Остаточная энтропия - Residual entropy

Остаточная энтропия разница в энтропия между неравновесным состоянием и кристаллическим состоянием вещества, близким к абсолютный ноль. Этот термин используется в физика конденсированного состояния описать энтропия при нулевом кельвине из стекло или же пластиковый кристалл относится к кристаллическому состоянию, энтропия которого равна нулю согласно третий закон термодинамики. Это происходит, если при охлаждении материал может находиться во многих различных состояниях. Наиболее частым неравновесным состоянием является состояние стекловидного тела, стекло.

Типичный пример - случай монооксид углерода, который имеет очень маленький дипольный момент. Когда кристалл окиси углерода охлаждается до абсолютного нуля, некоторые молекулы окиси углерода успевают выстроиться в идеальный кристалл, (все молекулы монооксида углерода ориентированы в одном направлении). Из-за этого кристалл заблокирован в состоянии с ${ displaystyle 2 ^ {N}}$ разные соответствующие микросостояния, что дает остаточную энтропию ${ Displaystyle S = Nk ln (2)}$ , а не ноль.

Другой пример - любое аморфное твердое тело (стекло ). У них есть остаточная энтропия, потому что микроскопическая структура атом за атомом может быть устроена огромным количеством различных способов в макроскопической системе.

История

На один из первых примеров остаточной энтропии указал Полинг описать воду лед. В воде каждый атом кислорода связан с двумя атомами водорода. Однако, когда вода замерзает, она образует тетрагональную структуру, в которой каждый атом кислорода имеет четырех соседей по водороду (из-за соседних молекул воды). Атомы водорода, сидящие между атомами кислорода, имеют некоторую степень свободы, пока каждый атом кислорода имеет два атома водорода, которые находятся «рядом», таким образом образуя традиционный H₂O молекула воды. Однако оказывается, что для большого количества молекул воды в этой конфигурации атомы водорода имеют большое количество возможных конфигураций, которые удовлетворяют правилу 2 на 2 выхода (каждый атом кислорода должен иметь два «близких» (или in ') атомы водорода и два дальних (или' выходящих ') атома водорода). Эта свобода существует вплоть до абсолютного нуля, что раньше считалось абсолютной единственной в своем роде конфигурацией. Существование этих множественных конфигураций (выбор для каждого H ориентации вдоль оси O - O), которые удовлетворяют правилам абсолютного нуля (2 входа 2 выхода для каждого O), составляет случайность или, другими словами, энтропию. Таким образом, говорят, что системы, которые могут принимать несколько конфигураций с абсолютным нулем или близким к нему, имеют остаточную энтропию.^[1]

Хотя водяной лед был первым материалом, для которого была предложена остаточная энтропия, обычно очень трудно приготовить чистые бездефектные кристаллы водяного льда для изучения. Таким образом, было проведено большое количество исследований по поиску других систем, демонстрирующих остаточную энтропию. Геометрически расстроен системы, в частности, часто показывают остаточную энтропию. Важным примером является вращать лед, который представляет собой геометрически фрустрированный магнитный материал, в котором магнитные моменты магнитных атомов имеют магнитные спины, подобные Изингу, и лежат на углах сети тетраэдров с общими углами. Таким образом, этот материал аналогичен водяному льду, за исключением того, что спины на углах тетраэдров могут указывать внутрь или наружу тетраэдров, тем самым создавая то же правило 2 входа, 2 выхода, что и в водяном льду, и, следовательно, такая же остаточная энтропия. Одно из интересных свойств геометрически фрустрированных магнитных материалов, таких как спиновый лед, заключается в том, что уровень остаточной энтропии можно контролировать с помощью приложения внешнего магнитного поля. Это свойство можно использовать для создания однокомпонентных холодильных систем.

Смотрите также

Примечания

^ Полинг, Линус (1970). Общая химия. Сан-Франциско: W.H. Freeman and Co., стр.433. ISBN 0716701480.

[1] Полинг, Линус (1970). Общая химия. Сан-Франциско: W.H. Freeman and Co., стр.433. ISBN 0716701480.

[1]