As leis da termodinâmica ajudam os cientistas a entender os sistemas termodinâmicos. A terceira lei define o zero absoluto e ajuda a explicar que a entropia, ou desordem, do universo está caminhando para um valor constante e diferente de zero.
Entropia de um sistema e A segunda lei da termodinâmica

A entropia é frequentemente descrito em palavras como uma medida da quantidade de desordem em um sistema. Essa definição foi proposta por Ludwig Boltzmann em 1877. Ele definiu a entropia matematicamente da seguinte forma:

S \u003d k × ln (Y)

Nesta equação, Y
é o número de microestados no sistema (ou o número de maneiras pelas quais o sistema pode ser pedido), k
é a constante de Boltzmann (que é encontrada dividindo a constante de gás ideal pela constante de Avogadro: 1,380649 × 10 ^{−23 J /K) e ln
é o logaritmo natural (um logaritmo para a base e
).}

Duas grandes idéias demonstradas com esta fórmula são:

1. A entropia pode ser pensada em termos de calor, especificamente como a quantidade de energia térmica em um sistema fechado, que não está disponível para realizar um trabalho útil.
   
2. Quanto mais microestados, ou maneiras de ordenar um sistema, mais entropia o sistema possui.
   
   

   Além disso, a alteração na entropia de um sistema à medida que ele se move de um macroestado para outro pode ser descrita como:
   

   onde T
   é a temperatura e Q
   é o trocador de calor em um processo reversível à medida que o sistema se move entre dois estados.
   A segunda lei da termodinâmica declara que a entropia total do universo ou de um sistema isolado nunca diminui. Na termodinâmica, um sistema isolado é aquele em que nem o calor nem a matéria podem entrar ou sair dos limites do sistema. Por outras palavras, em qualquer sistema isolado (incluindo o universo), a alteração da entropia é sempre zero ou positiva. O que isso significa essencialmente é que processos aleatórios tendem a levar a mais desordem do que ordem.
   

   Uma ênfase importante cai sobre tende a fazer parte dessa descrição. Processos aleatórios podem levar a mais ordem do que desordem sem violar as leis naturais, mas é muito menos provável que isso aconteça.
   

   Eventualmente, a mudança na entropia para o universo em geral será igual a zero. Nesse ponto, o universo terá atingido o equilíbrio térmico, com toda a energia na forma de energia térmica na mesma temperatura diferente de zero. Isso costuma ser chamado de morte por calor do universo.
   Kelvin zero absoluto
   

   A maioria das pessoas ao redor do mundo discute a temperatura em graus Celsius, enquanto alguns países usam a escala de Fahrenheit. Porém, os cientistas de toda parte usam Kelvins como sua unidade fundamental de medição da temperatura absoluta.
   

   Essa escala é construída com base em uma base física específica: zero absoluto Kelvin é a temperatura na qual todo movimento molecular cessa. Como o calor é um movimento molecular no sentido mais simples, nenhum movimento significa nenhum calor. Nenhum calor significa uma temperatura de zero Kelvin.
   

   Observe que isso é diferente de um ponto de congelamento, como zero graus Celsius - as moléculas de gelo ainda têm pequenos movimentos internos associados a eles, também conhecido como calor. As mudanças de fase entre sólido, líquido e gás, no entanto, levam a mudanças maciças na entropia, pois as possibilidades de diferentes organizações moleculares, ou microestados, de uma substância de maneira repentina e rápida aumentam ou diminuem com a temperatura.
   A Terceira Lei da Termodinâmica
   

   A terceira lei da termodinâmica afirma que, à medida que a temperatura se aproxima do zero absoluto em um sistema, a entropia absoluta do sistema se aproxima de um valor constante. Isso foi verdade no último exemplo, onde o sistema era o universo inteiro. Também é verdade para sistemas fechados menores - continuar resfriando um bloco de gelo para temperaturas cada vez mais frias desacelerará cada vez mais seus movimentos moleculares internos até atingirem o estado menos desordenado fisicamente possível, que pode ser descrito usando uma constante valor da entropia.
   

   A maioria dos cálculos de entropia trata de diferenças de entropia entre sistemas ou estados de sistemas. A diferença nesta terceira lei da termodinâmica é que ela leva a valores bem definidos da própria entropia como valores na escala de Kelvin.
   Substâncias cristalinas
   Para tornar-se perfeitamente imóvel, as moléculas também devem estar no seu melhor arranjo cristalino estável e ordenado, razão pela qual o zero absoluto também está associado a cristais perfeitos. Tal rede de átomos com apenas um microestado não é possível na realidade, mas essas concepções ideais sustentam a terceira lei da termodinâmica e suas conseqüências.
   

   Um cristal que não está perfeitamente organizado teria algum distúrbio inerente (entropia) em sua estrutura. Como a entropia também pode ser descrita como energia térmica, isso significa que ela teria um pouco de energia na forma de calor - portanto, decididamente não é o zero absoluto.
   

   Embora os cristais perfeitos não existam na natureza , uma análise de como a entropia muda à medida que uma organização molecular se aproxima revela uma série de conclusões:
   
   

3. Quanto mais complexa é a substância - digamos C <12> 12H <22> 11 vs. H < sub> 2 - quanto mais entropia ele tiver, à medida que o número possível de microestados aumenta com a complexidade.
   
4. Substâncias com estruturas moleculares semelhantes têm entropias semelhantes.
   
5. Estruturas com menor e menor átomos energéticos e ligações mais direcionais, como ligações de hidrogênio, têm menos em entropia, pois possuem estruturas mais rígidas e ordenadas.
   
   
   Consequências da Terceira Lei da Termodinâmica
   

   Mais importante, a terceira lei descreve uma verdade importante da natureza: qualquer substância a uma temperatura maior que zero absoluto (portanto, qualquer substância conhecida) deve ter uma quantidade positiva de entropia. Além disso, como define o zero absoluto como ponto de referência, somos capazes de quantificar a quantidade relativa de energia de qualquer substância a qualquer temperatura.
   

   Essa é a principal diferença de outras medições termodinâmicas, como energia ou entalpia. , para o qual não há ponto de referência absoluto. Esses valores fazem sentido apenas em relação a outros valores.
   

   A reunião da segunda e terceira leis da termodinâmica leva à conclusão de que, eventualmente, quando toda a energia do universo se transformar em calor, ela atingirá uma temperatura constante. Chamado de equilíbrio térmico, esse estado do universo é imutável, mas a uma temperatura mais alta que o zero absoluto.
   A terceira lei também apóia implicações da primeira lei da termodinâmica. Esta lei estabelece que a mudança na energia interna de um sistema é igual à diferença entre o calor adicionado ao sistema e o trabalho realizado pelo sistema:
   

   ΔU \u003d Q - W
   

   Onde U é energia_, Q_ é calor e W é trabalho, todos medidos em joules, Btus ou calorias).
   

   Essa fórmula mostra que mais calor em um sistema significa que terá mais energia. Isso, por sua vez, significa necessariamente mais entropia. Pense em um cristal perfeito com zero absoluto - a adição de calor introduz algum movimento molecular, e a estrutura não é mais perfeitamente ordenada; tem alguma entropia.