Menu

Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Exemples de la tercera llei de la termodinàmica

Exemples de la tercera llei de la termodinàmica

La Tercera Llei de la Termodinàmica estableix que a mesura que una substància es refreda a una temperatura propera al zero absolut (-273.15°C o 0 Kelvin), la seva entropia, que és una mesura del desordre o la incertesa al sistema, s'aproxima a un valor constant i finit.

Aquesta llei postula que assolir el zero absolut requeriria un nombre infinit de passos, sent inassolible en la pràctica. A més, suggereix que tots els sistemes assolirien un estat de màxima ordre i mínim desordre teòric a aquesta temperatura extrema, cosa que té implicacions fonamentals en camps com la física quàntica i l'estudi de nous materials amb propietats extraordinàries a temperatures ultra baixes.

A continuació es mostren alguns exemples que il·lustren aquest principi:

Exemple 1: Vidres de gel

Quan l'aigua es refreda a temperatures properes al zero absolut, es formen vidres de gel. A mesura que disminueix la temperatura, les molècules d'aigua perden energia i s'organitzen en una estructura altament ordenada.

Al zero absolut, els vidres de gel aconseguirien la seva màxima ordenació.

Exemple 2: Superconductivitat

La superconductivitat és un fenomen de la física que passa en certs materials quan es refreden per sota una temperatura crítica específica. A aquesta temperatura crítica, els materials superconductors exhibeixen una propietat única: la resistència elèctrica desapareix completament permetent que l'electricitat flueixi sense pèrdua d'energia.

La Tercera Llei de Termodinàmica explica la relació entre la superconductivitat i la reducció de l'entropia a temperatures ultra baixes.

En condicions normals, quan apliquem un corrent elèctric a través d'un conductor, com un filferro de coure, els electrons que transporten l'electricitat s'enfronten a obstacles i xocs amb els ions del material, cosa que genera una resistència al flux d'electrons. Aquesta resistència és la responsable de la pèrdua denergia en forma de calor i limita leficiència dels dispositius elèctrics.

No obstant, en un material superconductor, a temperatures molt baixes properes al zero absolut, passa una mica sorprenent: els electrons formen "parells de Cooper". Aquests parells estan formats per dos electrons que s'uneixen i es mouen junts a través del vidre sense experimentar resistència.

Exemple 3: Heli líquid

L'heli, un gas a temperatura ambient, es converteix en líquid a temperatures extremadament baixes, properes al zero absolut.

A mesura que l'heli es refreda i es converteix en líquid, els seus àtoms redueixen la seva energia i es mouen amb menys agitació, cosa que resulta en una disminució significativa de l'entropia.

Exemple 4: Condensats de Bose-Einstein

A temperatures properes al zero absolut, alguns àtoms s'uneixen en un estat d'agregació especial anomenat condensat de Bose-Einstein.

En aquest estat quàntic, els àtoms perden la seva individualitat i es comporten com una sola entitat quàntica. Aquest fenomen és possible gràcies a la Tercera Llei de la Termodinàmica, que estableix que l'entropia disminueix a mesura que arriben temperatures extremadament baixes.

Aquest fenomen va ser predit per Albert Einstein i el físic indi Satyendra Nath Bose a la dècada de 1920. La idea es basa en l'estadística quàntica de Bose-Einstein, que descriu el comportament de partícules idèntiques i indistingibles, com els fotons de la llum o els àtoms que formen certs elements.

En condicions normals, a temperatures més altes, les partícules segueixen una distribució estadística de Fermi-Dirac (per a fermions) o de Maxwell-Boltzmann (per a bosons).

Tot i això, quan les partícules es refreden a temperatures extremadament baixes, el seu comportament quàntic col·lectiu comença a dominar, i tendeixen a "col·lapsar" en l'estat de menor energia possible. En aquest punt, una gran quantitat de partícules ocupa un sol estat quàntic, formant allò que es coneix com el condensat de Bose-Einstein.

En aquest estat quàntic, les partícules perden la seva individualitat i es comporten com una “superpartícula” col·lectiva, amb propietats quàntiques macroscòpiques. Tota la substància es converteix en una sola entitat quàntica

Exemple 5: Heli sòlid

A temperatures properes al zero absolut, l'heli líquid també es pot solidificar. En el seu estat sòlid, l'heli exhibeix un comportament inusual, com ara la superfluïdesa, on pot fluir sense resistència a través de capil·lars extremadament estrets, desafiant les lleis clàssiques de la física.

Exemple 6: Gel sec

El gel sec és diòxid de carboni (CO2) en estat sòlid a temperatures molt més baixes que el punt de congelació de laigua. A diferència de l'aigua, que es congela a 0°C, el CO2 se solidifica directament en forma de gel sec a una temperatura de -78.5°C (-109.3°F) a pressió atmosfèrica normal.

Quan el gel sec es troba a temperatures properes al zero absolut, es comporta de manera similar a altres sòlids a aquestes temperatures extremadament baixes. Les molècules de CO2 que formen el gel sec redueixen dràsticament la seva energia cinètica, cosa que resulta en una estructura altament ordenada i una disminució significativa de l'entropia. En aquest estat, el gel sec assoliria la màxima ordenació tèrmica possible a temperatura ambient.

El gel sec és àmpliament utilitzat en aplicacions com a refrigerant, a la indústria alimentària, en transport de materials sensibles a la calor i com a efecte especial en el teatre i la indústria de l'entreteniment.

Autor:

Data de publicació: 24 de juliol de 2023
Última revisió: 24 de juliol de 2023