Entropi Statistik dan Hukum Ketiga

Mekanika statistik memberikan makna molekuler pada entropi sebagai ukuran jumlah mikrostate yang dapat diakses, yang pada gilirannya menjelaskan mengapa entropi kristal sempurna mendekati nol pada nol mutlak.

Definition

Entropi statistik adalah ukuran molekuler entropi yang sebanding dengan logaritma jumlah mikrostate yang konsisten dengan makrostate suatu sistem, dan hukum ketiga mengikuti dari keunikan keadaan dasar kristal sempurna pada nol mutlak.

Scope

Topik ini mencakup definisi statistik entropi dan kaitannya dengan hukum ketiga: hubungan Boltzmann antara entropi dan logaritma jumlah mikrostate, ekspresi entropi Gibbs, dan perhitungan entropi dari fungsi partisi. Ini mengembangkan hukum ketiga sebagai pernyataan bahwa kristal sempurna memiliki satu mikrostate dasar tunggal dan karenanya entropi nol pada nol mutlak, konsep entropi residual yang timbul dari ketidakteraturan yang membeku, dan perhitungan entropi absolut yang konsekuen. Distribusi Boltzmann umum dan fungsi partisi dibahas dalam topik terkait.

Core questions

• Bagaimana hubungan Boltzmann menghubungkan entropi dengan jumlah mikrostate?
• Bagaimana entropi dihitung dari fungsi partisi?
• Mengapa entropi kristal sempurna mendekati nol pada nol mutlak?
• Apa itu entropi residual, dan mengapa ia muncul pada beberapa zat?

Key concepts

• Entropi Boltzmann dan mikrostate
• Ekspresi entropi Gibbs
• Entropi dari fungsi partisi
• Hukum ketiga dan kristal sempurna
• Entropi residual

Key theories

Hubungan entropi Boltzmann

Entropi sebanding dengan logaritma jumlah mikrostate yang kompatibel dengan keadaan makroskopik, memberikan dasar molekuler untuk hukum kedua dan menjelaskan kecenderungan spontan menuju keadaan dengan multiplisitas yang lebih tinggi.

Dasar statistik hukum ketiga

Pada nol mutlak, kristal sempurna menempati satu mikrostate dasar non-degenerasi tunggal, sehingga entropi statistiknya adalah nol; penyimpangan seperti entropi residual menunjukkan ketidakteraturan yang membeku sebelum sistem dapat mencapai keadaan unik ini.

Clinical relevance

Interpretasi statistik entropi memberikan entropi absolut untuk perhitungan termokimia, menjelaskan entropi residual pada zat-zat seperti karbon monoksida dan es, serta memberikan dasar molekuler untuk memahami spontanitas, pencampuran, dan batas pendinginan menuju nol mutlak.

History

Hubungan Boltzmann antara entropi dan mikrostate, yang terukir di batu nisannya, berasal dari tahun 1870-an; teorema panas Nernst tahun 1906 menjadi hukum ketiga, dan penjelasan Pauling tahun 1935 tentang entropi residual es mengkonfirmasi gambaran statistik dengan mengaitkannya dengan ketidakteraturan proton yang membeku.

Key figures

• Ludwig Boltzmann
• Walther Nernst
• Linus Pauling

Seminal works

• mcquarrie1997
• atkins2018

Frequently asked questions

Apa arti fisik entropi untuk menghitung mikrostate?

Makrostate yang dapat direalisasikan dalam banyak susunan mikroskopis memiliki entropi tinggi; oleh karena itu, entropi mengukur berapa banyak konfigurasi molekuler yang tidak dapat dibedakan yang sesuai dengan keadaan yang dapat diamati yang sama, itulah sebabnya penyebaran energi dan materi meningkatkannya.

Mengapa beberapa zat memiliki entropi bukan nol bahkan pada nol mutlak?

Jika suatu zat membeku menjadi lebih dari satu susunan yang hampir setara sebelum mencapai keadaan dasarnya yang sebenarnya, ketidakteraturan itu menjadi terkunci; entropi residual yang tersisa mencerminkan jumlah konfigurasi yang membeku, seperti pada karbon monoksida dan es.