Las leyes de la termodinámica ayudan a los científicos a comprender los sistemas termodinámicos. La tercera ley define el cero absoluto y ayuda a explicar que la entropía o desorden del universo se dirige hacia un valor constante distinto de cero.
Entropía de un sistema y La segunda ley de la termodinámica

La entropía es a menudo se describe en palabras como una medida de la cantidad de desorden en un sistema. Esta definición fue propuesta por primera vez por Ludwig Boltzmann en 1877. Definió la entropía matemáticamente de esta manera:

S \u003d k × ln (Y)

En esta ecuación, Y
es la cantidad de microestados en el sistema (o la cantidad de formas en que se puede ordenar el sistema), k
es la constante de Boltzmann (que se encuentra dividiendo la constante de gas ideal por la constante de Avogadro: 1.380649 × 10 ^{−23 J /K) y ln
es el logaritmo natural (un logaritmo a la base e
).}

Dos grandes ideas demostradas con esta fórmula son:

1. La entropía puede considerarse en términos de calor, específicamente como la cantidad de energía térmica en un sistema cerrado, que no está disponible para realizar un trabajo útil.
   
2. Cuantos más microestados, o formas de ordenar un sistema, cuanto más entropía tenga el sistema.
   
   

   Además, el cambio en la entropía de un sistema a medida que se mueve de un macroestado a otro se puede describir como:
   

   donde T
   es la temperatura y Q
   es el intercambio de calor ed en un proceso reversible a medida que el sistema se mueve entre dos estados.
   

   La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía total del universo o un sistema aislado nunca disminuye. En termodinámica, un sistema aislado es aquel en el que ni el calor ni la materia pueden entrar o salir de los límites del sistema. En otras palabras, en cualquier sistema aislado (incluido el universo), el cambio de entropía siempre es cero o positivo. Lo que esto significa esencialmente es que los procesos aleatorios tienden a generar más desorden que el orden.
   

   Un énfasis importante recae en que tienden a
   parte de esa descripción. Los procesos aleatorios podrían conducir a más orden que desorden sin violar las leyes naturales, pero es mucho menos probable que suceda.
   

   Eventualmente, el cambio en la entropía para el universo en general será igual a cero. En ese punto, el universo habrá alcanzado el equilibrio térmico, con toda la energía en forma de energía térmica a la misma temperatura distinta de cero. Esto a menudo se conoce como la muerte por calor del universo.
   Absolute Zero Kelvin
   

   La mayoría de las personas en todo el mundo discuten la temperatura en grados Celsius, mientras que algunos países usan la escala Fahrenheit. Sin embargo, los científicos de todas partes usan Kelvin como su unidad fundamental de medición de temperatura absoluta.
   

   Esta escala se construye sobre una base física particular: Kelvin cero absoluto es la temperatura a la que cesa todo movimiento molecular. Como el calor es un movimiento molecular en el sentido más simple, sin movimiento significa que no hay calor. Sin calor significa una temperatura de cero Kelvin.
   

   Tenga en cuenta que esto es diferente de un punto de congelación, como cero grados Celsius: las moléculas de hielo todavía tienen pequeños movimientos internos asociados con ellos, también conocido como calor. Sin embargo, los cambios de fase entre sólido, líquido y gas conducen a cambios masivos en la entropía, ya que las posibilidades de diferentes organizaciones moleculares, o microestados, de una sustancia aumentan o disminuyen repentina y rápidamente con la temperatura.
   La Tercera Ley de Termodinámica
   

   La tercera ley de la termodinámica establece que a medida que la temperatura se aproxima al cero absoluto en un sistema, la entropía absoluta del sistema se acerca a un valor constante. Esto fue cierto en el último ejemplo, donde el sistema era todo el universo. También es cierto para sistemas cerrados más pequeños: continuar enfriando un bloque de hielo a temperaturas cada vez más frías y reducirá la velocidad de sus movimientos moleculares internos cada vez más hasta que alcancen el estado menos desordenado que es físicamente posible, lo que puede describirse usando una constante valor de entropía.
   

   La mayoría de los cálculos de entropía se ocupan de las diferencias de entropía entre sistemas o estados de sistemas. La diferencia en esta tercera ley de la termodinámica es que conduce a valores bien definidos de la entropía como valores en la escala de Kelvin.
   Sustancias cristalinas
   

   Para quedar perfectamente inmóviles, las moléculas también deben estar en su punto más disposición cristalina ordenada estable, por lo que el cero absoluto también se asocia con cristales perfectos. Tal red de átomos con un solo microestado no es posible en realidad, pero estas concepciones ideales apuntalan la tercera ley de la termodinámica y sus consecuencias.
   

   Un cristal que no está perfectamente organizado tendría algún desorden inherente (entropía) en su estructura Debido a que la entropía también se puede describir como energía térmica, esto significa que tendría algo de energía en forma de calor, por lo tanto, decididamente no
   cero absoluto.
   

   Aunque los cristales perfectos no existen en la naturaleza , un análisis de cómo cambia la entropía a medida que se acerca una organización molecular revela varias conclusiones:
   
   

3. Cuanto más compleja es una sustancia, digamos C _{12H 22O 11 vs. H < sub> 2: cuanta más entropía tenga, ya que el número de microestados posibles aumenta con la complejidad.}
   
4. Las sustancias con estructuras moleculares similares tienen entropías similares.
   
5. Estructuras con menor, menor Los átomos energéticos y los enlaces más direccionales, como los enlaces de hidrógeno, tienen menos entropía, ya que tienen estructuras más rígidas y ordenadas.
   
   
   Consecuencias de la Tercera Ley de Termodinámica
   

   Si bien los científicos nunca han podido alcanzar el cero absoluto en los entornos de laboratorio, se acercan cada vez más. Esto tiene sentido porque la tercera ley sugiere un límite al valor de entropía para diferentes sistemas, al que se acercan a medida que baja la temperatura.
   

   Lo más importante, la tercera ley describe una verdad importante de la naturaleza: cualquier sustancia a una temperatura mayor que el cero absoluto (por lo tanto, cualquier sustancia conocida) debe tener una cantidad positiva de entropía. Además, dado que define el cero absoluto como punto de referencia, podemos cuantificar la cantidad relativa de energía de cualquier sustancia a cualquier temperatura.
   

   Esta es una diferencia clave de otras mediciones termodinámicas, como la energía o la entalpía. , para el que no hay un punto de referencia absoluto. Esos valores solo tienen sentido en relación con otros valores.
   

   Al reunir las leyes segunda y tercera de la termodinámica, se llega a la conclusión de que, eventualmente, a medida que toda la energía en el universo se convierta en calor, alcanzará una temperatura constante. Llamado equilibrio térmico, este estado del universo no cambia, pero a una temperatura más alta que el cero absoluto.
   

   La tercera ley también respalda las implicaciones de la primera ley de la termodinámica. Esta ley establece que el cambio en la energía interna de un sistema es igual a la diferencia entre el calor agregado al sistema y el trabajo realizado por el sistema:
   

   ΔU \u003d Q - W
   

   Donde U
   es energía_, Q_ es calor y W
   es trabajo, todo típicamente medido en julios, Btus o calorías).
   

   Esta fórmula muestra que más calor en un sistema significa que tendrá más energía. Eso a su vez necesariamente significa más entropía. Piense en un cristal perfecto en cero absoluto: agregar calor introduce algo de movimiento molecular, y la estructura ya no está perfectamente ordenada; tiene algo de entropía.