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热力学第三定律的经典表述(

时间:2023-02-14 理论教育 版权反馈
【摘要】:综上所述,可以得到热力学第三定律的Nernst-Simon表述为:“对于只涉及处于内平衡态之纯物质的等温过程,其熵变随着其绝对温度趋于零而趋近于零。”1923年,Lewis, Randall及Gibson等人给出了热力学第三定律的令人满意的表述:“在绝对零度附近,所有完美晶体物质的熵值为零。”对于热力学第三定律的伟大意义,有人指出:“它是架设了从经典理论通向量子理论的桥梁。”因此热力学第三定律实质上是微观运动量子力学本性的必然结果。

1.Nernst-Simon表述

1902年,Richard T W在研究了几种原电池的电动势与温度的关系后,发现温度愈低,同一电池反应的吉布斯自由能变化与焓变愈接近。1906年,Nernst W H根据Richard及其他人研究后提出一个假设,当温度趋近于零度时,凝聚体系中发生的任何反应过程的熵变趋近于零,即:

后来,Simon F E和其他人的实验工作证明(3—30)式仅对于处于平衡的纯物质的变化才成立。而对于涉及过冷液体(不处于内平衡)或混合物(涉及不纯的物质)的转化过程是不成立的。

综上所述,可以得到热力学第三定律的Nernst-Simon表述为:“对于只涉及处于内平衡态之纯物质的等温过程,其熵变随着其绝对温度趋于零而趋近于零。”即:

上式也称之为Nernst热定理(Nernst's Heat Theorem)。

2.Planck-Lewis-Gibson表述

1912年,Planck对Nernst热定理作出了必要的补充,并进一步认为只有完美晶体的熵值为零。1923年,Lewis, Randall及Gibson等人给出了热力学第三定律的令人满意的表述:“在绝对零度附近,所有完美晶体物质的熵值为零。”即:

所谓完美晶体,也称为理想晶体,就是那种只处于单纯量子状态的晶体,即所有物质微粒在晶体上都是规则排列、空间排布只有一种方式的晶体。也就是其微观状态数(或称热力学概率)Ω=1,由S=kln Ω=kln1=0。但应注意0K时熵值的零值只是人为的规定,它仅仅是人们计算纯物质在TK时的规定熵值的起点。

实验结果表明:某些异核双原子分子如NO和CO等,以及纯物质的玻璃体或有缺陷的晶体虽然在低温时均为凝聚相,但在0K附近时,还保留了一定的混乱度。NO的晶体在0K附近,分子至少有两种排列方式,即NONONONO…和NOONNOON…。故其混合晶态就不是纯的完美晶体,在0K附近,Ω > 1,所以其S0K >0,系统还稍有一定的无序度。

3.绝对零度不能达到原理(The Unattainable Principle of Absolute Zero)

这是热力学第三定律的另一种表述形式,它指出:“不可能用有限的手续把任何一个系统的温度降低到绝对零度。”

对于热力学第三定律的伟大意义,有人指出:“它是架设了从经典理论通向量子理论的桥梁。”物质的温度从高温逐渐向低温直至绝对零度附近变化时,其熵值逐步趋向于零,低温低熵,物质的状态充分有序化。此外,熵值随温度趋向零时,在趋近于零的过程中发现了一系列奇妙的物理现象——超导性和超流性。因此热力学第三定律实质上是微观运动量子力学本性的必然结果。

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