Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass der absolute Nullpunkt nicht in endlich vielen Schritten erreicht werden kann.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik kann auch so definiert werden, dass beim Erreichen des absoluten Nullpunkts, 0 Grad Kelvin, jeder Prozess eines physikalischen Systems stoppt und dass beim Erreichen des absoluten Nullpunkts die Entropie einen minimalen und konstanten Wert erreicht.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik, manchmal auch Nernstsches Theorem oder Nernstsches Postulat genannt, bezieht sich auf die Entropie und die Temperatur eines physikalischen Systems.
Dieses Prinzip besagt, dass die Entropie eines Systems bei absoluter Nulltemperatur eine wohldefinierte Konstante ist. Dies liegt daran, dass sich ein System bei absoluter Nulltemperatur in einem Grundzustand befindet und Entropieerhöhungen durch Entartung aus diesem Grundzustand erzielt werden.
Der Satz von Nernst besagt, dass die Entropie eines perfekten Kristalls eines beliebigen Elements bei der absoluten Nulltemperatur Null ist. Diese Beobachtung berücksichtigt jedoch nicht, dass echte Kristalle bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt gebildet werden müssen. Folglich weisen sie Defekte auf, die durch Abkühlen auf den absoluten Nullpunkt nicht entfernt werden. Da es sich nicht um perfekte Kristalle handelt, erhöhen die zur Beschreibung der vorhandenen Defekte erforderlichen Informationen die Entropie des Kristalls.
Sätze und Aussagen des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik
Die wichtigsten Sätze und Aussagen zum dritten Hauptsatz der Thermodynamik sind:
1. Satz von Nernst
Eine chemische Reaktion zwischen reinen kristallinen Phasen, die am absoluten Nullpunkt stattfindet, erzeugt keine Entropieänderung. Mit anderen Worten: Es ist unmöglich, die absolute Entropie eines Systems in endlich vielen Operationen auf ihren absoluten Nullwert zu reduzieren.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik ermöglicht es uns, den absoluten Wert der Entropie zu finden, was im Rahmen der klassischen Thermodynamik nicht möglich ist.
Der Wärmesatz von Nernst wurde später von einem deutschen Physiker, Max Planck, verwendet, um den dritten Hauptsatz der Thermodynamik in Bezug auf Entropie und absoluten Nullpunkt zu definieren.
2. Nernst-Simon-Aussage
Die Entropieänderung, die sich aus jeder reversiblen isothermen Umwandlung eines Systems ergibt, nähert sich Null, wenn sich die Temperatur Null nähert.
3. Planck-Aussage
1911 formulierte Max Planck den dritten Hauptsatz der Thermodynamik als Bedingung für das Verschwinden der Entropie aller Körper bei Annäherung der Temperatur an den absoluten Nullpunkt.
Nach Plank strebt die Entropie in jedem System im Gleichgewicht, in dem sich die Temperatur 0 nähert, einer Konstante zu, die unabhängig von den anderen thermodynamischen Variablen ist.
4. Absolutes Null-Unzugänglichkeits-Theorem
Das absolute Null-Unzugänglichkeitstheorem besagt, dass:
„Es gibt keinen Prozess, der die Temperatur eines Systems in endlich vielen Schritten auf den absoluten Nullpunkt senken kann.“
5. Callens viertes Postulat
Callens viertes Postulat besagt:
Die Entropie jedes Systems verschwindet in dem Zustand, für den gilt:
Was sind die Konsequenzen des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik?
Das dritte Gesetz impliziert die folgenden Konsequenzen:
1. Unmöglichkeit, absolute Nulltemperaturen zu erreichen
Aus dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik folgt, dass der absolute Temperaturnullpunkt in keinem abschließenden Prozess erreicht werden kann, der mit einer Änderung der Entropie verbunden ist. Sie kann nur asymptotisch angegangen werden.
Daher wird der dritte Hauptsatz der Thermodynamik manchmal als das Prinzip der Unmöglichkeit formuliert, den absoluten Temperaturnullpunkt zu erreichen.
2. Das Verhalten thermodynamischer Koeffizienten
Aus dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik folgen einige thermodynamische Konsequenzen: Da T → 0, muss es auch gegen Null gehen:
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die Wärmekapazität bei konstantem Druck und konstantem Volumen
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Wärmeausdehnungskoeffizienten und einige ähnliche Werte.
Die Gültigkeit des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik wurde einmal in Frage gestellt, aber später wurde entdeckt, dass alle scheinbaren Widersprüche mit metastabilen Materiezuständen verbunden sind, die thermodynamisch nicht im Gleichgewicht betrachtet werden können.
