Terzo principio della termodinamica

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Il terzo principio della termodinamica, detto anche teorema di Nernst, è uno dei postulati della termodinamica classica.

Come il secondo principio, a cui è strettamente legato, questo stabilisce l'impossibilità di una certa classe di fenomeni: la formulazione classica di questo principio afferma che non è possibile raggiungere lo zero assoluto tramite un numero finito di operazioni (ovvero di trasformazioni termodinamiche).

Un'altra formulazione più moderna (ma equivalente) afferma che nello stato a minima energia l'entropia ha un valore ben definito che dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale.

[modifica] Il terzo principio come teorema

Il terzo principio della termodinamica è a tutti gli effetti un teorema. Per dimostrarlo si immagini di avere a che fare con una macchina reversibile che lavora tra le temperature $θ$ e $θ 0$ , non importa quale delle due sia la maggiore. Si supponga poi che la macchina in questione scambi le quantità di calore $Q$ e $Q 0$ con sorgenti alle temperature $θ$ e $θ 0$ rispettivamente. In questo modo può essere definita operativamente la temperatura Kelvin utilizzando la relazione

$\theta = \theta _0 \left| {\frac{Q} {{Q_0 }}} \right|,$

da cui risulta chiaro come variare una temperatura non significa altro che moltiplicarla per una certa quantità, ovvero il rapporto tra gli scambi di calore. Così se si avesse a disposizione un frigorifero, reale questa volta, che è in grado, ad ogni suo ciclio, di far diminuire la sua temperatura di un fattore $\left| {\frac{Q} {{Q_0 }}} \right|,$ esso non riuscirebbe mai a giungere allo zero assoluto con un numero finito di cicli: infatti, per il secondo principio della termodinamica, il rendimento di una machina reale $η r e a l e$ è pari a

$\eta _{reale} = 1 - \frac{{Q_{ceduto} }} {{Q_{assorbito} }},$

con

$0 \le \eta _{reale} < 1.$

Grazie a queste ultime due proprietà è facile comprendere che

$0 < \frac{Q}{{Q_0 }} \le 1$

ovvero che il rapporto tra il calore ceduto e quello assorbito non può mai assumere un valore nullo. In questo senso, per esempio, se un frigorifero riuscisse ad ogni ciclo a dimezzare la sua temperatura, non riuscirebbe in alcun caso, e tantomeno con un unico ciclo, a portarla a zero in un tempo finito.

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