Остаточная энтропия

Остаточная энтропия — это разница энтропии между неравновесным состоянием и кристаллическим состоянием вещества, близкого к абсолютному нулю . Этот термин используется в физике конденсированного состояния для описания энтропии при нуле Кельвина стеклянного относящегося или пластикового кристалла, к кристаллическому состоянию, энтропия которого равна нулю в соответствии с третьим законом термодинамики . Это происходит, если материал при охлаждении может существовать в разных состояниях. Наиболее распространенным неравновесным состоянием является стекловидное состояние, стекло .

Типичным примером является монооксид углерода , который имеет очень малый дипольный момент . Поскольку кристалл угарного газа охлаждается до абсолютного нуля, немногим молекулам угарного газа хватает времени, чтобы выровняться в идеальный кристалл (при этом все молекулы угарного газа ориентированы в одном направлении). Из-за этого кристалл запирается в состояние с $2^{N}$ различные соответствующие микросостояния , что дает остаточную энтропию $S=Nk\ln(2)=nR\ln(2)$ , а не ноль.

Другой пример — любое аморфное твердое вещество ( стекло ). У них есть остаточная энтропия, потому что микроскопическая структура атом за атомом может быть организована огромным количеством различных способов в макроскопической системе.

Остаточная энтропия имеет несколько особое значение по сравнению с другими остаточными свойствами , поскольку она играет роль в рамках масштабирования остаточной энтропии . ^[1] который используется для расчета коэффициентов переноса (коэффициентов, управляющих неравновесными явлениями ) непосредственно из остаточной энтропии свойств равновесия , которую можно вычислить непосредственно из любого уравнения состояния .

История [ править ]

Один из первых примеров остаточной энтропии был указан Полингом при описании водяного льда . В воде каждый атом кислорода связан с двумя атомами водорода. Однако когда вода замерзает, она образует тетрагональную структуру, в которой каждый атом кислорода имеет четырех соседей-водородов (из-за соседних молекул воды). Атомы водорода, находящиеся между атомами кислорода, обладают некоторой степенью свободы, поскольку каждый атом кислорода имеет два атома водорода, которые находятся «рядом», образуя таким образом традиционную молекулу воды H ₂ O. Однако оказывается, что для большого числа молекул воды в этой конфигурации атомы водорода имеют большое количество возможных конфигураций, удовлетворяющих правилу 2-в-2-выхода (каждый атом кислорода должен иметь два «ближайших» (или «близких» «входящие») атомы водорода и два дальних (или «внешних») атома водорода). Эта свобода существует вплоть до абсолютного нуля, который ранее рассматривался как абсолютная, единственная в своем роде конфигурация. Существование этих множественных конфигураций (выборов для каждого H ориентации вдоль оси O-O), которые удовлетворяют правилам абсолютного нуля (2-вход-2-выход для каждого O), представляет собой случайность или, другими словами, энтропию. Таким образом, говорят, что системы, которые могут принимать несколько конфигураций при абсолютном нуле или около него, имеют остаточную энтропию. ^[2]

Хотя водяной лед был первым материалом, для которого была предложена остаточная энтропия, подготовить для изучения чистые бездефектные кристаллы водяного льда, как правило, очень сложно. Таким образом, было проведено большое количество исследований для поиска других систем, демонстрирующих остаточную энтропию. геометрически неудовлетворенные В частности, системы часто демонстрируют остаточную энтропию. Важным примером является спиновый лед , который представляет собой геометрически нарушенный магнитный материал, в котором магнитные моменты магнитных атомов имеют магнитные спины, подобные Изингу, и лежат в углах сети тетраэдров с общими углами. Таким образом, этот материал аналогичен водяному льду, за исключением того, что спины в углах тетраэдров могут указывать внутрь или наружу тетраэдров, тем самым создавая то же самое правило 2-входа, 2-выхода, что и в водяном льду, и, следовательно, та же остаточная энтропия. Одним из интересных свойств геометрически нарушенных магнитных материалов, таких как спиновый лед, является то, что уровень остаточной энтропии можно контролировать путем приложения внешнего магнитного поля. Это свойство можно использовать для создания одноступенчатых холодильных систем.

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

^ Новак, Лоуренс Т. (16 ноября 2011 г.). «Корреляция вязкости жидкости и остаточной энтропии» . Международный журнал химического реакторостроения . 9 (1). дои : 10.2202/1542-6580.2839 . ISSN 1542-6580 .
^ Полинг, Лайнус (1970). Общая химия . Сан-Франциско: WHFreeman and Co., с. 433 . ISBN 0716701480 .

[1] Новак, Лоуренс Т. (16 ноября 2011 г.). «Корреляция вязкости жидкости и остаточной энтропии» . Международный журнал химического реакторостроения . 9 (1). дои : 10.2202/1542-6580.2839 . ISSN 1542-6580 .

[2] Полинг, Лайнус (1970). Общая химия . Сан-Франциско: WHFreeman and Co., с. 433 . ISBN 0716701480 .

[1]

[2]