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17.4:

熱力学の第三法則

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Third Law of Thermodynamics

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The components of a substance have kinetic energy, which appears as different types of molecular motion, including translational, rotational, and vibrational motion. With greater molecular motion, a substance has more ways to distribute the kinetic energy among its components; that is, it has a greater number of possible microstates. The third law of thermodynamics states that at zero Kelvin, also known as absolute zero, the entropy of a pure, perfectly crystalline substance is zero. At zero Kelvin, the components of a crystal have no kinetic energy and no molecular motion, meaning that they can only occupy one fixed position. Thus, these components have a singular microstate, and W is equal to 1. Solving Boltzmann’s equation, the entropy is equal to zero. There are two major consequences of the third law of thermodynamics. First, at temperatures greater than absolute zero, the entropy of all substances must be positive. Second, all entropy values can be measured against a fixed reference point—the entropy at absolute zero. Using this reference, the standard molar entropy, S°, is the entropy of 1 mole of a substance under standard state conditions. Values for the standard molar entropy, in J/mol·K, can be found in reference tables. Whether a substance will have a high or low standard molar entropy depends on several factors, including the physical state of the substance, its molar mass, and the specific form of the substance. As a substance transitions from a solid to a liquid to a gaseous state, its entropy increases because there are more possible microstates due to increasing molecular motion. Allotropes, which are different structural forms of an element, have different standard molar entropies, and the less rigid form has a higher standard molar entropy. For example, diamond and graphite are allotropes of solid carbon. In diamond, the carbon atoms are fixed in a crystal structure. Conversely, in graphite, the carbon atoms are arranged in layers that can slide over each other. Thus, the graphite carbon atoms have more mobility, which means graphite has more microstates and a higher standard molar entropy.

17.4:

熱力学の第三法則

運動エネルギーを持たない純粋な完全結晶性固体(つまり、温度が絶対零度(0 K)の場合)は、その純粋さ、完全な結晶性、完全に運動しないことから、結晶を構成する同一の原子や分子の位置は1つしかない(W = 1)ため、単一の微視的状態で記述することができます。ボルツマン方程式によれば、この系のエントロピーはゼロです。

Eq1

このエントロピーの限界条件は、熱力学の第3法則を表しています。0 Kにおける純粋で完全な結晶のエントロピーはゼロです。

注意深く熱量測定を行うことで、物質のエントロピーの温度依存性を決定し、特定の条件下における絶対的なエントロピー値を導き出すことができます。標準エントロピー()は、標準的な条件下での1 molの物質のエントロピーです。物質の物理的状態、モル質量、同素体、分子の複雑さ、溶解の程度などにより、物質によって標準モルエントロピー値は異なります。

気相では粒子間のエネルギー分散が大きいため、気体状の物質は液体状の物質よりも標準モルエンタルピーが大きくなる傾向です。同様の理由で、液体の物質は固体の物質よりも大きな値を持つ傾向です。例えば、S°H2O(l) = 70 J/mol·KやS°H2O(g) = 188.8 J/mol·Kです。

同じ状態の元素でも、重い元素(モル質量が大きい)の方が、軽い元素よりも標準モルエントロピーの値が大きくなります。例えば、S°Ar(g) = 154.8 J/mol·K、S°Xe(g) = 159.4J/mol·Kです。

同様に、同じ状態の物質でも、複雑な分子の方が単純な分子よりも標準モルエンタルピーの値が大きいです。これは、より大きく複雑な分子では、原子の可能な配置が増え、可能な微視的状態の数が増えるためです。例えば、S°Ar (g) = 154.8 J/mol·KとS°NO (g) = 210.8 J/mol·Kでは、アルゴンの方がモル質量が大きいにもかかわらず、モルエントロピーの値が小さいです。これは、ガス状のアルゴンでは、エネルギーは原子の並進運動の形をとるのに対し、ガス状の一酸化窒素(NO)では、エネルギーは分子の並進運動、回転運動、(十分に高い温度では)振動運動の形をとるからです。

物質の標準モルエントロピーは、温度の上昇とともに増加します。固体から液体、液体から気体などの相転移の際には、エントロピーが大きく変化します。

上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Chemistry 2e, Chapter 16.2: The Second and Third Law of Thermodynamics.