Třetí věta
termodynamiky
Přestože
se podařilo dosáhnout teploty lišící se jen o 2.10-5 K od absolutní
nuly, podrobná analýza experimentů prováděných za teplot blízkých 0 K
jednoznačně nasvědčuje tomu, že teplota absolutní nuly je absolutně
nedosažitelná.
Na
diagramu (T – S, T = magnetická indukce, S
= entropie) jsou dvě křivky, jedna pro sůl zmagnetovanou působením vnějšího
magnetického pole (B=Bi) a druhá pro sůl odmagnetovanou,
existující za nulového vnějšího magnetického pole (B=0).
Izotermický
přechod (odmagnetovaná sůl ® zmagnetovaná sůl) z bodu 1
do bodu 2 představuje změnu ze
stavu o vyšší entropii a vyšší vnitřní energii do stavu o nižší entropii
a nižší vnitřní energii. Po přerušení vnějšího magnetického pole nastane
izentropický přechod (DS = 0) zpět na křivku B=0.
Je zřejmé, že teplota látky klesne.
Z diagramu je vidět, že dílčí
ochlazení, jehož dosáhneme při každém dalším opakování základního kroku
složeného z izotermického zmagnetování a adiabatického odmagnetování látky, je
stále menší a menší. Tedy i kdybychom mohli celý děj uskutečnit dokonale
vratně, zůstane teplota absolutní nuly limitní hodnotou, k níž bychom dospěli
teprve po nekonečném počtu oněch základních kroků.
Protože
témuž omezení podléhají také všechny ostatní myslitelné chladicí procesy, lze
tento závěr zevšeobecnit (podobně, jak to bylo učiněno v případě první a druhé
věty) a zformulovat jej v postulát zvaný třetí věta termodynamiky:
Žádným postupem, ať jakkoliv
idealizovaným, nelze u žádné soustavy dosáhnout snížení její teploty na
absolutní nulu konečným počtem operací.
Z obrázku
je zřejmé, že nedosažitelnost absolutní nuly souvisí s tím, že v limitě pro T
® 0 se entropie zmagnetovaného a odmagnetovaného stavu přestávají
od sebe lišit, takže změna entropie DS při izotermickém zmagnetování při
teplotách T ® 0
musí limitovat k nule.
To ovšem
není žádná zvláštnost, která by se týkala pouze demagnetizačního ochlazování,
protože i pro jakýkoliv jiný chladicí postup bude mít diagram T ® S
stejnou povahu. To znamená, že pro jakýkoliv vratný děj a®b musí
podle třetí věty termodynamiky platit, že v limitě pro T ® 0 je S0a
= S0b, tedy
S0a
- S0b = DS0
Toto
vyjádření třetí věty termodynamiky se silně podobá proslulému tepelnému
teorému, který vyslovil Walther Nernst roku 1906.
První
skutečně uspokojivá formulace třetí věty termodynamiky byla podána teprve v
roce 1923 v prvním vydání knihy „Thermodynamics and the Free Energy of Chemical
Substances“, jejímiž autory jsou G.N. Lewis a M. Randall:
„Jestliže
entropii každého prvku v některém jeho krystalickém stavu položíme pro teplotu
absolutní nuly za rovnu nule, pak entropie každé látky bude mít konečně velkou
kladnou hodnotu; pro teplotu absolutní nuly může však entropie látky nabýt
nulové hodnoty, což je skutečně splněno u látek dokonale krystalických."
Jaroslava Vávrová
.