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Termodinámica.
Transformación de la energía

Energía térmica i combustión.
Efectos de la termodinámica 

Entropía

Tercera ley de la termodinámica

Tercera ley de la termodinámica

La tercera ley de la termodinámica afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas.

La tercera ley de la termodinámica también se puede definir como que al llegar al cero absoluto, 0 grados kelvin, cualquier proceso de un sistema físico se detiene y que al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y constante.

La tercera ley de la termodinámica, a veces llamada teorema de Nernst o Postulado de Nernst, relaciona la entropía y la temperatura de un sistema físico.

Este principio establece que la entropía de un sistema a la temperatura del cero absoluto es una constante bien definida. Esto se debe a que, a la temperatura del cero absoluto, un sistema se encuentra en un estado básico y los incrementos de entropía se consiguen por degeneración desde este estado básico.

El teorema de Nernst establece que la entropía de un cristal perfecto de un elemento cualquiera a la temperatura de cero absoluto es cero. Sin embargo, esta observación no tiene en cuenta que los cristales reales han se ser formados a temperaturas superiores a cero. En consecuencia, tendrán defectos que no serán eliminados al ser enfriados hasta el cero absoluto. Al no ser cristales perfectos, la información necesaria para describir los defectos existentes incrementará la entropía del cristal.

Teoremas y enunciados de la tercera ley de la termodinámica

Los teoremas y enunciados más importantes relacionados con la tercera ley de la termodinámica son:

  • Teorema de Nernst.
  • Enunciado de Nernst-Simon.
  • Enunciado de Planck.
  • Teorema de la inaccesibilidad del cero absoluto.
  • 4º Postulado de Callen.

Teorema de Nernst

El teorema de Nernst es una consecuencia del tercer principio de la termodinámica:

Una reacción química entre fases puras cristalinas que ocurre en el cero absoluto no produce ningún cambio de entropía. Dicho de otra forma: es imposible para cualquier proceso, sin importar cuán idealizado esté, reducir la entropía de un sistema a su valor de cero absoluto en un número finito de operaciones.

La tercera ley de la termodinámica nos permite encontrar el valor absoluto de la entropía, que no se puede hacer en el marco de la termodinámica clásica (basada en los principios primero y segundo de la termodinámica).

El teorema del calor de Nernst fue utilizado más tarde por un físico alemán Max Planck para definir la tercera ley de la termodinámica en términos de entropía y cero absoluto.

Enunciado de Nernst-Simon

El cambio de entropía que resulta de cualquier transformación isoterma reversible de un sistema tiende a cero según la temperatura se aproxima a cero.

Tercera ley de la termodinámica

Enunciado de Planck

En 1911, Max Planck formuló la tercera ley de la termodinámica como una condición para la desaparición de la entropía de todos los cuerpos a medida que la temperatura tiende a cero absoluto.

La formulación de Planck corresponde a la definición de entropía en física estadística a través de la probabilidad termodinámica.

Según Plank, para T→0, la entropía de cualquier sistema en equilibrio se aproxima a una constante que es independiente de las demás variables termodinámicas.

Teorema de la inaccesibilidad del cero absoluto

El teorema de la inaccesibilidad del cero absolutoindica que:

"No existe ningún proceso capaz de reducir la temperatura de un sistema al cero absluto en un número finito de pasos."

4º Postulado de Callen

El cuarto postulado de Callen afirma que:

La entropía de cualquier sistema se anula en el estado para el cual:

Tercera ley de la termodinámica

¿Cuáles son las consecuencias del tercer principio de la termodinámica?

La tercera ley implica las siguientes consecuencias:

  1. Imposibilidad de alcanzar temperaturas cero absoluto
  2. El comportamiento de los coeficientes termodinámicos

Imposibilidad de alcanzar temperaturas cero absoluto

De la tercera ley de la termodinámica se deduce que no se puede lograr un cero absoluto de temperatura en ningún proceso final asociado con un cambio en la entropía. Solo se puede abordar asintóticamente.

Por lo tanto, la tercera ley de la termodinámica a veces se formula como el principio de la imposibilidad de alcanzar un cero absoluto de temperatura.

El comportamiento de los coeficientes termodinámicos

Una serie de consecuencias termodinámicas se derivan de la tercera ley de la termodinámica: cuando T -> 0, también debe tender a cero:

  1. la capacidad calorífica a presión constante y a un volumen constante
  2. coeficientes de expansión térmica y algunos valores similares.

La validez de la tercera ley de la termodinámica se cuestionó en un momento, pero más tarde se descubrió que todas las contradicciones aparentes (el valor no nulo de la entropía en una serie de sustancias en T = 0) están asociados con estados metaestables de la materia que no pueden considerarse equilibrio termodinámicamente.

Referencias

Autor:

Fecha publicación: 17 de agosto de 2016
Última revisión: 8 de abril de 2020