Fisica: il terzo principio della termodinamica

Tramite: O2O 10/03/2018
Difficoltà: media
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Introduzione

In fisica, il terzo Principio della termodinamica, noto anche come principio di Nernst, correla la temperatura assoluta di un sistema all'entropia. La temperatura assoluta è espressa in Kelvin °K, da non confondersi coi gradi. L'entropia è una funzione di stato, e dal secondo principio della termodinamica sappiamo che, i sistemi isolati tendono al disordine e l'entropia è una misura di questo disordine, l'entropia di un sistema isolato è destinata ad aumentare nel corso dei cambiamenti spontanei. Allo zero assoluto, cioè zero Kelvin, la materia ordinata si trova al livello di minimo di energia.

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Equazione di Boltzmann

Per funzioni di stato termodinamiche come l'entalpia e l'energia interna, non abbiamo un valore assoluto. Per l'entropia come abbiamo già detto si ha un valore minimo zero, per un cristallo ideale e quindi una sua scala assoluta, sebbene ci sia da dire che un solido amorfo, ideale a zero Kelvin mantenga un'entropia elevata legata al suo intrinseco disordine. Infatti dando uno sguardo al mondo microscopico, possiamo capire il terzo principio tramite l'equazione di Boltzmann, S=K*lnW, dove si pone la correlazione fra entropia S e W che rappresenta il numero di stati che sono accessibili alle molecole; K che è la così detta costante di Boltzmann che si esprime come il rapporto tra la costante dei gas perfetti e la costante di Avogadro.

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Entropia

Questa legge asserisce che: "La variazione di entropia che accompagna qualsiasi trasformazione fisica tende a zero al tendere a zero della temperatura: S->0 per T->0, posto che tutte le sostanze interessate siano perfettamente ordinate." Questo vuol dire che ad una temperatura di 0 Kelvin, che non è fisicamente raggiungibile ma è solo uno stato limite, ogni energia associata all'agitazione termica si è annullata, e in un cristallo perfetto ideale gli atomi o gli ioni sono tutti organizzati secondo una disposizione regolare ed uniforme, ovverosia in molti casi possono avere un solo stato.

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Ordine e disordine

L'assenza di disordine spaziale e di agitazione termica lascia intuire che tali materiali ideali abbiano entropia nulla. In realtà la materia reale non può avere entropia pari a zero ma solo molto bassa, in condizioni di zero assoluto. La conclusione si accorda con l'interpretazione molecolare dell'entropia, perché S=0 se esiste un'unica maniera di disporre le particelle. Quindi possiamo riassumere così il terzo principio della termodinamica: "L'entropia di tutte le sostanze perfettamente cristalline a T = 0 è 0". Ricordando comunque che è solo un'affermazione idealizzata che non trova riscontro nella realtà fisica dell'universo conosciuto in cui non si tocca lo 0°K.

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Entropia minima

Quanto detto finora è corretto dal punti di vista teorico, ma non per forza l'entropia minima di un sistema è uguale a 0, anzi ci sono alcuni casi in cui, molecole anche a temperatura 0 K, hanno un numero di stati accessibili maggiore ad 1, in questi casi di parla di entropia residua, cioè il valore minimo di quel sistema al Temperatura 0 K, legato alla molteplicità dei modi possibili di disporsi di una molecola. Per comprendere meglio questa ultima definizione consideriamo il ghiaccio a 0 Kelvin, ci sono 6 disposizioni equivalenti di 4 atomi di idrogeno intorno all'ossigeno, quindi il valore minimo di W è 6 e l'entropia ha un valore residuo che dipende da W e quindi dal numero di stati possibili.

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