热力学第三定律与绝对零度

热力学第三定律描述了当温度趋近绝对零度时熵的行为，这意味着绝对零度无法通过有限步骤达到。

Definition

热力学第三定律指出，当一个系统的温度趋近绝对零度时，其熵趋近一个恒定的最小值，对于完美晶体物质而言，这个最小值为零，并且绝对零度无法通过有限过程序列达到。

Scope

本主题涵盖了能斯特热定理和普朗克对第三定律的阐述，完美晶体在绝对零度下熵差和熵本身的消失，绝对零度的不可达性，以及随着温度下降热容和热膨胀系数消失等后果。同时提及了残余熵和量子基态简并度的作用。

Core questions

• 能斯特热定理对接近绝对零度时的熵变有何论断？
• 为什么完美晶体的熵在绝对零度时趋于零？
• 为什么绝对零度无法通过有限步骤达到？
• 当温度趋近零时，热容和其他响应函数如何表现？

Key concepts

• 能斯特热定理
• 普朗克表述和完美晶体的零熵
• 绝对零度的不可达性
• 残余熵和基态简并度
• 低温下热容的消失

Key theories

能斯特热定理

当温度趋近绝对零度时，任何等温可逆过程的熵变趋于零，因此在低温极限下，状态之间的熵差消失。

Clinical relevance

第三定律支配着低温学和低温物理学，限制了绝热去磁等冷却技术，并将宏观熵与物质的量子力学基态联系起来。

History

瓦尔特·能斯特于1906年提出了他的热定理，用于从热数据计算化学平衡；普朗克和爱因斯坦后来对其进行了完善，量子统计学的发展为绝对零度下熵的消失提供了微观解释。

Key figures

• Walther Nernst
• Max Planck

Seminal works

• nernst1906
• callen1985

Frequently asked questions

为什么绝对零度永远无法达到？

随着温度下降，每一步冷却所去除的剩余熵的比例越来越小，因此要达到精确的零熵和零温度将需要无限多的步骤，第三定律表明这在有限时间内是不可能的。