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Terza legge della termodinamica

1910
  • Walther Nernst
  • Max Planck
Scena di laboratorio che dimostra la terza legge della termodinamica in criogenia.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

La Terza Legge afferma che l'entropia di un cristallo perfetto raggiunge un minimo costante man mano che la sua temperatura si avvicina allo zero assoluto ([latex]0[/latex] Kelvin). Questo valore minimo è definito come zero. Una conseguenza fondamentale è l'irraggiungibilità dello zero assoluto in un numero finito di passi. Questa legge fornisce un punto di riferimento fondamentale per determinare l'entropia assoluta di una sostanza.

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
- Termodinamica, fisica statistica e materia condensata

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Sostanziale

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • formulazione della Seconda Legge e il concetto di entropia
  • progressi sperimentali nella liquefazione dei gas (ossigeno, azoto, idrogeno) e nel raggiungimento di basse temperature
  • sviluppo della meccanica statistica da parte di Ludwig Boltzmann e J. Willard Gibbs
  • the emergence of quantum theory from Max Planck’s work on black-body radiation

Applicazioni

  • criogenia e fisica delle basse temperature
  • calcolo delle affinità chimiche e delle costanti di equilibrio della reazione
  • scienza dei materiali per comprendere le strutture cristalline, i difetti e l'entropia residua
  • ricerca sulla superconduttività e la superfluidità, fenomeni che si verificano in prossimità dello zero assoluto
  • determinazione dei valori assoluti di entropia per le sostanze chimiche

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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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.

Contesto storico

Terza legge della termodinamica

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

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

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