กฎข้อที่สามและศูนย์สัมบูรณ์

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์อธิบายว่าเอนโทรปีมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าศูนย์สัมบูรณ์ไม่สามารถเข้าถึงได้ในจำนวนขั้นตอนที่จำกัด

Definition

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเมื่ออุณหภูมิของระบบเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ เอนโทรปีของระบบจะเข้าใกล้ค่าต่ำสุดคงที่ ซึ่งเป็นศูนย์สำหรับสารผลึกสมบูรณ์ และศูนย์สัมบูรณ์ไม่สามารถเข้าถึงได้ในลำดับกระบวนการที่จำกัด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมทฤษฎีบทความร้อนของเนิร์นสต์และข้อความของพลังค์เกี่ยวกับกฎข้อที่สาม การหายไปของความแตกต่างของเอนโทรปีและของเอนโทรปีเองสำหรับผลึกสมบูรณ์ที่ศูนย์สัมบูรณ์ การไม่สามารถเข้าถึงศูนย์สัมบูรณ์ได้ และผลที่ตามมา เช่น การหายไปของความจุความร้อนและสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเมื่ออุณหภูมิลดลง นอกจากนี้ยังกล่าวถึงเอนโทรปีตกค้างและบทบาทของการเสื่อมสภาพของสถานะพื้นฐานเชิงควอนตัม

Core questions

• ทฤษฎีบทความร้อนของเนิร์นสต์ยืนยันอะไรเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีใกล้ศูนย์สัมบูรณ์?
• เหตุใดเอนโทรปีของผลึกสมบูรณ์จึงมีแนวโน้มเป็นศูนย์ที่ศูนย์สัมบูรณ์?
• เหตุใดศูนย์สัมบูรณ์จึงไม่สามารถเข้าถึงได้ในจำนวนขั้นตอนที่จำกัด?
• ความจุความร้อนและฟังก์ชันการตอบสนองอื่น ๆ มีพฤติกรรมอย่างไรเมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์?

Key concepts

• ทฤษฎีบทความร้อนของเนิร์นสต์
• ข้อความของพลังค์และเอนโทรปีเป็นศูนย์ของผลึกสมบูรณ์
• การไม่สามารถเข้าถึงศูนย์สัมบูรณ์
• เอนโทรปีตกค้างและการเสื่อมสภาพของสถานะพื้นฐาน
• การหายไปของความจุความร้อนที่อุณหภูมิต่ำ

Key theories

ทฤษฎีบทความร้อนของเนิร์นสต์

เมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของกระบวนการผันกลับได้แบบไอโซเทอร์มอลใดๆ จะมีแนวโน้มเป็นศูนย์ ดังนั้นความแตกต่างของเอนโทรปีระหว่างสถานะต่างๆ จะหายไปในขีดจำกัดอุณหภูมิต่ำ

Clinical relevance

กฎข้อที่สามควบคุมวิชาการแช่แข็ง (cryogenics) และฟิสิกส์อุณหภูมิต่ำ จำกัดเทคนิคการทำความเย็น เช่น การลดอุณหภูมิด้วยการลดสนามแม่เหล็กแบบอะเดียแบติก (adiabatic demagnetization) และเชื่อมโยงเอนโทรปีระดับมหภาคเข้ากับสถานะพื้นฐานเชิงกลศาสตร์ควอนตัมของสสาร

History

วัลเทอร์ เนิร์นสต์ (Walther Nernst) ได้นำเสนอทฤษฎีบทความร้อนของเขาในปี 1906 เพื่อคำนวณสมดุลทางเคมีจากข้อมูลความร้อน ต่อมาพลังค์ (Planck) และไอน์สไตน์ (Einstein) ได้ปรับปรุงให้คมชัดขึ้น และการพัฒนาสถิติควอนตัมได้ให้คำอธิบายระดับจุลภาคเกี่ยวกับการหายไปของเอนโทรปีที่ศูนย์สัมบูรณ์

Key figures

• Walther Nernst
• Max Planck

Seminal works

• nernst1906
• callen1985

Frequently asked questions

เหตุใดศูนย์สัมบูรณ์จึงไม่สามารถเข้าถึงได้?

แต่ละขั้นตอนการทำความเย็นจะกำจัดเศษส่วนที่น้อยลงของเอนโทรปีที่เหลืออยู่เมื่ออุณหภูมิลดลง ดังนั้นการเข้าถึงเอนโทรปีเป็นศูนย์และอุณหภูมิเป็นศูนย์อย่างแท้จริงจะต้องใช้ขั้นตอนจำนวนอนันต์ ซึ่งกฎข้อที่สามทำให้เป็นไปไม่ได้ในเวลาที่จำกัด