Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik befasst sich mit der Temperatur eines Systems. Der 3. Hauptsatz wurde von Walter Nernst aufgestellt, nachdem er das Entropieverhalten in der Nähe des absoluten Nullpunkts untersuchte hatte. Seine Untersuchungen zeigten, dass bei reinen, kristallisierten Festkörpern die Entropieänderung bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt gegen Null strebt.

Herleitung des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik

Bei einer Temperatur von T = 0 K sollte es keine thermische Bewegung der Teilchen mehr geben. Alle (in ideal kristallinen Stoffen) Teilchen sind dann in einem regelmäßigen, starren Gitter angeordnet. Daher sollten alle Teilchen die gleiche Entropie aufweisen (alle Teilchen haben physikalisch und chemisch die gleiche Umgebung).

Der 3. Hauptsatz

• Der Wert für die Entropie aller chemischen Stoffe, die am absoluten Nullpunkt als ideal kristallisierte Stoffe angesehen werden können, ist Null.
• Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik sagt aus, dass ein System niemals die Temperatur des absoluten Nullpunktes 0 K (-273,15°C) erreichen kann (da der ideal kristallisierte Festkörper nicht existiert, kann der absolute Nullpunkt auch nicht erreicht werden)

Anwendung des 3. Hauptsatzes

Die Gültigkeit des 3. Hauptsatzes kann mithilfe quantenmechanischer Annahmen und Berechnungen bewiesen werden. Experimentell konnte die Gültigkeit des 3. Hauptsatzes bisher nie widerlegt werden, da der absolute Nullpunkt bisher nie erreicht werden konnte.

Anmerkung:

Manchen stellt sich die Frage, warum gerade am absoluten Nullpunkt die Entropie Null sein soll. Aus dem 3. Hauptsatz der Thermodynamik folgt nicht, dass alle Entropien bei T = 0 K gleich null werden. Der 3. Hauptsatz sagt nur, dass alle Stoffe am absoluten Nullpunkt dieselbe Entropie besitzen (keine Bewegung der Teilchen mehr). Erst durch internationale Gremien hat man sich darauf geeinigt, den Wert der Entropie am absoluten Nullpunkt gleich null zu setzten. Den Wert 0 hat man deswegen verwendet, da er “die Lösung der sog. Boltzmann-Gleichung für die Entropie ist Entropie S = k·ln(W)”, wobei W die Möglichkeit der Teilchenanordnung ist. Bei idealer Anordnung ist W = 1, so dass gilt S = 0.

Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik – Testfragen/-aufgaben

1. Was besagt der dritte Hauptsatz der Thermodynamik in einfachen Worten?

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie (Unordnung) eines perfekten Kristalls bei absolutem Nullpunkt (0 Kelvin) gleich null ist.

2. Welche physikalische Größe wird im dritten Hauptsatz der Thermodynamik betrachtet?

Im dritten Hauptsatz der Thermodynamik wird die Entropie betrachtet.

3. Was passiert mit der Entropie eines Systems, wenn es den absoluten Nullpunkt erreicht?

Die Entropie eines Systems wird am absoluten Nullpunkt null.

4. Wofür ist der dritte Hauptsatz der Thermodynamik grundlegend?

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik ist grundlegend für das Verständnis von Wärmeenergie, Molekularbewegung und Kristallstrukturen in der Physik.

5. Was bedeutet es, wenn die Entropie eines Systems gleich null ist?

Wenn die Entropie eines Systems gleich null ist, ist es in einem völlig geordneten Zustand.

6. Können reale Systeme den absoluten Nullpunkt erreichen?

Reale Systeme können den absoluten Nullpunkt nicht erreichen, dies ist ein ideales Konzept.

7. Wie definiert man die absolute Temperatur in Bezug auf den dritten Hauptsatz der Thermodynamik?

Die absolute Temperatur wird durch den dritten Hauptsatz der Thermodynamik als der Punkt definiert, an dem die Entropie eines Systems null ist.

8. Was besagt das Nernstsche Theorem, das oft mit dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik verbunden ist?

Das Nernstsche Theorem besagt, dass mit Annäherung an den absoluten Nullpunkt jede Änderung der Entropie gegen Null geht.

9. Was beinhaltet die Nernst-Sommerfeld-Formulierung des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik?

Die Nernst-Sommerfeld-Formulierung des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik besagt, dass es unmöglich ist, irgendein System auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen.

10. Warum beträgt die Entropie eines perfekten Kristalls bei absolutem Nullpunkt null?

Bei absolutem Nullpunkt alle Atome in einem perfekten Kristall sind an festen Orten und es gibt nur eine einzige Mikrozustand, was zur Entropie von Null führt.