กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์เกี่ยวข้องกับพฤติกรรมของระบบเนื่องจากอุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ มันเกี่ยวข้องกับความร้อนและเอนโทรปีที่อุณหภูมิต่ำสุดนี้สำหรับผลึกซึ่งอ้างถึงวัสดุที่เป็นของแข็งใด ๆ ที่ประกอบด้วยอะตอมที่จัดเรียงในรูปแบบที่แน่นอนและสมมาตรตามบริแทนนิก้า- กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ระบุว่า "เอนโทรปีของผลึกที่สมบูรณ์แบบเป็นศูนย์เมื่ออุณหภูมิของคริสตัลเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์ (0 K)" ตามมหาวิทยาลัยเพอร์ดู"คริสตัลจะต้องสมบูรณ์แบบมิฉะนั้นจะมีความผิดปกติบางอย่างโดยธรรมชาติมันจะต้องอยู่ที่ 0 k; มิฉะนั้นจะมีการเคลื่อนไหวทางความร้อนภายในคริสตัลซึ่งนำไปสู่ความผิดปกติ"
Siabal Mitra ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ Missouri State University ให้ความหมายอีกประการหนึ่งของกฎหมายนี้
"กฎหมายฉบับที่สามหนึ่งฉบับระบุว่าจะต้องมีขั้นตอนที่ไม่มีที่สิ้นสุดในการเข้าถึงศูนย์สัมบูรณ์ซึ่งหมายความว่าคุณจะไม่ไปถึงที่นั่น" Mitra บอกกับ Live Science หากคุณสามารถเข้าถึง Absolute Zero ได้มันจะละเมิดกฎข้อที่สองเพราะถ้าคุณมีอ่างล้างจานที่ศูนย์แน่นอนคุณสามารถสร้างเครื่องที่มีประสิทธิภาพ 100% "
ในทางทฤษฎีมันเป็นไปได้ที่จะเติบโตคริสตัลที่สมบูรณ์แบบซึ่งพื้นที่ขัดแตะทั้งหมดถูกครอบครองโดยเหมือนกันอะตอม- อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้วเชื่อว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุอุณหภูมิของศูนย์สัมบูรณ์ ดังนั้นสสารทั้งหมดจึงมีอย่างน้อยบางอย่างเอนโทรปีเนื่องจากมีพลังงานความร้อนอยู่บ้าง
ประวัติความเป็นมาของกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ได้รับการกำหนดโดยนักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันเป็นครั้งแรกWalther Nernstในปี 1906 ตามบริแทนนิก้า- ในหนังสือของเขา "การสำรวจเทอร์โมไดนามิกส์" (American Institute of Physics, 1994), Martin Bailyn อ้างคำแถลงของกฎหมายที่สามของ Nernst ว่า "เป็นไปไม่ได้ที่กระบวนการใด ๆ ที่จะนำไปสู่ isothermT= 0 ในจำนวนขั้นตอนที่ จำกัด "สิ่งนี้จะสร้างอุณหภูมิของศูนย์สัมบูรณ์ว่าไม่สามารถบรรลุได้ในลักษณะเดียวกับความเร็วของแสงCในสุญญากาศไม่สามารถเกินได้ รัฐทฤษฎีและการทดลองแสดงให้เห็นว่าไม่ว่าจะมีอะไรเร็วแค่ไหนก็สามารถทำได้เร็วขึ้น แต่ก็ไม่สามารถเข้าถึงได้ความเร็วของแสง, ตามMorningside University- ในทำนองเดียวกันไม่ว่าระบบจะเย็นแค่ไหนมันสามารถทำให้เย็นลงได้เสมอ แต่ก็ไม่สามารถเข้าถึงศูนย์ได้อย่างแน่นอน
ในหนังสือของเธอ "The Story of Physics" (Arcturus, 2012), Anne Rooney เขียนว่า "กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ต้องการแนวคิดของอุณหภูมิต่ำสุดต่ำกว่าซึ่งไม่มีอุณหภูมิที่ไม่สามารถลดลงได้ เธอกล่าวต่อว่า "โรเบิร์ตบอยล์พูดถึงแนวคิดของอุณหภูมิขั้นต่ำที่เป็นไปได้ในปี ค.ศ. 1665 เป็นครั้งแรกใน 'การทดลองและการสังเกตใหม่ที่สัมผัสกับความเย็น'[Crook Publishing] ซึ่งเขาอ้างถึงความคิดว่าเป็นความหนาวครั้งแรก-
เชื่อกันว่าศูนย์แน่นอนได้รับการคำนวณเป็นครั้งแรกด้วยความแม่นยำที่สมเหตุสมผลในปี ค.ศ. 1779 โดยโยฮันน์เฮนริชแลมเบิร์ตตามJaime Wisniak จาก Ben-Gurion University of the Netev ในอิสราเอล- แลมเบิร์ตใช้การคำนวณนี้เกี่ยวกับความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างความดันและอุณหภูมิของก๊าซ เมื่อแก๊สถูกทำให้ร้อนในพื้นที่ จำกัด แรงดันเพิ่มขึ้น นี่เป็นเพราะอุณหภูมิของก๊าซเป็นการวัดความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลในก๊าซ ยิ่งร้อนแรงมากเท่าไหร่โมเลกุลก็จะเคลื่อนไหวได้เร็วขึ้นและความดันที่พวกเขาออกแรงมากขึ้นเมื่อพวกเขาชนกับผนังของภาชนะ มันสมเหตุสมผลสำหรับแลมเบิร์ตที่จะสมมติว่าหากอุณหภูมิของก๊าซสามารถนำไปสู่ศูนย์สัมบูรณ์การเคลื่อนที่ของโมเลกุลของก๊าซอาจถูกนำไปหยุดอย่างสมบูรณ์เพื่อให้พวกเขาไม่สามารถออกแรงกดดันใด ๆ บนผนังของห้อง
หากมีใครพล็อตความสัมพันธ์ความดันอุณหภูมิของก๊าซบนกราฟที่มีอุณหภูมิบนx(แนวนอน) แกนและความดันบนy(แนวตั้ง) แกนจุดจะก่อตัวเป็นเส้นตรงที่ลาดขึ้นไปข้างบนความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างอุณหภูมิและความดันตามมหาวิทยาลัยรัฐฟลอริดา- มันควรจะค่อนข้างง่ายดังนั้นเพื่อขยายเส้นไปข้างหลังและอ่านอุณหภูมิที่เส้นข้ามxแกนคือที่ไหนy= 0 แสดงถึงความดันเป็นศูนย์ การใช้เทคนิคนี้แลมเบิร์ตคำนวณค่าสัมบูรณ์เป็นค่าลบ 270 องศาเซลเซียส (ลบ 454 ฟาเรนไฮต์) ซึ่งใกล้เคียงกับมูลค่าที่ได้รับการยอมรับในปัจจุบันของลบ 273.15 C (ลบ 459.67 F)บริแทนนิก้า-
ระดับอุณหภูมิเคลวิน
บุคคลที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดของ Absolute Zero มากที่สุดคือWilliam Thomson, 1 Baron Kelvin- หน่วยอุณหภูมิที่มีชื่อของเขา Kelvin (K) เป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ใช้กันมากที่สุดทั่วโลก การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในระดับเคลวินมีขนาดเท่ากับในระดับเซลเซียส แต่เนื่องจากมันเริ่มต้นที่ศูนย์สัมบูรณ์มากกว่าจุดแช่แข็งของน้ำจึงสามารถใช้โดยตรงในการคำนวณทางคณิตศาสตร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการคูณและการแบ่ง ตัวอย่างเช่น 100 K จริง ๆ แล้วร้อนเป็นสองเท่าของ 50 K ตามมหาวิทยาลัยเท็กซัส- ตัวอย่างของก๊าซที่ จำกัด ที่ 100 K นั้นมีพลังงานความร้อนเป็นสองเท่าและมีความดันสองเท่าเนื่องจากมีที่ 50 K การคำนวณดังกล่าวไม่สามารถทำได้โดยใช้เซลเซียสหรือฟาเรนไฮต์ตาชั่งคือ 100 C คือไม่ร้อนเป็นสองเท่าของ 50 C หรือ 100 F สองเท่าร้อนเท่ากับ 50 F.
ผลกระทบของกฎหมายฉบับที่สาม
เนื่องจากอุณหภูมิของศูนย์สัมบูรณ์นั้นไม่สามารถบรรลุได้ทางร่างกายกฎหมายที่สามอาจได้รับการปรับปรุงใหม่เพื่อนำไปใช้กับโลกแห่งความเป็นจริงเช่น: เอนโทรปีของคริสตัลที่สมบูรณ์แบบเข้าใกล้ศูนย์เนื่องจากอุณหภูมิเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ เราสามารถคาดการณ์ได้จากข้อมูลการทดลองว่าเอนโทรปีของคริสตัลที่สมบูรณ์แบบถึงศูนย์ที่ศูนย์สัมบูรณ์ แต่เราไม่สามารถแสดงให้เห็นถึงเชิงประจักษ์ได้
"มีการวิจัยอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษและทุกครั้งที่คุณหันหลังกลับมีสถิติต่ำใหม่ทุกวันนี้ Nanokelvin (NK = 10^−9 K) อุณหภูมินั้นง่ายพอสมควร
ในการเขียนนี้อุณหภูมิต่ำบันทึกประสบความสำเร็จในปี 2564 โดยทีมงานที่ศูนย์เทคโนโลยีอวกาศประยุกต์และ microgravity (ZARM) ที่มหาวิทยาลัยเบรเมนในประเทศเยอรมนี พวกเขาติดเมฆประมาณ 100,000รูบิเดียมอะตอมในสนามแม่เหล็กภายในห้องสุญญากาศและโยนห้องลงไปที่หอคอยหยดเพื่อให้อะตอมลอยไม่ถูกยับยั้งโดยแรงโน้มถ่วงและชะลอการเคลื่อนไหวของโมเลกุล เมฆถึงสถิติ 38 picokelvins หรือ 38 ล้านล้านของเคลวิน
ในขณะที่อุณหภูมิของศูนย์สัมบูรณ์ไม่มีอยู่ในธรรมชาติและนักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถบรรลุได้ในห้องปฏิบัติการแนวคิดของศูนย์สัมบูรณ์นั้นมีความสำคัญต่อการคำนวณที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิและเอนโทรปี การวัดหลายอย่างบ่งบอกถึงความสัมพันธ์กับจุดเริ่มต้นบางอย่าง เมื่อมีคนให้ระยะทางพวกเขาต้องถามระยะห่างจากอะไร? เมื่อพวกเขาให้เวลาพวกเขาต้องถามเวลาตั้งแต่เมื่อไหร่? การกำหนดค่าศูนย์ในระดับอุณหภูมิให้ความหมายกับค่าบวกในระดับนั้น เมื่ออุณหภูมิระบุว่าเป็น 100 K หมายความว่าอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ 100 K ซึ่งสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เป็นสองเท่าถึง 50 K และครึ่งหนึ่งเท่าที่ 200 K
ในการอ่านครั้งแรกกฎข้อที่สามดูเหมือนจะค่อนข้างง่ายและชัดเจน อย่างไรก็ตามมันทำหน้าที่เป็นช่วงเวลาสุดท้ายในตอนท้ายของเรื่องราวที่ยาวนานและเป็นผลสืบเนื่องที่อธิบายถึงธรรมชาติของความร้อนและพลังงานความร้อนอย่างเต็มที่
บทความนี้ได้รับการอัปเดตเมื่อวันที่ 2 กุมภาพันธ์ 2565 โดยผู้สนับสนุนวิทยาศาสตร์สด Ashley Hamer
ทรัพยากรเพิ่มเติม
- มหาวิทยาลัยคัลการีเว็บไซต์การศึกษาพลังงานอธิบายแนวคิดของศูนย์สัมบูรณ์
- ในวิดีโอนี้จาก startalk, Neil DeGrasse Tyson อธิบายว่าทำไมคุณถึงไม่สามารถเข้าถึง Zero Absolute ได้
- Rensselaer Polytechnic Institute มีคำอธิบายอื่นของกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์สมบูรณ์ด้วยสามสูตรที่แตกต่างกันของกฎหมาย
บรรณานุกรม
Purdue University, "Entropy และกฎหมายที่ 2 & 3 ของอุณหพลศาสตร์"https://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch21/entropy.php
ที่รางวัลโนเบล, "Walther Nernst: ชีวประวัติ" 2509https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1920/nernst/biographical/
Martin Bailyn, "การสำรวจอุณหพลศาสตร์," สถาบันฟิสิกส์อเมริกัน, 1994
Morningside University "ขีด จำกัด ของความเร็ว"https://webs.morningside.edu/slaven/physics/relativity/relativity10.html
Anne Rooney, "The Story of Physics," Arcturus, 2012
Robert Boyle, "การทดลองใหม่และการสังเกตที่สัมผัสกับความหนาวเย็น," Crook, 1665
Jaime Wasniak, "การพัฒนาแนวคิดของอุณหภูมิที่สมบูรณ์แบบศูนย์," การศึกษาเคมี, มกราคมมกราคมhttps://www.researchgate.net/publication/236235474_development_of_the_concept_of_absolute_zero_temperature
มหาวิทยาลัยรัฐอิลลินอยส์ "MAT 312: ความน่าจะเป็นและสถิติสำหรับครูโรงเรียนมัธยม"https://math.illinoisstate.edu/day/courses/old/312/notes/twovar/twovar02.html
มหาวิทยาลัยแห่งรัฐฟลอริดา "กฎหมายก๊าซ"https://www.chem.fsu.edu/chemlab/chm1045/gas_laws.html
Britannica, "Absolute Zero," 9 เมษายน 2021https://www.britannica.com/science/absolute-zero
ศูนย์วิทยาศาสตร์สุขภาพมหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ฮุสตัน "ชีวสถิติสำหรับแพทย์"https://www.uth.tmc.edu/uth_orgs/educ_dev/oser/l1_2.htm
University of Bremen, "ยาวมากและเย็นอย่างไม่น่าเชื่อ" 27 สิงหาคม 2564https://www.zarm.uni-bremen.de/en/press/single-view/article/extremely-long-and-incredible-cold.html
