TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA » Explicación, Aplicaciones

La Tercera ley de la termodinámica es también conocida como Postulado de Nernst y tiene que ver con términos como entropía, cero absoluto y escala Kelvin. Conoce de qué se trata y cuáles son sus aplicaciones.

Explicación de la Tercera ley de la termodinámica

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La entropía de un sistema se aproxima a un valor constante a medida que su temperatura se acerca al cero absoluto. Este valor constante no puede depender de ningún otro parámetro que caracterice el sistema cerrado, como la presión o el campo magnético aplicado. En el cero absoluto (cero kelvin), el sistema debe estar en un estado con la mínima energía posible.

La entropía está relacionada con la cantidad de microestados accesibles, y generalmente hay un estado único (llamado estado fundamental) con energía mínima. En tal caso, la entropía en el cero absoluto será exactamente cero.

Si el sistema no tiene un orden bien definido (si su orden es vidrioso, por ejemplo), entonces puede quedar algo de entropía finita ya que el sistema se lleva a temperaturas muy bajas, ya sea porque el sistema se bloquea en una configuración con no – Energía mínima o porque el estado de energía mínima no es único. El valor constante se llama la entropía residual del sistema.

La entropía es esencialmente una función de estado que significa que el valor inherente de diferentes átomos, moléculas y otras configuraciones de partículas, incluido el material subatómico o atómico, se define mediante la entropía, que puede descubrirse cerca de 0°K.

Declaración de Nernst-Simon

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La declaración de Nernst-Simon de la Tercera ley de la termodinámica se refiere a los procesos termodinámicos a una temperatura fija y baja.

El cambio de entropía asociado con cualquier sistema condensado que experimenta un proceso isotérmico reversible se acerca a cero a medida que la temperatura a la que se realiza se acerca al cero absoluto. Aquí un sistema condensado se refiere a líquidos y sólidos.

Una formulación clásica de Nernst (en realidad una consecuencia de la Tercera Ley) es:

“Es imposible que cualquier proceso, sin importar cuán idealizado sea, reduzca la entropía de un sistema a su valor de cero absoluto en un número finito de operaciones”.

Otra formulación de la Tercera ley

También existe una formulación de la Tercera ley que aborda el tema postulando un comportamiento energético específico:

“Si el compuesto de dos sistemas termodinámicos constituye un sistema aislado, entonces cualquier intercambio de energía en cualquier forma entre esos dos sistemas está limitado”.

Importancia de la tercera Ley de la termodinámica

La tercera ley rara vez se aplica a nuestras vidas cotidianas y rige la dinámica de los objetos a las temperaturas más bajas conocidas. Define lo que se llama un “cristal perfecto”, cuyos átomos están pegados en sus posiciones. Por lo tanto, el cristal perfecto no posee absolutamente ninguna entropía, que solo se puede alcanzar a la temperatura absoluta.

El concepto de entropía también ha sido popular en algunas teorías que definen objetivamente el flujo continuo del tiempo, como el aumento lineal en la entropía del universo.

Idealmente, a 0 Kelvin, los cambios de entropía para las reacciones relacionadas con la formación de materia serán cero, aunque prácticamente toda la materia manifiesta cierta cantidad de entropía, debido a la presencia de la menor cantidad de calor. Lo más frío que hemos medido es 3 K, en las profundidades distantes del Universo, más allá de las estrellas y galaxias.

Aplicaciones de la Tercera ley de la termodinámica

Caliente y frío

No existe tal cosa como “frío”: una afirmación difícil de creer para alguien que se encuentra en Buffalo, Nueva York o en International Falls, Minnesota, durante una tormenta de febrero.

Ciertamente, el frío es real como una experiencia sensorial, pero en términos físicos, el frío no es una “cosa”, es simplemente la ausencia de calor.

La gente dirá, por ejemplo, que ponen un cubito de hielo en una taza de café para enfriarlo, pero en términos físicos, esta descripción es al revés: lo que realmente sucede es que el calor fluye del café al hielo, aumentando así su efecto. temperatura. La temperatura resultante está en algún lugar entre la del cubo de hielo y el café, pero no se puede obtener el valor simplemente promediando las dos temperaturas al comienzo de la transferencia.

Transferencias de calor

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Para que el calor se transfiera de un punto a otro, debe haber una diferencia de temperatura entre esos dos puntos. Si un objeto o sistema tiene un nivel uniforme de energía térmica interna, no importa cuán “caliente” pueda ser en términos normales, no se produce transferencia de calor.

El calor se transfiere por uno de tres métodos: conducción, que implica colisiones moleculares sucesivas; convección, que requiere el movimiento de fluido caliente de un lugar a otro; o radiación, que involucra ondas electromagnéticas y no requiere ningún medio físico para la transferencia.

Por un lado, el volumen de agua en el cubo de hielo es probablemente menor que el del agua en el café, sin mencionar el hecho de que sus diferentes propiedades químicas pueden tener un efecto menor en la interacción.

Sin embargo, lo más importante es el hecho de que el café no se fusionó simplemente con el hielo: al transferir calor al cubo de hielo, las moléculas del café gastaron parte de su energía cinética interna, perdiendo más calor en el proceso.

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