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Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

1910
  • Walther Nernst
  • Max Planck
Laborszene zur Veranschaulichung des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik in der Kryotechnik.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Das Dritte Gesetz besagt, dass die Entropie eines perfekten Kristalls ein konstantes Minimum annimmt, wenn sich seine Temperatur dem absoluten Nullpunkt ([latex]0[/latex] Kelvin) nähert. Dieser Minimalwert wird als Null definiert. Eine wichtige Konsequenz ist, dass der absolute Nullpunkt nicht in einer endlichen Anzahl von Schritten erreicht werden kann. Dieses Gesetz stellt einen grundlegenden Bezugspunkt für die Bestimmung der absoluten Entropie eines Stoffes dar.

The Third Law originated from Walther Nernst’s work on chemical reactions at low temperatures, formulated as the Nernst Heat Theorem in 1906. He observed that the change in entropy for chemical reactions approaches zero as the temperature approaches absolute zero. Max Planck later extended this to state that the entropy of each individual perfect crystalline substance is itself zero at absolute zero. This provides an absolute, rather than relative, scale for entropy.

The law’s novelty lies in its connection between thermodynamics and the quantum-mechanical nature of matter. At absolute zero, a system is in its ground state, which for a perfect crystal is a unique, non-degenerate state, corresponding to zero entropy ([latex]S = k_B \ln(1) = 0[/latex]). Amorphous materials like glass, however, have residual entropy at absolute zero due to their disordered structure. The law also implies that as [latex]T \rightarrow 0[/latex], specific heats ([latex]C_p[/latex], [latex]C_v[/latex]) and the coefficient of thermal expansion also approach zero. The unattainability principle arises because each step in a cooling process removes a smaller and smaller amount of entropy, requiring an infinite number of steps to reach zero entropy.

UNESCO Nomenclature: 2212
- Thermodynamik, statistische Physik und kondensierte Materie

Typ

Abstraktes System

Störung

Wesentliche

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Formulierung des zweiten Hauptsatzes und des Entropiebegriffs
  • experimentelle Fortschritte bei der Verflüssigung von Gasen (Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff) und dem Erreichen niedriger Temperaturen
  • Entwicklung der statistischen Mechanik durch Ludwig Boltzmann und J. Willard Gibbs
  • the emergence of quantum theory from Max Planck’s work on black-body radiation

Anwendungen

  • Kryotechnik und Tieftemperaturphysik
  • Berechnung chemischer Affinitäten und Reaktionsgleichgewichtskonstanten
  • Materialwissenschaft zum Verständnis von Kristallstrukturen, Defekten und Restentropie
  • Forschung zu Supraleitung und Suprafluidität, Phänomenen, die nahe dem absoluten Nullpunkt auftreten
  • Bestimmung absoluter Entropiewerte für chemische Substanzen

Patente:

NA

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Related to: third law, absolute zero, entropy, perfect crystal, Nernst heat theorem, unattainability principle, cryogenics, ground state, quantum mechanics, zero-point energy.

Historischer Kontext

Dritter Hauptsatz der Thermodynamik

1902
1907
1909
1910
1911-04-08
1913
1915
1902
1904
1907
1909
1910
1912
1915
1915-11

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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