La entropía residual es la diferencia de entropía entre un estado de no equilibrio y el estado cristalino de una sustancia cercana al cero absoluto . Este término se utiliza en física de la materia condensada para describir la entropía a cero kelvin de un cristal de vidrio o plástico referido al estado cristalino, cuya entropía es cero según la tercera ley de la termodinámica . Ocurre si un material puede existir en muchos estados diferentes cuando se enfría. El estado de desequilibrio más común es el estado vítreo, vidrio .
Un ejemplo común es el caso del monóxido de carbono , que tiene un momento dipolar muy pequeño . A medida que el cristal de monóxido de carbono se enfría a cero absoluto, pocas de las moléculas de monóxido de carbono tienen tiempo suficiente para alinearse en un cristal perfecto (con todas las moléculas de monóxido de carbono orientadas en la misma dirección). Debido a esto, el cristal está bloqueado en un estado condiferentes microestados correspondientes , dando una entropía residual de, en lugar de cero.
Otro ejemplo es cualquier sólido amorfo ( vidrio ). Estos tienen entropía residual, porque la estructura microscópica átomo por átomo se puede organizar de una gran cantidad de formas diferentes en un sistema macroscópico.
Historia
Pauling señaló uno de los primeros ejemplos de entropía residual para describir el hielo de agua . En el agua, cada átomo de oxígeno está unido a dos átomos de hidrógeno. Sin embargo, cuando el agua se congela, forma una estructura tetragonal donde cada átomo de oxígeno tiene cuatro vecinos de hidrógeno (debido a las moléculas de agua vecinas). Los átomos de hidrógeno que se encuentran entre los átomos de oxígeno tienen cierto grado de libertad siempre que cada átomo de oxígeno tenga dos átomos de hidrógeno que estén "cerca", formando así la molécula de agua H 2 O tradicional . Sin embargo, resulta que para una gran cantidad de moléculas de agua en esta configuración, los átomos de hidrógeno tienen una gran cantidad de configuraciones posibles que cumplen con la regla 2-in 2-out (cada átomo de oxígeno debe tener dos 'cerca' (o ' in ') átomos de hidrógeno y dos átomos de hidrógeno lejanos (o' fuera ')). Esta libertad existe hasta el cero absoluto, que anteriormente se consideraba una configuración única absoluta. La existencia de estas configuraciones múltiples (opciones para cada H de orientación a lo largo del eje O - O) que cumplen las reglas del cero absoluto (2 entradas 2 salidas para cada O) equivale a aleatoriedad, o en otras palabras, entropía. Por lo tanto, se dice que los sistemas que pueden tomar múltiples configuraciones en o cerca del cero absoluto tienen entropía residual. [1]
Aunque el hielo de agua fue el primer material para el que se propuso la entropía residual, generalmente es muy difícil preparar cristales puros de hielo de agua sin defectos para su estudio. Por lo tanto, se ha llevado a cabo una gran cantidad de investigación para encontrar otros sistemas que exhiban entropía residual. Los sistemas geométricamente frustrados , en particular, exhiben a menudo entropía residual. Un ejemplo importante es el hielo de espín , que es un material magnético geométricamente frustrado donde los momentos magnéticos de los átomos magnéticos tienen espines magnéticos similares a los de Ising y se encuentran en las esquinas de la red de tetraedros que comparten esquinas. Por lo tanto, este material es análogo al hielo de agua, con la excepción de que los giros en las esquinas de los tetraedros pueden apuntar hacia adentro o hacia afuera del tetraedro, produciendo así la misma regla de 2 entradas y 2 salidas que en el hielo de agua, y por tanto la misma entropía residual. Una de las propiedades interesantes de los materiales magnéticos geométricamente frustrados, como el hielo de espín, es que el nivel de entropía residual puede controlarse mediante la aplicación de un campo magnético externo. Esta propiedad se puede utilizar para crear sistemas de refrigeración de un solo uso.
Ver también
Notas
- ^ Pauling, Linus (1970). Química general . San Francisco: WHFreeman and Co. p. 433 . ISBN 0716701480.