熱力学第三法則：絶対零度

今日は、絶対温度0度に関係する熱力学第三法則を取り上げます。

熱力学第三法則とは？

熱力学第三法則は、簡単にいうと、系が絶対零度に近づくほど、その系のエントロピーが一定の値に達すると説明するものです。
ここで、エントロピーとは何でしょうか？ エントロピーは不規則さや無秩序さの尺度で、系がどれほど多くの異なる状態を取り得るかを数値で表します。

絶対零度

絶対零度は-273.15°C、つまり0K（ケルビン）で、理論上、到達できない温度です。この点では原子の運動が止まり、系はこれ以上熱エネルギーを失えない状態、すなわちエネルギーが最小の基底状態に達します。

残留エントロピーと微視的状態

基底状態に達した系は、「残留エントロピー」を持つ場合があります。非晶質固体を除けば、ほとんどの場合は0に近い値です。しかし興味深いことに、ガラスのような非晶質固体は、理論的に0ではない残留エントロピーを持ち得ます。そのような物質は、唯一の基底状態を持たないためです。

微視的状態は、系が特定の状態にある確率を表します。絶対零度では、可能な微視的状態は一つだけで、すべての原子が同一であり、可能なすべての配置が同じであることを意味します。したがって、エントロピーはボルツマン定数k_Bと、可能な微視的状態の数Ωの自然対数との積で計算されます。

エントロピーの計算

S = (k_B)*(ln(Ω))

ここでΩが1、つまり微視的状態が一つしかなければ、ln(1) = 0となるため、エントロピーSは0になります。これは、系が完全に整列した状態にあり、これ以上無秩序さを増す余地がないことを示します。

このように、熱力学第三法則は物理学における非常に重要な概念で、宇宙の基本的な動作原理を理解するうえで大きな役割を果たします。
今日は、熱力学第三法則についてお話ししました。それでは、皆さんお疲れさまでした！