El tercer principio de termodinámica, más adecuadamente postulado de Nernst, afirma que no se puede alcanzar el cero absoluto en un número finito de etapas. Sucintamente, puede definirse como:
· Al llegar al cero absoluto, 0 K, cualquier proceso de un sistema físico se detiene.
· Al llegar al cero absoluto la entropía alcanza un valor mínimo y acelerado.
Algunas fuentes se refieren incorrectamente al postulado de Nernst como «la tercera de las leyes de la termodinámica».
Es importante reconocer que no es una noción exigida por la termodinámica clásica por lo que resulta inapropiado tratarlo de «ley», siendo incluso inconsistente con la física estadística clásica y necesitando el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente.
La mayor parte de la termodinámica no requiere la utilización de este postulado
El postulado de Nernst, llamado así por ser propuesto por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos.
Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto.
El 14 de marzo de 2017, se publicó en la revista Nature la demostración matemática a cargo de los físicos Lluís Masanes y Jonathan Oppenheim,
Este tercer principio fue desarrollada por el químico Walter Nernst durante los años 1906-1912, por lo que se refiere a menudo como el teorema de Nernst o postulado de Nernst.
Postula que la entropía de un sistema en el cero absoluto es una constante definida.
Esto se debe a que un sistema a temperatura cero existe en su estado fundamental, por lo que su entropía está determinada solo por la degeneración del estado fundamental .
En 1912 Nernst estableció su principio así:
«Es imposible por cualquier procedimiento alcanzar la isoterma en un número finito de pasos».
Una versión alternativa del postulado establece:
Si la entropía de cada elemento en algún estado cristalino (perfecto) se tomase como cero en el cero absoluto de temperatura, cada sustancia tiene una entropía finita y positiva, pero en el cero absoluto de temperatura la entropía puede llegar a ser cero y eso lo convierte en el caso de una sustancia cristalina perfecta.
Si la entropía de cada elemento en algún estado cristalino (perfecto) se toma como cero en el cero absoluto de temperatura, cada sustancia tiene una entropía positiva finita; pero en el cero absoluto de temperatura la entropía puede llegar a ser cero, y así ocurre en el caso de las sustancias cristalinas perfectas.
Esta versión manifiesta no solo que ΔS llegará a cero en el 0 K, sino que S mismo también llegará a cero siempre que el cristal tenga un estado fundamental con una sola configuración. Algunos sistemas que poseen varios estados con la misma energía mínima mantienen una entropía positiva incluso en el cero absoluto.
Esta entropía residual desaparece cuando se superan las barreras cinéticas a la transición a un estado fundamental.
Con el desarrollo de la física estadística, la tercera ley de la termodinámica (como las otras leyes) pasó de ser una ley fundamental (justificada por experimentos) a una ley derivada (derivada de leyes aún más básicas).
La ley básica de la que deriva principalmente es la definición estadístico-mecánica de la entropía de un sistema grande:
donde:
· S es la entropía,
· kB es la constante de Boltzmann, y
· es el número de microestados consistentes con la configuración macroscópica.
El recuento de estados es desde el estado de referencia del cero absoluto, que corresponde a la entropía de S0.
El 14 de marzo de 2017, se publicó en la revista Nature la demostración matemática a cargo de los físicos Lluís Masanes y Jonathan Oppenheim,
En términos simples, el tercer principio[4] indica que la entropía de una sustancia pura y cristalina en el cero absoluto es nula.
Por consiguiente, el tercer principio provee de un punto de referencia absoluto para la determinación de la entropía.
La entropía relativa a este punto es la entropía absoluta.
Un caso especial se produce en los sistemas con un único estado fundamental, como una estructura cristalina.
La entropía de un cristal perfecto definida por el teorema de Nernst es cero (dado que el ).
Sin embargo, esto desestima el hecho de que los cristales reales deben crecer en una temperatura finita y poseer una concentración de equilibrio por defecto.
Cuando se enfrían generalmente son incapaces de alcanzar la perfección completa.
Esto, por supuesto, se mantiene en la línea de que la entropía tiende siempre a aumentar dado que ningún proceso real es reversible.
Otra aplicación del tercer principio es con respecto al momento magnético de un material.
Los metales paramagnéticos (con un momento aleatorio) se ordenarán a medida que la temperatura se acerque a 0 K.
Se podrían ordenar de manera ferromagnética (todos los momentos paralelos los unos a los otros) o de manera anti ferro magnética.
En español (como en francés), a diferencia del inglés —por ejemplo, Third law of thermodynamics—, se usa la palabra «principio» para designar leyes naturales que no pueden demostrarse explícitamente, sin embargo se pueden medir y cuantificar observando los resultados que producen.
Es imposible que cualquier procedimiento conduzca a la isoterma T = 0 en un número finito de pasos». Bailyn, M. (1994).
Un estudio de la Termodinámica , Kozliak, Evguenii; Lambert, Frank L. (2008).
«Entropía Residual, la Tercera Ley y Calor Latente».
En termodinámica clásica, es incorrecta la utilización de la palabra «ley» cuando se hace referencia al Postulado de Nernst, pues se necesita el establecimiento previo de la estadística cuántica para ser valorado adecuadamente [Callen1985]
· Una derivación general y cuantificación de la tercera ley de la termodinámica .
Entalpía
Te explicamos qué es la entalpía, los tipos que existen según los fenómenos químicos y físicos, y su diferencia con la entropía.
La entalpía es la cantidad de energía que se pone en juego en procesos a presión constante.
¿Qué es la entalpía?
La entalpía es la cantidad de energía que un sistema termodinámico intercambia con su medio ambiente en condiciones de presión constante, es decir, la cantidad de energía que el sistema absorbe o libera a su entorno en procesos en los que la presión no cambia. En física y química, se suele representar esta magnitud con la letra H y se la mide en julios
Teniendo en cuenta que todo objeto puede comprenderse como un sistema termodinámico, la entalpía hace referencia a la cantidad de calor que se pone en juego en condiciones de presión constante, dependiendo de si el sistema recibe o aporta energía.
De acuerdo a esto, todo proceso o transformación puede clasificarse en dos tipos:
· Endotérmicos. Aquellos que consumen calor o energía del medio ambiente.
· Exotérmicos. Aquellos que liberan calor o energía hacia el medio ambiente.
Dependiendo del tipo de materia que intervenga en el sistema (por ejemplo, sustancias químicas en una reacción), el grado de entalpía será distinto.
El físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, descubridor de la superconductividad y ganador del Premio Nobel de Física en 1913, fue el primero en utilizar este término.
Tipos de entalpía La entalpía de combustión es la energía liberada o absorbida al quemar 1 mol de sustancia.
Se puede clasificar a los distintos tipos de entalpía según:
· Entalpía en fenómenos químicos:
· Entalpía de formación.
· Es la cantidad de energía necesaria para formar un mol de un compuesto a partir de sus elementos constitutivos en condiciones de presión y temperatura estándares, es decir, 1 atmósfera y 25º C.
· Entalpía de descomposición.
· A la inversa, es la cantidad de energía absorbida o liberada cuando una sustancia compleja deviene en sustancias más simples.
· Entalpía de combustión.
· Es la energía liberada o absorbida por la quema de 1 mol de sustancia, siempre en presencia de oxígeno gaseoso.
· Entalpía de neutralización. Implica la energía liberada o absorbida siempre que una solución ácida y una básica se mezclen, es decir, cuando bases y ácidos se neutralicen recíprocamente.
· Entalpía en fenómenos físicos:
· Entalpía de cambio de fase. Implica la absorción o liberación de energía cuando 1 mol de sustancia pasa de un estado de agregación a otro, es decir, de gas a sólido o a líquido, etc.
· Se subdivide en: entalpía de vaporización, entalpía de solidificación y entalpía de fusión.
· Entalpía de disolución.
· Es la propia de la mezcla de un soluto y un solvente, comprensible en dos fases: reticular (absorbe energía) y de hidratación (libera energía).
Cabe remarcar que todos los procesos que se describen son a presión constante.
Entalpía y entropía
Los conceptos de entalpía y entropía (que es el grado o tendencia de desorden de los sistemas) están relacionados a partir del Segundo Principio de la Termodinámica, que afirma que todo sistema en equilibrio se encuentra en su punto de entropía máxima.
Ese principio se traduce en el Principio de la Mínima Entalpía, que dice que ningún equilibrio puede conseguirse mientras el intercambio de energía con el sistema sea abundante o supere ciertos límites; el equilibrio debe ser el estado de menor intercambio posible, es decir, de menor entalpía registrable.
Esto significa que la entropía y la entalpía son inversamente proporcionales: en el punto máximo de entropía, la entalpía será mínima, y viceversa.
NO SE DEBE SER DÉBIL, SI SE QUIERE BRE SER LIBRE