Fisica: il terzo principio della termodinamica

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.

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.

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.

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.

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.

• terzo principio della termodinamica

• Come calcolare il flusso di entropia