Принцип нернста

Что такое энтропия и как она связана с материей и энергией?

Принцип нернста

Термодинамика, основы которой должны быть известны каждому ученику, наука занятная. Самым занятным для многих был вопрос – почему у термодинамики есть целых 2 начала и ни одного конца? Если с первыми 2 началами термодинамики особых непонятностей нет, то 3 вызывает немало споров даже в кругу ученых.

Источник изображения: coco02.net

Для 3 начала термодинамики имеется множество формулировок – автору статьи известно 9, и он полагает наиболее доступной формулировку в виде тепловой теоремы Нернста. Она гласит – “Абсолютный нуль недостижим”. Однако в большинство учебников общей физики вошла иная формулировка – “Энтропия замкнутой системы нарастает”.

Здесь сразу начинаются проблемы – понять, что есть энтропия реально сложно. Впервые понятие энтропии ввел германский физик Рудольф Клаузиус. С помощью этой функции он описывал возможность тепла преобразовываться в иные виды энергии. Длительное время термин «энтропия» применялся исключительно в физике, позднее он перешел и в прочие науки.

Энтропия в физике

Согласно термодинамике, всякая замкнутая система стремится достичь равновесного состояния – это значит перейти в положение, когда нет никакого излучения энергии или ее перехода из одного состояния в другое.

Выйти из такого состояния невозможно и она характеризуется максимальным уровнем беспорядка. Таким образом – энтропия мера беспорядка. Чем он выше, тем больше и значение энтропии.

Чем сложнее организована структура вещества, тем меньше уровень энтропии и выше вероятность ее распада.

Источник изображения: gutuka.co.ke

Например, Останкинская телевышка весьма сложная структура, она стремится к упрощению. Если за ней не смотреть и не ремонтировать, то через определенный промежуток времени конструкция телевышки развалится на составляющие части. Беспорядок сооружения, а следовательно и энтропия, увеличатся.

Еще одним способом подачи энтропии в физике является ее определение, как разность между идеальным процессом, описываемым формулами, и процессом реальным. Чтобы не усложнять статью рассмотрим это явление на простом примере.

Человек ставит свой мобильный телефон на зарядку. Идеальным будет вариант, когда вся полученная электрическая энергия перейдет в химическую энергию аккумулятора, который затем снова будет преобразовывать ее в электроэнергию необходимую для питания сотового.

На самом деле, все далеко не так – часть энергии полученной из электросети необратимо тратится на нагрев блока питания, проводов и самого аккумулятора. В этом несложно убедиться, прикоснувшись к блоку питания или телефону в процессе подзарядки – они будут теплые.

Энергия, преобразовавшаяся в тепло, и есть в данной ситуации энтропия.

Самые распространенные формулировки энтропии в физике

Многие известные физики пытались доступным для простых людей объяснить понятие энтропии. Выделим 3 наиболее известные формулировки объяснения.

Утверждение Клаузиуса

Нагрев тела с более высокой температурой невозможен посредством тела с более низкой температурой.

Источник изображения:pixabay.com

На примере это выглядит так – поставить чайник с водой на кусок льда можно (априори температура воды выше температуры льда), но дождаться, что вода закипит не получится. Хотя первые 2 начала термодинамики не отрицают подобной возможности.

Формулировка Томсона

В замкнутой системе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы работа, совершаемая за счет тепловой энергии полученной от какого-либо тела.

Подобный вариант формулировки означает, что вечный двигатель построить в принципе невозможно.

Утверждение Больцмана

Уменьшение энтропии в замкнутой системе невозможно.

Эта формулировка вызывает множество споров, хотя интуитивно все понятно. В заброшенном жилище будет нарастать хаос – осядет пыль, некоторые вещи развалятся. Навести порядок можно, но только приложив внешнюю энергию, то есть работу уборщика.

Проблема в том, что Вселенная в современных представлениях является замкнутой системой. Образовалась она где-то 14-15 миллиардов лет назад. За это время ее энтропия привела бы к тому, что галактики распались, звезды погасли и никаких новых звезд не появилось бы в принципе. А ведь нашему Солнцу не больше 5 миллиардов лет, да и Вселенная в целом не пришла в состояние хаоса.

Источник изображения: pikby.com

Следовательно, Вселенная получает подпитку энергией извне. Вот только откуда?

Энтропия в химии

Источник изображения: freepng.com

Многие химические процессы являются необратимыми и происходят с выбросом энергии. Например взрыв при сотрясении нитроглицерина никого не удивляет – это и есть химическая реакция сопровождаемая резким увеличением энтропии.

Экономика и энтропия

Специалистам в экономике известно понятие коэффициент энтропии. Этот коэффициент показывает изменение уровня концентрации рынка и возможность появления монополий. С ростом этого показателя вероятность захвата рынка монополистами снижается. Этот коэффициент помогает определить выгоды монопольной деятельности в том или ином сегменте рынка.

Энтропия и социология

Под энтропией в социологии полагают информационную неопределенность, которая характеризуется отклонением системы (социума), или ее частей (звеньев), от идеального (эталонного) состояния.

Источник изображения: istockphoto.com

Пример можно взять следующий – некая организация занимается проверкой деятельности других организаций. За проверкой следует составление отчета.

Если руководство требует очень подробные отчеты, то наступает момент, когда почти все время сотрудников уходит на составление этих самых отчетов. Время расходуемое на основную деятельность сотрудников (собственно проверки) становится недопустимо малым.

Это положение характеризуется высоким состоянием информационной неопределенности (энтропии). Руководство в такой ситуации обязано принять меры по упрощению отчетности.

Если вам понравилась статья, топоставьте лайкиподпишитесь на каналНаучпоп. Наука для всех.Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Источник: https://zen.yandex.ru/media/popsci/chto-takoe-entropiia-i-kak-ona-sviazana-s-materiei-i-energiei-5c55ad170280ed00aea30fbe

Большая Советская Энциклопедия (НЕ) | Страница 138 | Онлайн-библиотека

Принцип нернста

  Лит.: Блатт Ф. Дж., Теория подвижности электронов в твёрдых телах, пер. с англ., М. — Л., 1963; Цидпльковский И. М., Термомагнитные явления в полупроводниках, М., 1960.

  Э. М. Эпштейн.

Нернста закон распределения

Не'рнста зако'н распределе'ния определяет относительное содержание в двух несмешивающихся или ограниченно смешивающихся жидкостях растворимого в них компонента; является одним из законов идеальных разбавленных растворов. Открыт в 1890 В. Нернстом. Согласно Н. з. р.

, при равновесии отношение концентраций третьего компонента в двух жидких фазах является постоянной величиной. Н. з. р. может быть записан в виде c1/c2 = k, где c1 и c2 — равновесные молярные концентрации третьего компонента в первой и второй фазах; постоянная k — коэффициент распределения, зависящий от температуры. Н. з. р.

позволяет определить более выгодные условия экстрагирования веществ из растворов.

Нернста теорема

Не'рнста теоре'ма, установленная В. Нернстом (1906) теорема термодинамики, согласно которой изменение энтропии (DS) при любых обратимых изотермических процессах, совершаемых между двумя равновесными состояниями при температурах Т, приближающихся к абсолютному нулю, стремится к нулю:

  Другая эквивалентная формулировка Н. т.: при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю.

  Н. т. приводит к ряду важных термодинамических следствий, поэтому её часто называют третьим началом термодинамики.

Неро

Не'ро, Ростовское озеро, озеро в Ярославской области РСФСР. Площадь 54,4 км2. Длина около 13 км, ширина до 8 км. Средние глубины 1—1,3 м, наибольшая — 3,6 м. Дно покрыто толстым слоем сапропеля. Питание смешанное, с преобладанием снегового.

Размах колебаний уровня 3,2 м, наивысшие в апреле — мае, низшие в октябре. Замерзает в ноябре, в конце октября, вскрывается в апреле. В Н. впадает 18 притоков, наибольший из которых р. Сара. Сток из Н. регулируется плотиной со шлюзом в истоке р. Которосль (приток Волги). Местное судоходство.

Рыболовство (лещ, окунь, щука). На Н. — г. Ростов (Ярославский).

Нерода Георгий Васильевич

Неро'да Георгий Васильевич [р. 17 (29).1.1895, Чернигов], советский скульптор, народный художник РСФСР (1967), член-корреспондент АХ СССР (1967). Учился в Московском училище живописи, ваяния и зодчества (1913—17) у С. М. Волнухина. Член АХРР (с 1926). Произведения: портреты А. В. Луначарского (бронза, 1928, Мемориальный музей-квартира А. В.

Луначарского, Москва), Я. М. Свердлова (гипс, 1932, Третьяковская галерея) и В. И. Ленина (кованая медь, 1970, собственность министерства культуры СССР), памятник Г. К. Орджоникидзе в Кисловодске (бронза, 1939, открыт в,1951) и В. И. Ленину в Перми (бронза, открыт в 1954). Награжден орденом Трудового Красного Знамени. Совместно с Н.

(а также самостоятельно) работает его сын Юрий Георгиевич Н. (р. 1920).

  Лит.: Выставка произведений художников Е. Ф. Белашовой, А. М. Каневского, Н. В. Кирсановой, П. М. Кожина, А. В. Кокорина, Г. В. Нерода. Каталог, М., 1956.

Г. В. Нерода. Памятник героям-морякам в Североморске (Мурманская область). Бронза, бетон с терразитовой штукатуркой. 1973. (барельефы постамента — Ю. Г. Нерода; архитектор — А. Н. Душкин).

Неройка

Неройка, гора на Приполярном Урале, в Исследовательском хребте на границе Коми АССР и Тюменской области РСФСР. Высота 1646 м. Сложена метаморфическими сланцами и гранитами. На склонах и вершине — горная тундра и каменные россыпи.

Нерон Клавдий Цезарь

Неро'н Клавдий Цезарь (Claudius Caesar Nero) (37—68), римский император с 54, из династии Юлиев-Клавдиев.

Первые годы правил в согласии с сенатом, находясь под влиянием префекта претория Бурра и философа Сенеки, затем перешёл к политике репрессий и конфискаций, восстановившей против него не только сенаторскую знать (заговор Пизона, 65), но и др. слои. В числе жертв Н.

были и его ближайшие родственники (включая мать), и многие выдающиеся люди (Сенека, поэт Лукан, писатель Петроний и др.). В 68 против Н. восстали наместники провинций (Виндекс, Гальба). Покинутый даже преторианцами, Н. бежал из Рима и по дороге покончил жизнь самоубийством.

Источники рисуют его самовлюблённым, жестоким и развратным, увлечённым больше своими «артистическими» занятиями, чем государственными делами, которые он передоверял своим отпущенникам и др. временщикам.

Неронов Иван

Неро'нов Иван (1591, Вологодский уезд, — 1670, Переяславль-Залесский), один из первых вождей раскола, наставник и друг Аввакума. В 30—40-х гг. был священником в Нижнем Новгороде. Бывая в Москве, сблизился с царским духовником Стефаном Вонифатьевым и Ф. М. Ртищевым.

При их содействии в 1649 переведён в Москву и поставлен протопопом Казанской церкви на Красной площади. Стал одним из руководителей «Кружка ревнителей благочестия». После столкновений с патриархом Никоном в 1653 был сослан в Спасо-Каменный Вологодский монастырь, а затем — в Кандалакшский. В посланиях царю из ссылки Н.

обличал деспотизм Никона, указывал на превышение власти патриархом, требовал созыва представительного собора для коллегиального решения церковных дел. В 1656 Н. бежал из ссылки и скрывался от Никона в Москве у С. Вонифатьева; в том же 1656 был заочно осужден собором. После этого Н.

решил примириться с официальной церковью, но продолжал обличать Никона за его деспотизм. На соборе 1666 принёс покаяние. В 1669 был поставлен архимандритом Данилова монастыря в Переяславле-Залесском.

  Лит.: Харламов И., Протопоп Иван Неронов, «Древняя и Новая Россия», 1881, № 1.

  В. С. Шульгин.

Нерпа

Не'рпа, млекопитающее семейства тюленей отряда ластоногих; то же, что кольчатая нерпа. Близкие виды — байкальская Н. (Phoca sibirica) и каспийская Н. (Ph. caspica).

Нерпичье (озеро в Якутской АССР)

Не'рпичье, озеро на С.-В. Колымской низменности (левобережная часть дельты Колымы), в Якутской АССР. Площадь 237 км2. Вытянуто с Ю.-В. на С.-З. Берега низкие. Питание снеговое и дождевое. Через ряд проток и озёр соединяется с озером Чукочье (бассейн Колымы). Из Н. вытекает р. Нерпичья (впадает в Восточно-Сибирское море). Летом гнездовья уток и гусей.

Нерпичье (озеро на п-ве Камчатка)

Не'рпичье, озеро на В. полуострова Камчатка, в Камчатской области РСФСР. Площадь 552 км2. Северо-западная часть озера называется озером Култучное (104 км2). Питание снеговое и дождевое. Колебания уровня связаны с приливами и отливами, а также со сгонами и нагонами. В Н. впадает 117 мелких рек; вытекает р. Озёрная (приток р. Камчатки).

Нерсес Аштаракеци

Нерсе'с Аштаракеци' [1771 — 14(26).2.1857], деятель армянского освободительного движения, католикос всех армян (1843—57). Сторонник освобождения Восточной Армении от турецкого ига с помощью России и восстановления её государственности.

После присоединения Восточной Армении к России — член временного правления. Став католикосом, оказывал сопротивление царизму, пытавшемуся ограничить самостоятельность армянской церкви. По инициативе Н. А.

в 1824 в Тбилиси основано училище «Нерсисян», сыгравшее большую роль в развитии армянской культуры.

Нерсес Шнорали

Нерсе'с Шнорали' (1102, крепость Цовк в Киликии, — 1172/73, крепость Ромкла, там же), армянский поэт и церковный деятель. Был монахом, с 1126 епископ, с 1166 католикос.

Автор поэм «Элегия на взятие Эдессы» (1145—46), одного из лучших произведений средневековой армянской поэзии, «О небе и светилах» (1160), «Иисус сын» (опубликована 1643), «Слово о вере» (опубликована 1647), «Исповедую верой» (опубликована 1652); около 300 загадок в стихах, большая часть которых взята из фольклора; духовных песнопений.

Прозаический сборник «Послания» (опубликован 1788) имеет большое историческое и художественное значение. Произведения Н. Ш. переведены на многие европейские языки.

138

Источник: https://litrus.net/book/read/115552?p=138

Теорема Нернста и её следствия

Принцип нернста

Свой закон или теорему Нернст открыл эмпирическим путем. Эта теорема не может быть получена из первых двух начал термодинамики. В виду фундаментальности теорему Нернста часто зазывают третьим началом термодинамики. Современную ее формулировку представил Планк.

Теорема Нернста

Смысл теорему Нернста состоит из двух утверждений:

  1. при приближении температуры к абсолютному нулю энтропия системы стремится к определенному конечному пределу;
  2. все процессы при абсолютном нуле температур при переходе системы из равновесного состояния 1 в равновесное состояние 2 происходят без изменения энтропии.

Рассмотрим каждое из утверждений теоремы подробнее. Согласно термодинамическому определению энтропии (S) ее изменение равно:

где интеграл берется по произвольному пути, по которому система переходит из состояния (1) в состояние (2). В интеграле (1) в знаменателе дроби стоит температура (T) поэтому вопрос о сходимости интеграла при $T\to 0$ совсем не праздный. Первая часть теоремы Нернста как раз и говорит о том, что интеграл сходится.

  • Курсовая работа 470 руб.
  • Реферат 240 руб.
  • Контрольная работа 200 руб.

Из второго утверждения входящего в теорему Нернста следует, что предел, к которому стремится интеграл (1) при $T\to 0$, не зависит от того, в каком конечном состоянии окажется система.

Исходя из вышесказанного, теорему Нернста можно сформулировать и следующим образом:

Теорема Нернста при состоянии термодинамического равновесия

При приближении к нулю изменение энтропии системы стремится к конечному пределу, который не зависит от значений, которые принимают все параметры, которые характеризуют состояние системы.

Эта теорема относится только к состояниям термодинамического равновесия.

Можно условиться считать энтропию системы при абсолютном нуле ($T=0K$) равной нулю, таким образом, избавиться от неоднозначности в определении энтропии.

(Мы помним, что уравнение (1) в левой части включает изменение энтропии, а не ее саму.) В таком случае энтропию называют абсолютной. Третья формулировка теоремы Нернста может быть следующей:

Теорема Нернста

При $T\to 0$, абсолютная энтропия стремится к нулю ($S\to 0$) независимо от того, какие значения принимают другие параметры системы.

Абсолютный нуль температуры недостижим, поэтому о справедливости теоремы Нернста можно судить по поведению вещества вблизи абсолютного нуля.

Следствия из теоремы Нернста

Следствия из третьего начала термодинамики (теоремы Нернста):

  1. Из первой части теоремы следует, что около $T=0K$ теплоемкости $C_p$ и $C_V$ стремятся к нулю у любых тел.

    Данное следствие показывает, что теплоемкости должны зависеть от температуры, тогда как классическая теория теплоемкости говорит об обратном. Следовательно, теорема Нернста не истолковывается в классических представлениях.

  2. Прежде чем сформулировать следствие из второй части теоремы Нернста, запишем термодинамические соотношения, которые нам потребуются: \[{\left(\frac{\partial S}{\partial p}\right)}_T=-{\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)}_p,\ {\left(\frac{\partial S}{\partial V}\right)}_T=-{\left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)}_V\left(2\right).\]

Из теоремы Нернста следует, что при T=0K левые части соотношений (2) обращаются в нуль. Значит, будут равны нулю и правые части, поэтому:

\[\frac{1}{V_0}{\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)}_p\to 0\ ;\ \frac{1}{p_0}{\left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)}_p\to 0(3).\ \]

Это значит, что при $T\to 0$ для всех тел должны стремиться к нулю коэффициент теплового расширения и термический коэффициент давления. Однако из уравнения Клайперона следует, что оба коэффициента должны оставаться постоянными до T=0K. Следовательно, при низких температурах уравнение Клайперона не выполняется.

Из формулы, в которую входит давление из (3) получается, что давление газа около абсолютного нуля практически не зависит от температуры и становится функцией плотности. В таком случае считают, что газ находится в состоянии вырождения. К вырожденным газам можно, например, отнести «газ» из свободных электронов в металлах даже при обычных температурах.

К подобным газам классическая статистика не применима, необходимо использовать квантовую физику.

Для объяснения теоремы Нернста, также приходится прибегать к квантовой механике. Рассмотрим замкнутую систему. Под квантовым состоянием системы будем понимать состояние системы в целом. При $T\to 0\ K$ энергия системы минимальна.

Количество допустимых квантовых состояний системы — один, либо если уровень энергии вырожден, это, какое то целое число, которое равно кратности вырождения. Тому же числу равен статистический вес состояния.

Следовательно, энтропия в формуле Больцмана:

\[S=klnГ(4)\]

имеет конечное значение. Здесь Г – статистический вес системы (число микросостояний, с помощью которых реализуется макросостояние). Так, мы объяснили первую часть теоремы.

При изменении внешних параметров, например, p и V квантовое состояние и соответственно энергия системы изменяются. Кратные уровни могут расщепляться на простые, простые уровни могут объединяться. Однако общее количество простых уровней остается постоянным.

Система, которая находится в термодинамическом равновесии, при T=0K занимает самый нижний энергетический уровень. Если при изменении внешних параметров кратность уровня не изменяется, то постоянен статистический вес, а следовательно, и энтропия, как и предполагается в теореме Нернста.

Даже если кратность нулевого уровня изменится, то изменение энтропии будет крайне ничтожно.

Следствием теоремы Нернста является то, что тело невозможно охладить до температуры $T=0K$.

Пример 1

Задание: Покажите, что при $T\to 0\ K$ $C_p$ и $C_V$ стремятся к нулю.

Решение:

В качестве основы для решения используем известное уравнение:

\[\delta Q=CdT\ \left(1.1\right),\]

где в качестве $C$ — может быть и $C_V$ и $C_p$ в зависимости от избираемого процесса, что ни как не отражается на форме уравнения (1.1), поэтому доказательство приведем обозначая теплоёмкость просто $C$.

Из (1.1) выразим теплоемкость, запишем:

\[C=\frac{\delta Q}{\partial T}\ \left(1.2\right).\]

Кроме того, мы знаем, что:

\[\delta Q=TdS\ \left(1.3\right).\]

Из уравнений (1.2) и (1.3) получаем:

\[C=T\frac{\partial S}{\partial T}=\frac{\partial S}{\partial lnT}\ \left(1.2\right).\]

Пусть в выражении (1.2) $T\to 0$ тогда $lnT\to -\infty $, $S$ стремится к определенному пределу (по теореме Нернста).

Получаем:

\[C={\mathop{lim}_{T\to 0} \frac{\partial S}{\partial lnT}\ }=\frac{\mathop{lim\partial S}_{T\to 0}}{\mathop{lim}_{T\to 0}\partial lnT}=\frac{A}{-\infty }=0\left(1.3\right).\]

Следовательно, мы доказали, что при $T=0K$ $C_V=0$ и $C_p=0$.

Пример 2

Задание: Какой вывод можно сделать о поведении диэлектрической проницаемости вблизи $T=0K$?

Решение:

Электрический момент единицы объема равен:

\[l=\left(\varepsilon -1\right)\frac{E}{4\pi }\ \left(2.1\right),\]

где $\varepsilon $ — диэлектрическая проницаемость среды, $E$ — напряженность электрического поля.

При $T\to 0$ по теореме Нернста имеем:

\[{\mathop{lim}_{T\to 0\ } {\left(\frac{\partial S}{\partial E}\right)}_T=0\ (2.2)\ }.\]

С другой стороны можно записать, что:

\[{\left(\frac{\partial S}{\partial E}\right)}_T={\left(\frac{\partial l}{\partial T}\right)}_E\left(2.3\right).\]

Учитывая (2.1), (2.3) и (2.4), мы можем записать, что:

\[{\mathop{lim}_{T\to 0} {\left(\frac{\partial l}{\partial T}\right)}_E\ }=0\left(2.4\right).\]

В том случае, если мы считаем, что $\varepsilon $ от напряженности электрического поля не зависит, то получаем, что:

\[{\mathop{lim}_{T\to 0} \left(\frac{\partial \varepsilon }{\partial T}\right)\ }=0\ \left(2.5\right).\]

Ответ: Мы получили, что около абсолютного нуля диэлектрической проницаемости среды стремится к нулю.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/teorema_nernsta_i_ee_sledstviya/

Вылечим любую болезнь
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: