Como é descrita e quais são as implicações da
Lei da Termodinâmica. Explique esta lei em detalhes inclusive sua influência sobre as medidas da entropia.
Passo 1
O enunciado pede para descrever a Terceira Lei da Termodinâmica e discutir suas implicações, especialmente no que toca às medidas de entropia. Para isso vamos usar conceitos de entropia absoluta, capacidades térmicas e comportamentos de sistemas ao nos aproximarmos de
.
Passo 2
A forma mais comum de enunciar a Terceira Lei é o Teorema de Nernst ou Princípio de Nernst:
onde
é a variação de entropia em qualquer transformação química ou física realizada reversivelmente entre estados cujas temperaturas iniciais e finais tendem a zero. Em particular, para um cristal perfeito e ordenado, define-se
Isso significa que é possível atribuir um valor absoluto de entropia, fixando como referência
em
para substâncias cristalinas ideais.
Passo 3
Dessa definição surgem várias consequências práticas para a entropia e as medições termodinâmicas:
- Para obter a entropia absoluta de um sistema a uma temperatura
, usa-se
como
em um cristais perfeitos, temos
Sem a Terceira Lei, só poderíamos medir variações de entropia relativas a um estado de referência arbitrário.
Passo 4
Outra implicação fundamental é o Princípio da Inatingibilidade do Zero Absoluto: nenhuma sequência finita de processos físicos pode levar a temperatura de um sistema exatamente a
.
Fisicamente, à medida que , as capacidades térmicas tendem a zero (ex.:
em sólidos cristalinos devido aos fônons de Debye), de modo que remover calor
torna-se cada vez mais difícil. Isso impede que o sistema alcance
em número finito de etapas.
Fisicamente, à medida que
Passo 5
Em sistemas reais nem sempre
, pois defeitos cristalinos ou degenerações quânticas podem gerar uma entropia residual não nula em zero Kelvin. Ainda assim, a Terceira Lei garante que toda contribuição extra de entropia ao se aquecer do zero verifique a integral de
.
Resposta
A Terceira Lei da Termodinâmica afirma que a entropia de um cristal perfeito atinge zero quando a temperatura tende a
, o que fixa uma escala absoluta de entropia e implica no teorema de Nernst
. Suas principais consequências são: (1) podemos calcular entropias absolutas via
; (2) torna impossível atingir o zero absoluto em um número finito de passos; (3) prediz o comportamento das capacidades térmicas e eventuais entropias residuais em cristais reais.