Les lois de la thermodynamique aident les scientifiques à comprendre les systèmes thermodynamiques. La troisième loi définit le zéro absolu et aide à expliquer que l'entropie, ou désordre, de l'univers se dirige vers une valeur constante non nulle.
L'entropie d'un système et la deuxième loi de la thermodynamique

L'entropie est souvent décrit en mots comme une mesure de la quantité de troubles dans un système. Cette définition a été proposée pour la première fois par Ludwig Boltzmann en 1877. Il a défini l'entropie mathématiquement comme ceci:

S \u003d k × ln (Y)

Dans cette équation, Y
est le nombre de microstats dans le système (ou le nombre de façons dont le système peut être commandé), k
est la constante de Boltzmann (qui est trouvée en divisant la constante de gaz idéal par la constante d'Avogadro: 1,380649 × 10 ^{−23 J /K) et ln
est le logarithme naturel (un logarithme à la base e
).}

Deux grandes idées démontrées avec cette formule sont:

1. L'entropie peut être considérée en termes de chaleur, en particulier comme la quantité d'énergie thermique dans un système fermé, qui n'est pas disponible pour effectuer un travail utile.
   
2. Plus il y a de micro-états, ou façons d'ordonner un système, plus le système a d'entropie.
   
   

   De plus, le changement d'entropie d'un système lorsqu'il se déplace d'un macrostate à un autre peut être décrit comme:
   

   où T
   est la température et Q
   est l'échange de chaleur éd dans un processus réversible lorsque le système se déplace entre deux états.
   

   La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale de l'univers ou d'un système isolé ne diminue jamais. En thermodynamique, un système isolé est un système dans lequel ni la chaleur ni la matière ne peuvent entrer ou sortir des limites du système.
   

   En d'autres termes, dans tout système isolé (y compris l'univers), le changement d'entropie est toujours nul ou positif. Ce que cela signifie essentiellement, c'est que les processus aléatoires ont tendance à conduire à plus de désordre que d'ordre. Des processus aléatoires pourraient
   conduire à plus d'ordre que de désordre sans violer les lois naturelles, mais c'est beaucoup moins susceptible de se produire.
   

   Finalement, le changement d'entropie pour l'univers dans son ensemble sera égal à zéro. À ce stade, l'univers aura atteint l'équilibre thermique, avec toute l'énergie sous forme d'énergie thermique à la même température non nulle. Ceci est souvent appelé la mort par la chaleur de l'univers.
   Absolute Zero Kelvin
   

   La plupart des gens dans le monde discutent de la température en degrés Celsius, tandis que quelques pays utilisent l'échelle Fahrenheit. Partout, cependant, les scientifiques utilisent Kelvins comme unité fondamentale de mesure de la température absolue.
   

   Cette échelle est construite sur une base physique particulière: le zéro absolu Kelvin est la température à laquelle cesse tout mouvement moléculaire. Puisque la chaleur est un mouvement moléculaire
   au sens le plus simple, aucun mouvement ne signifie aucune chaleur. Pas de chaleur signifie une température de zéro Kelvin.
   

   Notez que cela est différent d'un point de congélation, comme zéro degré Celsius - les molécules de glace ont encore de petits mouvements internes qui leur sont associés, également appelés chaleur. Les changements de phase entre solide, liquide et gaz, cependant, conduisent à des changements massifs d'entropie car les possibilités pour différentes organisations moléculaires, ou microstats, d'une substance augmentent ou diminuent soudainement et rapidement avec la température.
   La troisième loi de Thermodynamique
   

   La troisième loi de la thermodynamique stipule que lorsque la température s'approche du zéro absolu dans un système, l'entropie absolue du système s'approche d'une valeur constante. C'était vrai dans le dernier exemple, où le système était l'univers entier. Cela est également vrai pour les petits systèmes fermés - continuer de refroidir un bloc de glace à des températures plus froides ralentira de plus en plus ses mouvements moléculaires internes jusqu'à ce qu'ils atteignent l'état le moins désordonné physiquement possible, ce qui peut être décrit en utilisant une constante valeur de l'entropie.
   

   La plupart des calculs d'entropie traitent des différences d'entropie entre les systèmes ou les états des systèmes. La différence dans cette troisième loi de la thermodynamique est qu'elle conduit à des valeurs bien définies de l'entropie elle-même en tant que valeurs sur l'échelle Kelvin.
   Substances cristallines
   

   Pour devenir parfaitement immobiles, les molécules doivent aussi être dans leur maximum un arrangement cristallin stable et ordonné, c'est pourquoi le zéro absolu est également associé à des cristaux parfaits. Un tel réseau d'atomes avec un seul micro-état n'est pas possible en réalité, mais ces conceptions idéales sous-tendent la troisième loi de la thermodynamique et ses conséquences.
   

   Un cristal qui n'est pas parfaitement disposé aurait un désordre inhérent (entropie) dans sa structure. Parce que l'entropie peut également être décrite comme de l'énergie thermique, cela signifie qu'elle aurait une certaine énergie sous forme de chaleur - donc, décidément pas
   zéro absolu.
   

   Bien que les cristaux parfaits n'existent pas dans la nature , une analyse de l'évolution de l'entropie à l'approche d'une organisation moléculaire révèle plusieurs conclusions:
   
   

3. Plus une substance est complexe - disons C _{12H 22O 11 vs. H < sub> 2 - plus il est lié à l'entropie, car le nombre de microstats possibles augmente avec la complexité.}
   
4. Les substances avec des structures moléculaires similaires ont des entropies similaires.
   
5. Structures avec plus petites, moins les atomes énergétiques et les liaisons plus directionnelles, comme les liaisons hydrogène, ont moins d'entropie car ils ont des structures plus rigides et ordonnées.
   
   
   Conséquences de la troisième loi de la thermodynamique
   

   Bien que les scientifiques n'aient jamais pu atteindre le zéro absolu en laboratoire, ils se rapprochent de plus en plus tout le temps. Cela a du sens parce que la troisième loi suggère une limite à la valeur d'entropie pour différents systèmes, qu'ils approchent lorsque la température baisse.
   

   Plus important encore, la troisième loi décrit une vérité importante de la nature: toute substance à une température supérieur au zéro absolu (donc, toute substance connue) doit avoir une entropie positive. De plus, parce qu'il définit le zéro absolu comme point de référence, nous sommes capables de quantifier la quantité relative d'énergie de n'importe quelle substance à n'importe quelle température.
   

   C'est une différence clé par rapport à d'autres mesures thermodynamiques, telles que l'énergie ou l'enthalpie , pour lequel il n'y a pas de point de référence absolu. Ces valeurs n'ont de sens que par rapport à d'autres valeurs.
   

   En réunissant les deuxième et troisième lois de la thermodynamique, on arrive à la conclusion que, lorsque toute l'énergie de l'univers se transformera en chaleur, elle atteindra une température constante. Appelé équilibre thermique, cet état de l'univers est immuable, mais à une température supérieure
   au zéro absolu.
   

   La troisième loi soutient également les implications de la première loi de la thermodynamique. Cette loi stipule que le changement d'énergie interne pour un système est égal à la différence entre la chaleur ajoutée au système et le travail effectué par le système:
   

   ΔU \u003d Q - W
   

   Où U
   est énergie_, Q_ est chaleur et W
   est travail, tous généralement mesurés en joules, Btus ou calories).
   

   Cette formule montre que plus de chaleur dans un système signifie qu'il aura plus d'énergie. Cela signifie à son tour nécessairement plus d'entropie. Pensez à un cristal parfait à zéro absolu - l'ajout de chaleur introduit un mouvement moléculaire et la structure n'est plus parfaitement ordonnée; il a une certaine entropie.