Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

Pregrado → Termodinámica → Leyes de la Termodinámica ↓


Tercera Ley


La tercera ley de la termodinámica es uno de los principios fundamentales de la física. Trata sobre las propiedades de los sistemas que se acercan a la temperatura de cero absoluto. Esta ley proporciona información profunda sobre el comportamiento y las propiedades de las sustancias a temperaturas muy bajas, desempeñando un papel importante en campos como la criogenia y el estudio de sistemas mecánicos cuánticos.

Concepto básico

La tercera ley de la termodinámica establece que a medida que la temperatura de un sistema cerrado se acerca al cero absoluto, la entropía del sistema se aproxima a un valor mínimo. Esto se puede parafrasear a menudo diciendo que cuando solo es posible un único microestado, generalmente el estado fundamental, la entropía se acerca a cero.

Matemáticamente, la tercera ley puede expresarse como:

S = k * ln(Ω)

Dónde:

  • S es la entropía del sistema.
  • k es la constante de Boltzmann.
  • Ω es el número de microestados.

Ejemplo visual

Consideremos un ejemplo visual simple, como una red de partículas donde cada partícula puede estar en cualquiera de muchos estados. A altas temperaturas, muchas configuraciones (o microestados) son posibles. Sin embargo, a medida que la temperatura disminuye hacia el cero absoluto, el sistema se vuelve más ordenado y el número de configuraciones posibles disminuye.

Alta entropía (estados aleatorios) La entropía disminuye con menos estados A cero absoluto, todo está en el estado fundamental

Implicaciones prácticas

Alcanzar el cero absoluto es un concepto teórico, ya que es imposible lograr este estado según las leyes de la termodinámica. Sin embargo, entender la tercera ley ayuda a los científicos e ingenieros a diseñar sistemas que funcionan a temperaturas muy bajas.

La idea de que la entropía se aproxima a cero en el cero absoluto tiene importantes implicaciones para entender el ordenamiento de la energía y la materia. La criogenia, la tecnología de producir temperaturas muy bajas, se basa en gran medida en los principios de la tercera ley. Forma la base de tecnologías como superconductores, superfluidos y algunos computadores cuánticos.

Entropía y el cero absoluto

La entropía es una medida del desorden o aleatoriedad en un sistema. A temperaturas más altas, las partículas tienen más energía y están más desordenadas, resultando en una mayor entropía. A medida que la temperatura disminuye, las partículas pierden energía y se acomodan en un estado más ordenado.

Al acercarse al cero absoluto, la posibilidad de intercambio de energía se vuelve absolutamente mínima y lleva al sistema a un estado altamente ordenado. Por lo tanto, la entropía se aproxima a un valor mínimo, que a menudo se considera cero.

Perspectivas experimentales

Experimentalmente, utilizamos tecnología criogénica para acercarnos al cero absoluto diluyendo helio-3 en helio-4, utilizando desmagnetización adiabática o aplicando técnicas de enfriamiento por láser. Estos sistemas demuestran la aplicabilidad de la tercera ley mostrando estados de entropía extremadamente baja.

Estudio de caso

Consideremos una caja sellada llena de partículas de gas. A temperatura ambiente, las partículas rebotan en diferentes direcciones con alta energía y momento, creando muchos posibles estados microscópicos, resultando en alta entropía.

A medida que la temperatura disminuye, las partículas se ralentizan y sus trayectorias se vuelven más predecibles, reduciendo el número de estados microscópicos disponibles. Esta tendencia continúa a medida que la temperatura se acerca al cero absoluto.

Partículas a altas temperaturas (alta entropía) Partículas cerca del cero absoluto (baja entropía)

Esta disminución en la entropía se describe claramente en la famosa fórmula de entropía de Ludwig Boltzmann:

S = k * ln(Ω)

donde S denota la entropía, k es la constante de Boltzmann, y Ω denota el número de microestados. A cero absoluto, porque Ω es mínimo, la entropía S también es mínima.

Energía del punto cero

A pesar de las implicaciones de la tercera ley, el sistema nunca deja de tener energía, conocida como energía del punto cero. A cero absoluto, el sistema no deja de vibrar; alcanza su estado fundamental original después del cual no es posible una mayor pérdida de energía. Este estado se caracteriza por la energía del punto cero, que se encuentra en el corazón de la mecánica cuántica y las propiedades de la materia a muy bajas temperaturas.

Implicaciones filosóficas

La tercera ley también tiene curiosidad filosófica, proponiendo un fin teórico completo al caos. A cero absoluto, se alcanza hipotéticamente un punto de orden supremo y energía más baja. Los conocimientos adquiridos de la mecánica cuántica desentrañan complejidades como vibraciones del punto cero y fluctuaciones cuánticas, añadiendo profundidad a nuestra comprensión de la naturaleza.

Conclusión

La tercera ley de la termodinámica abre una ventana al universo de la física a bajas temperaturas. Desde aplicaciones prácticas en criogenia hasta el límite teórico de la entropía acercándose a cero, presenta un rico lienzo para la investigación científica. Aunque el cero absoluto es teóricamente inalcanzable, el estudio de este fenómeno lleva a fascinantes exploraciones tecnológicas y filosóficas.


Pregrado → 3.1.4


U
username
0%
completado en Pregrado

← Anterior (3.1.3)
Segunda Ley
Siguiente (3.2) →
Calor y trabajo

Comentarios 



Tercera Ley

https://www.physicsflow.com/ug/3.1.4?pfal=es