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¿Cómo puede el helio ser líquido en el cero absoluto, dada la Tercera Ley de la Termodinámica?

Hace poco aprendí que el Helio es un líquido incluso a 0K. ¿No significa eso que todavía tiene algo de entropía? Si es así, ¿no viola el postulado de la termodinámica que establece que la entropía debe ir a 0 a medida que la temperatura llega a 0?

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@StéphaneRollandin Las dos preguntas están relacionadas seguro, pero esta no está completamente contestada por la que citas.

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Realmente no he oído hablar de helio líquido a 0 K. Lo último que he oído es que era posible alcanzar unos microkelvins por encima de 0K. En realidad nunca podremos llegar a 0K.

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valerio92 Puntos 483

Una pregunta interesante. La "tercera ley" de la termodinámica en realidad establece que

La entropía de un cristal perfecto en el cero absoluto es exactamente cero.

Dado que muchos sistemas de la naturaleza cristalizan en algún momento cuando se reduce su temperatura, esta afirmación suele interpretarse erróneamente:

La entropía de un sistema físico en el cero absoluto es exactamente cero. ( ¡Incorrecto! )

La entropía se define como

$$S=k_B \log(\Omega)$$

donde $\Omega$ es el número de microestados del sistema. Como sólo hay un microestado que corresponde a una configuración cristalina perfecta, en el caso de un cristal tenemos $\Omega=1$ y por lo tanto $S=0$ . Pero hay sistemas con un estado básico degenerado, es decir, con muchos estados diferentes de mínima energía, y también sistemas (como los vidrios) que se quedan "atascados" y no pueden alcanzar su verdadero estado básico. Esos sistemas no satisfacen $\Omega=1$ en $T=0$ y por lo tanto su entropía será diferente de $0$ .

Puede encontrar más información sobre la correcta interpretación de la "tercera ley" aquí y aquí .

El helio líquido es un caso único: es el único elemento que permanece líquido a temperatura atmosférica hasta $T=0$ y no se cristaliza. Su diagrama de fases se muestra en la siguiente imagen:

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Cita de Wikipedia :

Por debajo del $\lambda$ -línea el líquido puede ser descrito por el llamado modelo de dos fluidos. Se comporta como si estuviera formado por dos componentes: un componente normal, que se comporta como un fluido normal, y un componente superfluido con viscosidad cero y entropía cero . [...] Al bajar la temperatura, la fracción de la densidad del superfluido aumenta de cero a $T_\lambda$ a uno a cero kelvin. Por debajo de 1 K el helio es casi completamente superfluido.

Así, en $T=0$ $^4$ Es completamente superfluo y tiene entropía cero. ¿Por qué es esto? ¿Por qué la entropía de un líquido $0$ ? Pues porque el helio líquido no es un líquido corriente.

En el estado superfluido, todos los átomos están en el mismo estado cuántico . Además, son idénticos. Esto significa que, de hecho, hay sólo un estado de reposo porque si intercambiamos dos átomos nada cambia. Por lo tanto, el número de microestados es $\Omega=1$ y

$$S=0$$

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¿Por qué llamamos a esa frase "La entropía de un cristal perfecto en el cero absoluto es exactamente cero"? ¿No es sólo el caso en el que tenemos 1 microestado posible según la mecánica cuántica? ¿Por qué llamarlo ley de la termodinámica?

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