네른스트의 열정리(Nernst’s heat theorem)

[요약] 절대영도에서의 엔트로피에 관한 법칙으로 열역학 제3법칙이라고도 한다.
절대영도(絶對零度)에서의 엔트로피에 관한 법칙. 네른스트-플랑크의 정리, 열역학 제3법칙 (熱力學第三法則)이라고도 한다. 절대영도에 가까워짐에 따라 비열이나 팽창계수가 0에 가까워지는 것 등은 이 법칙에서 열역학적으로 유도된다. 엔트로피(S)는 다음과 같이 표현할 수 있다. S = k lnW 여기서 k = 1.38 × 10-23J/K로 볼츠만 상수, W는 배열에 대한 경우의 수 혹은 상태수, ln은 밑수가 e인 자연로그이다. 만약 가장 낮은 준위가 3배로 축퇴(縮退, degeneracy)되어 있다면, 절대영도(0 K)에서 허용한 상태수는 3이므로, 엔트로피 S = k ln3로 표시할 수 있다. 따라서 제3법칙은 때로는 '0'이라는 숫자 대신에 '어떤 상수'로 표현해야 한다. 이 법칙에 의하면 열용량은 절대영도에서 0이 되어야 한다. 후에 더 나아가 M.플랑크는 온도(T)가 0K로 접근가게 됨에 따라 엔트로피 자신이 0이 된다(즉, T → 0에서 S → 0)고 주장했다. 이로써 온도(T)가 0K근처에서 비열이나 팽창률은 0이 된다는 결론이 나오므로, 유한 횟수의 과정의 경우에는 절대영도 상태까지 도달할 수 없다.
통계역학에서는 미시적 상태의 수를 W라 하면 엔트로피는 볼츠만의 원리에 의해 S=k ln W로 표시하는데 0K에서는 모든 계가 바닥상태로 되며, 바닥상태는 축퇴되어있지 않다고 하면 한 가지 상태 W=1이 되어 S=0을 기대할 수 있다.
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