se opor a Nernst receber o Prêmio Nobel por este trabalho.

A terceira lei da termodinâmica também é declarada usando termos diferentes.

Por exemplo, “na temperatura zero absoluta, a entropia atinge o zero absoluto”. Ou “um número finito de etapas não pode ser usado para atingir o zero absoluto”. Ou “se o movimento térmico das moléculas cessasse, ocorreria o estado de zero absoluto”. Ou “Os processos de entropia e sistema cessam quando o sistema se aproxima do zero absoluto”.

História

A Terceira Lei da Termodinâmica foi formulada pela primeira vez pelo químico e físico alemão Walther Nernst.

Em seu livro “A Survey of Thermodynamics” (Uma Pesquisa de Termodinâmica do Instituto Americano de Física, 1994), Martin Bailyn cita a declaração de Nernst da Terceira Lei como: “É impossível para qualquer procedimento levar à isotérmica T = 0 em um número finito de passos.”

Isso essencialmente estabelece uma temperatura zero absoluta como inatingível da mesma maneira que a velocidade da luz.

Os estados da teoria e os experimentos mostraram que, por mais rápido que algo esteja se movendo, sempre pode ser feito para ir mais rápido, mas nunca pode atingir a velocidade da luz. Da mesma forma, não importa quão frio seja um sistema, ele sempre pode ficar mais frio, mas nunca pode atingir o zero absoluto.

Em seu livro “The Story of Physics” (A História da Física, Arcturus, 2012), Anne Rooney escreveu: “A terceira lei da termodinâmica requer o conceito de uma temperatura mínima abaixo da qual nenhuma temperatura pode cair – conhecida como zero absoluto”.

Ela continuou: “Robert Boyle discutiu o conceito de temperatura mínima possível em 1665, em” Novos experimentos e observações que tocam no frio “, no qual ele se referia à idéia como primum frigidum”.

Acredita-se que o zero absoluto tenha sido calculado pela primeira vez com razoável precisão em 1779 por Johann Heinrich Lambert. Ele baseou esse cálculo na relação linear entre a pressão e a temperatura de um gás.

Quando um gás é aquecido em um espaço confinado, sua pressão aumenta. Isso ocorre porque a temperatura de um gás é uma medida da velocidade média das moléculas no gás. Quanto mais quente fica, mais rápido as moléculas se movem e maior a pressão que exercem quando colidem com as paredes do recipiente. Era razoável para Lambert supor que, se a temperatura do gás pudesse ser levada a zero absoluto, o movimento das moléculas de gás seria interrompido por completo, para que não pudessem mais exercer pressão nas paredes da câmara.

Se alguém plotar a relação temperatura-pressão do gás em um gráfico com a temperatura no eixo x (horizontal) e a pressão no eixo y (vertical), os pontos formam uma linha reta inclinada para cima, indicando uma relação linear entre temperatura e pressão. Portanto, deve ser bastante simples estender a linha para trás e ler a temperatura em que a linha cruza o eixo, ou seja, onde y = 0, indicando pressão zero.

Usando essa técnica, Lambert calculou o zero absoluto em menos 270 graus Celsius, o que foi notavelmente próximo do valor aceito moderno de menos 273,15 Celsius.

Resumo

A Terceira Lei da Termodinâmica é a menos conhecida das três principais leis termodinâmicas. Juntas, essas leis ajudam a formar os fundamentos da ciência moderna. As leis da termodinâmica são leis físicas absolutas – tudo no universo observável está sujeito a elas. Como tempo ou gravidade, nada no universo está isento dessas leis.

Na sua forma mais simples, a Terceira Lei da Termodinâmica relaciona a entropia (aleatoriedade) da matéria à sua temperatura absoluta.

A Terceira Lei da Termodinâmica refere-se a um estado conhecido como “zero absoluto”. Este é o ponto mais baixo na escala de temperatura Kelvin.

A escala Kelvin é absoluta, o que significa que 0 ° Kelvin é matematicamente a temperatura mais baixa possível no universo. Isso corresponde a cerca de -273,15 ° Celsius ou -459,7 Fahrenheit.

Na realidade, nenhum objeto ou sistema pode ter uma temperatura igual a zero Kelvin, devido à Segunda Lei da Termodinâmica.

A Segunda Lei, em parte, implica que o calor nunca pode se mover espontaneamente de um corpo mais frio para um corpo mais quente. Assim, à medida que um sistema se aproxima do zero absoluto, acabará por extrair energia de quaisquer sistemas que estejam próximos. Se ele consome energia, nunca pode obter zero absoluto. Portanto, esse estado não é fisicamente possível, mas é um limite matemático do universo.

Em sua forma mais curta, a Terceira Lei da Termodinâmica diz: “A entropia de um cristal perfeito puro é zero (0) a zero Kelvin (0 ° K)”.

A entropia é uma propriedade da matéria e energia discutida pela Segunda Lei da Termodinâmica.

A Terceira Lei da Termodinâmica significa que, à medida que a temperatura de um sistema se aproxima do zero absoluto, sua entropia se aproxima de uma constante (para cristais perfeitos puros, essa constante é zero).

Um cristal puro perfeito é aquele em que cada molécula é idêntica e o alinhamento molecular é perfeitamente uniforme em toda a substância. Para cristais não puros, ou aqueles com alinhamento menos que perfeito, haverá alguma energia associada às imperfeições, portanto a entropia não pode se tornar zero.

A Terceira Lei da Termodinâmica pode ser visualizada pensando na água. A água na forma de gás possui moléculas que podem se mover muito livremente. O vapor de água tem entropia muito alta (aleatoriedade).

À medida que o gás esfria, ele se torna líquido. As moléculas de água líquida ainda podem se mover, mas não tão livremente. Eles perderam alguma entropia. Quando a água esfria ainda mais, ela se torna gelo sólido.

As moléculas de água sólida não podem mais se mover livremente, mas só podem vibrar dentro dos cristais de gelo. A entropia agora é muito baixa. À medida que a água é resfriada cada vez mais perto do zero absoluto, a vibração das moléculas diminui. Se a água sólida atingisse zero absoluto, todo o movimento molecular parava completamente. Nesse ponto, a água não teria entropia (aleatoriedade).

A maior parte do uso direto da Terceira Lei da Termodinâmica ocorre em química e física de temperatura ultrabaixa. As aplicações desta lei foram usadas para prever a resposta de vários materiais às mudanças de temperatura.

Essas relações tornaram-se essenciais para muitas disciplinas científicas, embora a Terceira Lei da Termodinâmica não seja usada diretamente quase tanto quanto as outras duas.

O estudo da Terceira Lei da Termodinâmica apóia principalmente as implicações das duas primeiras leis.

Fonte: chem.libretexts.org/www.livescience.com/courses.lumenlearning.com/www.wisegeek.org/www.engineeringtoolbox.com/sciencing.com/www.allaboutscience.org