열역학 제3법칙

물질의 요소는 운동 에너지를 가지고 있는데 이 에너지는 변형, 회전, 그리고 진동 운동을 포함한 서로 다른 형태의 분자 운동으로 나타납니다. 분자 운동이 더 클수록 물질은 더 많은 운동 에너지를 그것의 요소들 사이에 분배하는 방법을 가지고 있습니다. 즉, 더 많은 가능한 미시 상태들을 가지고 있습니다.

열역학 제 3 법칙은 절대 0도으로 알려진 켈빈 0도에서 순수하고 완벽한 결정 물질의 엔트로피는 0임을 설명합니다. 0 켈빈에서 결정의 요소는 운동 에너지와 분자 운동을 가지지 않으며 따라서 그들이 오직 하나의 고정된 위치를 차지할 수 있습니다. 따라서 이러한 요소는 단일한 미시 상태를 가지며 W는 1과 같습니다.

볼츠만 방정식을 풀면 엔트로피는 0과 같습니다. 열역학 제3법칙에는 두 가지 주요한 결과가 있습니다. 첫째로, 절대 0도보다 큰 온도에서 모든 물질의 엔트로피는 양수여야 합니다.

둘째로, 모든 엔트로피 값은 고정된 기준점, 즉 절대 0도에서의 엔트로피를 기준으로 측정할 수 있습니다. 이 기준을 사용하면 표준 몰 엔트로피 S°는 표준 상태 조건에서 물질 1몰의 엔트로피입니다. 몰·켈빈 당 줄로 표시되는 표준 몰 엔트로피 값은 참조 테이블에서 확인할 수 있습니다.

물질의 표준 몰 엔트로피가 높을 지 또는 낮을 지는 물질의 물리적 상태, 몰 질량, 그리고 물질의 특정한 형태를 포함한 몇 가지 요인과 관련이 있습니다. 물질이 고체에서 액체로 그리고 기체 상태로 전환될 때 분자 운동의 증가로 인해 더 많은 가능한 미세 상태가 존재하기 때문에 그것의 엔트로피는 증가합니다. 원소의 서로 다른 구조 형태인 동소체는 각이한 표준 몰 엔트로피를 가지며 덜 단단한 형태는 더 높은 표준 몰 엔트로피를 가집니다.

예를 들어 다이아몬드와 흑연은 고체 탄소의 동소체입니다. 다이아몬드에서는 탄소 원자가 결정 구조로 고정되어 있습니다. 반대로, 흑연에서는 탄소 원자가 서로 미끄러질 수 있는 층으로 배열됩니다.

따라서 흑연의 탄소 원자는 이동성이 더 많으며 이것은 흑연이 더 많은 미시 상태와 더 높은 표준 몰 엔트로피를 가지고 있다는 것을 의미합니다.