热力学第三定律
(The third law of thermodynamics)是
热力学
的四条基本
定律
之一,其描述的是
热力学系统
的
熵
在温度趋近于
绝对零度
时趋于
定值
。而对于
完整晶体
,这个定值为零。由于这个定律是由瓦尔特·能斯特归纳得出后进行表述,因此又常被称为
能斯特定理
或
能斯特假定
。1923年,
吉尔伯特·路易斯
和梅尔·兰德尔对此一定律重新提出另一种表述。
随着
统计力学
的发展,这个定律正如其他
热力学定律
一样得到了各方面解释,而不再只是由实验结果所归纳而出的经验定律。
这个定律有适用条件的限制,虽然其应用范围不如热力学第一、第二定律广泛,但仍对很多学门有重要意义——特别是在物理化学领域。
对化学工作者来说,以
普朗克
(M.Planck,1858-1947,德)表述最为适用。热力学第三定律可表述为“在
热力学
温度零度(即T=0开)时,一切完美晶体的
熵
值等于零。”所谓“完美晶体”是指没有任何缺陷的规则晶体。据此,利用量热数据,就可计算出任意物质在各种状态(
物态
、
温度
、
压力
)的熵值。这样定出的纯物质的熵值称为量热熵或第三定律熵。
热力学第三定律
潜热
³He和⁴He的熔化曲线在有限压强下都会延伸趋近绝对零度。在熔化曲线上各点表述的条件下,系统会处于固液相平衡。而热力学第三定律要求在温度为绝对零度时(如果能达到),系统的熵(无论物质处于何种物态)为定值。由此,可以推出在绝对零度时(如果能达到),系统熔化的潜热是零。另外,在这一结论基础上,透过克劳修斯-
克拉佩龙方程
可以得到,熔化曲线在绝对零度点的切线斜率为零。
是否存在降低温度的极限?1702年,法国物理学家阿蒙顿已经提到了“
绝对零度
”的概念。他从空气受热时体积和
压强
都随温度的增加而增加设想在某个温度下空气的
压力
将等于零。根据他的计算,这个温度即后来提出的摄氏温标约为-239°C,后来,兰伯特更精确地重复了阿蒙顿实验,计算出这个温度为-270.3°C。他说,在这个“绝对的冷”的情况下,空气将紧密地挤在一起。他们的这个看法没有得到人们的重视。直到
盖-吕萨克定律
提出之后,存在绝对零度的思想才得到物理学界的普遍承认。
1906年,德国物理学家
能斯特
在研究低温条件下物质的变化时,把
热力学
的原理应用到低温现象和
化学反应
过程中,发现了一个新的规律,这个规律被表述为:“当
绝对温度
趋于零时,凝聚系 (固体和液体)的熵(即热量除以温度的商)在
等温过程
中的改变趋于零。” 德国著名物理学家
普朗克
把这一定律改述为:“当绝对温度趋于零时,固体和液体的熵也趋于零。”这就消除了熵常数取值的任意性。1912年,能斯特又将这一规律表述为绝对零度不可能达到原理:“不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度。”这就是热力学第三定律。
1940 年R.H.否勒和 E.A.古根海姆还提出热力学第三定律的另一种表述形式:任何系统都不能通过有限的步骤使自身温度降低到0K,称为0K不能达到原理。此原理和前面所述及的热力学第三定律的几种表述是相互有联系的。但在
化学热力学
中,多采用前面的表述形式。