¿Es la tercera ley de la termodinámica una ley no esencial?

La tercera ley de la termodinámica a veces se denomina imposibilidad de alcanzar el cero absoluto de temperatura.

Pero de alguna manera creo que se puede inferir de la segunda ley de la termodinámica que es imposible diseñar un dispositivo que funcione cíclicamente, cuyo único efecto sea absorber energía en forma de calor de un solo depósito térmico y entregar una cantidad equivalente de trabajo ( El enunciado de Kelvin-Planck ).

Supongamos primero que existe un reservorio con temperatura cero absoluta, entonces, ¿qué sucederá si hay una máquina térmica de Carnot trabajando entre dos reservorios de temperatura cero absoluta y temperatura finita?

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Encuentra que la máquina térmica funciona con una eficiencia tan alta como η = 1 − T C T H = 1 , y transfiere cero calor al depósito de baja temperatura.

Esto implica que la máquina térmica absorbe energía en forma de calor de un solo depósito térmico y entrega una cantidad equivalente de trabajo, lo que definitivamente viola la segunda ley de la termodinámica como se mencionó anteriormente.

Como resultado, la suposición hecha en un principio no es cierta de que no existe un reservorio con cero absoluto de temperatura y, por lo tanto, es imposible alcanzar el cero absoluto de temperatura, como lo demuestra la tercera ley de la termodinámica.

Entonces, ¿cuál es la esencia de la tercera ley de la termodinámica ?

¿Y su relación con la segunda ley de la termodinámica?

Vería que la tercera ley dice que a medida que la temperatura se acerca a cero Kelvin, el sistema debe ir al estado con energía mínima. Entonces, para un cristal perfecto, esto significa que la entropía también llega a cero, ya que el estado fundamental no es degenerado.

Respuestas (1)

La declaración de Kelvin-Planck de la segunda ley (la de no poder construir máquinas térmicas perfectamente eficientes) no estaba respaldada originalmente por una teoría profundamente matemática, sino que era una simple declaración de un hecho observado. 1

El teorema de Carnot parece en cierto modo una declaración más fuerte (porque conduce a un límite numérico más bajo que la unidad en la eficiencia), pero ese límite numérico se expresa en términos de las temperaturas de los embalses:

η = 1 − T C T H .
Por lo tanto, permite una violación de la declaración de Kelvin-Plank si tiene un depósito con temperatura termodinámica cero. 2 (Kelvin y Planck no tenían observaciones de ese caso, por lo que la escapatoria sería algo nuevo).

Las terceras leyes tapan la laguna en Kelvin-Planck abierta por el teorema de Carnot.

1 Por lo tanto, hace felices a las personas que quieren que palabras como "ley" y "teorema" tengan denotaciones precisas.

2 Tenga en cuenta que un motor de este tipo tardaría un tiempo infinito en ejecutar un ciclo porque la etapa de transferencia de energía a baja temperatura tiene un problema. La diferencia de temperatura "muy pequeña" en la que confiamos para generar flujos térmicos cuasiestáticos tiene que acercarse a cero como lo hace la baja temperatura, lo que hace que la máquina no solo sea tediosamente lenta sino que se detenga.

Esta es, de hecho, la inversión de tiempo del último paso de una cosa nominal de "hagamos ese depósito de temperatura cero" que la tercera ley empuja hacia un tiempo infinito.

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